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        基于虛擬現(xiàn)實的多支路地下管線三維可視化研究

        2022-07-20 01:16:58王民強(qiáng)
        經(jīng)緯天地 2022年3期
        關(guān)鍵詞:視景支路虛擬現(xiàn)實

        王民強(qiáng)

        (北京力佳圖科技有限公司,北京 100096)

        0.引言

        隨著虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的發(fā)展,采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立多支路地下管線的可視化分析模型,通過對多支路地下管線分布,進(jìn)行多支路地下管線的優(yōu)化鋪設(shè)控制,提高多支路地下管線鋪設(shè)和運維管理的可靠性,相關(guān)的多支路地下管線可視化生成技術(shù)研究受到人們的極大關(guān)注。在對多支路地下管線的運維控制中,建立管線的三維可視化動態(tài)分析模型,通過數(shù)字圖像分析和視景仿真重構(gòu),提高管線自動化檢測的準(zhǔn)確性[1]。

        對多支路地下管線三維可視化研究是建立在對系統(tǒng)的三維模塊化重構(gòu)和視景仿真基礎(chǔ)上,集合多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計,進(jìn)行視景重構(gòu)[2,3],文獻(xiàn)[4]中提出結(jié)合Vega Prime進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)設(shè)計方法,采用3DStudio MAX軟件進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)仿真設(shè)計,提高了三維可視化的辨識能力,但該方法的系統(tǒng)開銷較大,穩(wěn)定性不好。文獻(xiàn)[5]中提出虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)的管線三維可視化方法,在多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的三維設(shè)計中,結(jié)合3D信息重構(gòu)和VR仿真技術(shù),進(jìn)行多支路地下管線三維可視化的虛擬視景仿真,用該方法進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)的穩(wěn)定性不高,可靠性不好。

        針對上述問題,本文提出基于虛擬現(xiàn)實的多支路地下管線三維可視化方法。首先進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型設(shè)計,然后采用LightWave3D可視化分析軟件構(gòu)建多支路地下管線的分布模型,基于場景渲染和幀補(bǔ)償方法,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化重構(gòu)和視景仿真過程中的誤差補(bǔ)償控制,提高虛擬化視景仿真的逼真度,最后進(jìn)行實驗測試分析,展示了本文方法在提高多支路地下管線三維可視化重構(gòu)能力方面的優(yōu)越性能。

        1.總體設(shè)計構(gòu)架與組件模塊分析

        1.1 三維可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架

        為了實現(xiàn)對多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架分析。構(gòu)建多支路地下管線三維可視化數(shù)據(jù)庫,采用LightWave3D可視化分析軟件構(gòu)建多支路地下管線的分布模型,在嵌入式的BS總線控制模型下,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化的圖像特征分析和底層ACCESS數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用視景仿真技術(shù)進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的視景模擬,采用3D信息重構(gòu)的方法,通過PCI總線調(diào)度和交叉編譯控制,在Creator的Terrain菜單模塊中建立多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的工程文件配置模型,通過建立多支路地下管線三維可視化的模糊相關(guān)性特征分布結(jié)構(gòu)模型,采用特征信息融合的方法,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化自動生成。在多支路地下管線三維可視化的視景仿真和動態(tài)視景圖像重建,采用顯著圖模型分析方法進(jìn)行多支路地下管線三維可視化虛擬擬合,采用動態(tài)參數(shù)模擬和三維可視化重組,建立模糊透射關(guān)系分布集,結(jié)合模板匹配和區(qū)域重組,建立多支路地下管線三維可視化的源圖像,使用Vega Prime編輯器進(jìn)行多支路地下管線三維可視化程序加載,將多支路地下管線模型進(jìn)行多維特征檢測提取,創(chuàng)建GeneratorFFT和ObserverCentered兩個類實例進(jìn)行多支路地下管線三維可視化渲染,總體結(jié)構(gòu)模型(如圖1所示):

        圖1 多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

        根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)模型,采用物聯(lián)網(wǎng)直接通過網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)相連,在多支路地下管線的擴(kuò)展模型中,通過iSCSI技術(shù)實現(xiàn)與服務(wù)器、存儲設(shè)備的擴(kuò)展,在應(yīng)用軟件將多支路地下管線三維可視化中的各類存儲設(shè)備進(jìn)行分塊組合控制,通過云平臺直接訪問數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù),由此,構(gòu)建多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

