CN104766365A - 一种工程结构物病害信息的三维可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维可视化方法，具体为一种工程结构物病害信息的三维可视化方法，包括以下步骤：1）根据图纸资料建立工程结构物的三维模型，将其放置并固定在三维场景坐标系内；2）从病害信息中分别抽取自身属性信息和位置信息，再按照如下步骤确定三维场景中的病害标记体：2a) 根据病害的自身属性信息确定病害标记体的外观属性并指定病害标记体的基点；2b) 根据病害的位置信息确定病害标记体基点在三维场景中的三维坐标；3）将病害标记体逐个添加到三维场景，对此三维空间进行展示。

Description

一种工程结构物病害信息的三维可视化方法

技术领域

本发明属于工程结构物查勘计算机相关应用技术领域，涉及一种工程结构物查勘信息的展示方法，具体涉及一种工程结构物病害信息三维可视化方法。

背景技术

随着我国城市、交通等领域大规模建设期的结束，房屋、桥梁、涵洞等工程结构物的鉴定、评定工作日益增多。房屋、桥梁、涵洞等工程结构物，在其安全性、使用性鉴定或评定过程中，都需对结构本身的情况予以调查，记录病害发生情况。相关国家标准（如《民用建筑可靠性鉴定标准》、《工业建筑可靠性鉴定标准》、《公路桥涵养护规范》和《公路桥梁技术状况评定标准》等）对房屋、桥梁等各类工程结构物的病害有较为全面的描述。结构病害多为局部现象，如混凝土结构的开裂、破损、漏筋，钢结构的锈蚀、涂层剥落、焊缝开裂等。

在实际的结构评定工作中，病害的空间分布对于了解结构服役状况、分析病害成因、制定维修方案都是非常重要的。目前的位置记录一般采用文本描述或者二维图纸标记的方式，对于病害的空间分布，工程人员通常根据病害记录中所载的病害信息，利用大脑思维构建病害的空间分布图；对于结构较复杂、病害较多的情况，工程人员以二维图纸为辅助，逐条查看病害记录后，将其标记在结构图纸上，再想象其三维空间分布情况。这种方法费时费力，且不能根据需求动态查看不同类别、不同程度病害的分布情况。可见，目前病害信息的利用效率很低，急需一种结构病害信息的三维可视化方法来改善这一现状。

发明内容

本发明的目的是针对现有工程结构物病害信息利用效率低、用户思维负担重的缺陷，提供一种用于工程结构物病害信息显示的三维可视化方法，该方法可以有效提高工程结构物病害信息的利用效率，提供更便捷的信息展示手段。

本发明的技术方案如下：一种工程结构物病害信息的三维可视化方法，包括如下步骤：

1）根据图纸资料建立工程结构物三维模型，将其放置并固定在三维场景坐标系内；

2）根据病害的自身属性信息和位置信息，确定三维场景中的病害标记体，具体包括：

2a) 根据病害的自身属性信息确定病害标记体的外观属性并指定病害标记体的基点；

2b) 根据病害的位置信息确定病害标记体基点在三维场景中的三维坐标；

其中步骤2a)和步骤2b)不分先后；

3）将病害标记体添加到三维场景，对此三维空间进行展示。

进一步的，所述步骤2）中所述病害标记体的外观属性包含形状、大小、朝向和表面颜色。

进一步的，所述步骤2）中，将病害自身属性信息进行离散化，再将病害标记体的外观属性与离散后的病害属性信息关联，生成病害标记体。

进一步的，所述2）中，所述病害标记体基点在三维场景中的三维坐标采用模型拾取或者手工录入的方法取得：

模型点击拾取方法：通过三维模型在显示平面上的投影上的点击病害标记体的期望显示位置，通过三维引擎中的射线与物体相交检测功能，计算病害标记体基点在三维场景中的坐标，然后将该三维坐标与病害信息挂接并存储；

手工录入方法：当已获得病害信息在三维场景中的三维坐标时，直接通过表单输入，与病害信息挂接并存储。

进一步的，其中的步骤3）中结构物的颜色设为半透明或者结构物只显示线框，实现被结构物遮挡的病害标记体可见。

本发明的有益效果是：

1.传统的病害记录方式是不提供病害位置坐标的，本发明通过先行引入工程结构物模型，并固定在场景坐标系内，进而使用计算图形学中的射线相交检测技术，实现了病害坐标自动捕获，实现病害的三维可视化；

2.在展示方法上，用几何体的形状、颜色、大小等属性来对应表征病害的类型、尺寸、程度等属性，可以快速、直观的反映工程结构物的病害情况。构件的透明化处理，可以使工程结构物病害分布情况一目了然；