        1.2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)分析

        采用總線傳輸控制和嵌入式的調(diào)度技術(shù),進(jìn)行多支路地下管線可視化特征信息重組,在嵌入式ARM系統(tǒng)中建立多支路地下管線可視化傳輸總線,在自適應(yīng)傳輸控制協(xié)議下建立多支路地下管線可視化平臺的內(nèi)核結(jié)構(gòu),結(jié)合三維虛擬場景的層次化結(jié)構(gòu)分析,進(jìn)行多支路地下管線的邏輯篩選、分離面裁剪、紋理動畫序列可視化分析,構(gòu)建三層體系結(jié)構(gòu),進(jìn)行多支路地下管線可視化重組,采用三層體系結(jié)構(gòu),將多支路地下管線可視化傳輸總線分為集合層次(Group Level)、對象層次(Object Level)、表面層次(Face Level),通過定義明暗模式,包括平坦、光滑和頂點色彩,建立底層數(shù)據(jù)庫,在定義部件的絞鏈關(guān)節(jié),結(jié)合管線的頂點層次結(jié)構(gòu)分布,可靈活地加速數(shù)據(jù)庫的組織、模型生成,三層體系結(jié)構(gòu)(如圖2所示):

        圖2 三維可視化系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)

        在多支路地下管線的三維虛擬現(xiàn)實可視化視景仿真中,可以充分利用紋理映射技術(shù),采用Unity3D的可視化重構(gòu),進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的主機(jī)引導(dǎo)控制,設(shè)計3D信息重構(gòu)模塊,采用MultiGen Creator軟件進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的實體模型構(gòu)造,通過Insert Materials tool生成多支路地下管線的等高線模型和規(guī)則格網(wǎng)模型。

        2.多支路地下管線三維可視化重構(gòu)算法

        在上述構(gòu)建了多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),并進(jìn)行功能組件分析的基礎(chǔ)上,采用圖像分析技術(shù),進(jìn)行灰度圖像閾值判斷,采用三維重構(gòu)技術(shù),建立多支路地下管線三維可視化的虛擬視覺圖像分析模型,得到檢測圖像輸出,如式(1)、式(2)所示:

        式(1)、式(2)中,N為地下管線的圖像總像素;M為通道色數(shù);n1為第i個像素的R通道;n2為第i個像素的G通道;i1和i2為灰度異常圖像數(shù);I為多幀圖像的連續(xù)檢測特征量;J為檢測到一幀三維可視化圖像,在一個7×7像素特征匹配窗口內(nèi),通過連續(xù)記錄的多支路地下管線三維可視化特征點,得到點分布模型,如式(3)所示:

        式(3)中,N1、N2分別為多支路地下管線三維重構(gòu)特征點;k1、k2分別為物體的標(biāo)記符;R(k1,k2)為自相關(guān)函數(shù),建立多支路地下管線三維可視化的聯(lián)合概率分布模型,得到多支路地下管線三維可視化的點跟蹤模型,得到多支路地下管線三維可視化的相似度特征量R(k1,k2),如式(4)所示:

        式(4)中,F(xiàn)(k1,k2)為相鄰兩個局部極大值點之間點位移參數(shù);G(k1,k2)為頻譜分界點;θ為經(jīng)驗尺度,設(shè)定多支路地下管線三維可視化的虛擬視覺圖像f,使用濾波器組中的濾波器對任意像素(x,y)進(jìn)行濾波處理,結(jié)合經(jīng)驗尺度函數(shù)和經(jīng)驗小波函數(shù),得帶寬分布值用A={Ai}Ni=1表示,在融合圖像的點分布區(qū)域,對傅里葉譜進(jìn)行自適應(yīng)劃分,得到N+1個邊界點,如式(5)、式(6)所示:

        式(5)、式(6)中,δ和ε分別為多支路地下管線調(diào)幅-調(diào)頻成分;κ(PBf)為匹配的地下管線子帶掃描圖像;(x,y)為經(jīng)驗小波函數(shù)分布坐標(biāo);f(s,t)為單幅圖像的列數(shù);B(x,y)為N+1個邊界點;δB(f)為混頻參數(shù);s為頻率分布值;t為檢測時間系數(shù)。由此,在相同的分解層中,通過選用SML最大的系數(shù)作為檢測函數(shù),當(dāng)鄰域(M×M)的中心像素灰度低于它所在鄰域,采用輪廓線檢測方法,進(jìn)行多支路地下管線的可視化渲染,得到銳化值,如式(7)所示:

        式(7)中,f(x)為拉普拉斯增強(qiáng)函數(shù);ω為像素點之間灰度差異;x為后續(xù)迭代變形參數(shù),通過搜索區(qū)域M×M,結(jié)合虛擬現(xiàn)實重組,得到地下管線的三維可視化輸出灰度值,如式(8)所示:

        式(8)中,Φ(ω)為在任意一個點Q(xi,yi)出的重構(gòu)三維特征;Q為以K(x0,y0)為中心的旋轉(zhuǎn)不變矩;P為搜索梯度的最大值。由此,進(jìn)行地下管線的高逼真度虛擬現(xiàn)實仿真模型設(shè)計,基于場景渲染和幀補(bǔ)償方法,結(jié)合圖像的虛擬現(xiàn)實視景仿真特征分析和邊緣輪廓檢測技術(shù),進(jìn)行多支路地下管線可視化圖像分析和三維重構(gòu)。

        3.多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

        采用三維視覺CAD導(dǎo)引方法,構(gòu)建多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)控制的智能輔助觀測器,結(jié)合專家系統(tǒng)和人機(jī)協(xié)同的方法,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)過程中的視覺導(dǎo)引,設(shè)計的多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)包括視覺信息采集模塊、總線交互模塊、程序編譯模塊和人機(jī)交互模塊等。通過配置.acf文件,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu),控制過程中的機(jī)器視覺信息感知和引導(dǎo),在多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)控制的三維ICAD系統(tǒng)中,進(jìn)行視覺仿真的設(shè)備選型,根據(jù)多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)的選型方案,采用上節(jié)的圖像處理技術(shù),得到在不同場景下的多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)的場景化控制模型,構(gòu)建多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的靜態(tài)處理模塊。通過單元設(shè)計的方法實現(xiàn)模塊化開發(fā),采用兼容MPEG-4、H.264、H.265等編碼方式,在lib文件進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的在線程序編譯和總線控制,構(gòu)建3D應(yīng)用文件,通過編譯不同的ACF文件,采用相對視點跟蹤的方法,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)循環(huán)控制。綜上設(shè)計,得到多支路地下管線三維可視化重構(gòu)的實現(xiàn)流程(如圖3所示):

        圖3 多支路地下管線三維可視化重構(gòu)的實現(xiàn)流程

        4.實驗測試

        通過仿真實驗驗證本文方法在實現(xiàn)多支路地下管線三維可視化重構(gòu)的應(yīng)用性能,采用Creator Terrain Studio(CTS)進(jìn)行仿真測試,結(jié)合全新的GIS技術(shù),構(gòu)建多支路管線的三維空間分布坐標(biāo)(如表1所示):

        表1 多支路管線的三維空間分布坐標(biāo) 單位:m

        根據(jù)上述參數(shù)配置,進(jìn)行多支路地下管線三維可視化重構(gòu),構(gòu)建地下管線分布場景圖(如圖4所示):

        圖4 地下管線分布場景圖

        通過GlobalMapper軟件打開由綜合管網(wǎng)導(dǎo)出的.shp格式數(shù)據(jù),導(dǎo)入整理過的管線數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動生成三維地下管線、管點及附屬設(shè)施,采用本文方法進(jìn)行多支路地下管線三維可視化重構(gòu),得到虛擬現(xiàn)實仿真圖(如圖5所示):

        圖5 多支路地下管線三維可視化虛擬現(xiàn)實仿真圖

        本文方法能在三維可視化的管網(wǎng)數(shù)據(jù)之上,快速調(diào)整管網(wǎng)顏色或材質(zhì),實現(xiàn)三維地下管線、管點、附屬設(shè)施以及縱橫斷面的三維可視化重構(gòu),并由此構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng),讓更多的用戶進(jìn)行瀏覽和體驗,完美地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享,由此實現(xiàn)了多支路地下管線的數(shù)字化、可視化管理。

        5.結(jié)束語

        本文提出基于虛擬現(xiàn)實的多支路地下管線三維可視化方法。根據(jù)多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)的選型方案,構(gòu)建多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的靜態(tài)處理模塊,將管線設(shè)計圖紙導(dǎo)入系統(tǒng)中,和現(xiàn)狀管線進(jìn)行分析檢測,快速調(diào)整管網(wǎng)顏色或材質(zhì),實現(xiàn)三維地下管線、管點、附屬設(shè)施以及縱橫斷面的三維可視化重構(gòu),并由此構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)地下綜合管網(wǎng)系。測試得出,本文方法進(jìn)行可視化仿真的逼真度較高,可視化效果較好。

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