3.对抽象的病害数据进行直观、形象的三维展示，提高了信息利用效率，为病害成因分析、数据挖掘、知识发现等信息利用手段提供技术基础。

附图说明

图1：本发明工程结构物病害信息三维可视化方法步骤流程图；

图2：本发明病害标记体生成步骤流程图；

图3：带病害的结构的示意图；

图4：放置在三维场景坐标系中结构模型示意图；

图5a：为病害1所对应的病害标记体示意图；

图5b：为病害2所对应的病害标记体示意图；

图6：三维模型在视口上的投影示意图；

图7：在屏幕上点击获取病害位置三维坐标的示意图；

图8：病害信息三维可视化效果示意图；

附图标记：

图3、图7、图8中：BH1和BH2分别表示病害1和病害2；

图4中：O为场景原点；X、Y、Z分别为坐标轴；

图5a中：B1为病害1的病害标记体基点；

图5b中：B2为病害2的病害标记体基点；

图6中：O为场景原点；OX、OY、OZ分别为场景坐标轴，三者构成场景坐标系；601为视口，一般性的可以理解为场景的显示窗口；O’为视口坐标系原点；O’U和O’V分别为视口坐标轴，两者构成视口坐标系；P1和P2分别为病害1和病害2位置的屏幕点击点；

图7中： VP为视点，可以理解为场景的观察点；其余标记含义与图6中相同。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。本发明所提供的一种工程结构物病害信息的三维可视化方法，如图1所示，包括建立工程结构物的数字模型、生成病害标记体和病害信息三维展示3个步骤。各步骤具体按照如下方式实施：

步骤1：建立工程结构物的数字模型。

病害的主体是工程结构物本身，病害三维显示中最基本的功能是在模型上将病害的位置标记出来，因而结构三维模型的建立是病害三维显示的基础。三维模型包含结构的几何信息，具体来说，就是点、线、面等信息。建模可用工程三维建模软件，如Revit、MicroStation、Catia等，根据所选择的三维图形引擎，如DirectX、OpenGL等，导出对应格式的模型文件。

模型建立后，将其载入三维场景内，并将其移动、旋转至用户指定的位置，并固定下来，则模型上每个点的坐标就固定下来；以此为前提，即可以确定病害标记体显示位置的坐标。建议将坐标系原点和坐标轴调整至便于理解的位置和方向，例如以某桥墩指定标高处的中点作为原点，以竖直方向、桥梁纵向和横向来定义坐标轴，这样便于工程人员核对各坐标值的含义。

步骤2：病害标记体生成。

病害信息包含病害自身属性信息和位置信息。本发明的病害信息三维可视化方法中，病害信息根据其属性值的不同，通过图形的不同几何特征和颜色特征来表达，这个图形就是对应病害的“病害标记体”。病害标记体在三维场景中的放置位置，根据病害的位置信息确定。

病害标记体的生成包含两部分内容，一是确定病害标记体的外观特征，二是确定病害标记体在三维场景内的位置。具体实施步骤如图2所示，实施方式如下：

a.  确定病害标记体的外观。

a1 首先，病害自身属性的离散化：

病害自身属性，首先需要有病害类型属性，例如“钢筋锈蚀”、“混凝土裂缝”、“混凝土破损”等，对于病害的类型属性，可以用病害类别ID来存储；不同类型的病害，有对应的描述信息，即参数信息，根据情况可以用数值、枚举值、布尔值等类型记录，举例如下：数值型，如“裂缝长0.4m，宽0.15mm”中的“0.4”和“0.15”；枚举值型，如描述病害类型的“钢筋锈蚀”、“混凝土裂缝”等，再比如描述钢筋锈蚀程度的“轻微”、“中等”、“严重”等；布尔值型，如“该病害是否为新增病害？”，可以用“true”或者“false”存储。另外，裂缝的空间走向也可以用组成空间向量的三个数值型参数来存储。对于项目而言，完成病害信息的离散化处理，一般采用结构化存储方式，形成病害数据库。

a2 然后，根据病害的自身属性确定其病害标记体：

根据病害的类型、程度、走向等自身属性信息，选定区分各病害属性的病害标记体特征，如形状、大小、朝向和颜色、贴图等外观等特征。病害标记体也有类型和数字化属性，如颜色、大小、朝向都可以与数字量进行匹配，形状可以与枚举值匹配。

为了便于在三维场景中旋转查看，病害标记体的几何体建议采用三维几何体，如立方体、球体、椎体等。对于待区分的病害自身属性的不同，可以动态指定各病害属性所需的病害标记体属性；对于病害自身属性有方向参数的，可以用能表征方向的形状（如圆柱、棱锥等）表示。

在确定几何形状时，指定该病害标记体的基点（例如球体的球心，立方体的几何中心）。该基点将放置于病害的发生位置。

b.  确定病害标记体在三维场景中的位置

确定病害标记体在场景中的显示位置，是病害三维可视化的关键问题。本发明采用在模型上点击拾取的方式获取病害位置的三维坐标，以此实现病害标记体的场景定位。获取的三维坐标与对应病害信息进行关联，可以存储至某一文件或者数据库，在自动标记病害时进行调用。

由于工程结构物一般体量较大，位置描述一般以构件自然边界范围内的相对位置描述，如“某梁左侧1/4处”，其中的“1/4”即相对位置描述，但这对于描述病害分布以及进一步分析已经足够了。所以，本发明也通过模糊的方式来处理，比如在模型中该梁体约1/4处进行点击，即作为该病害标记体的放置位置。通过图形引擎的射线-相交程序，像射击类游戏、拾取都用到此项技术，射线为以观察点为起始点，过视口点击点的射线，通过程序识别该射线与模型哪个面相交，并返回相交点的三维坐标。

对于个别精确记录且需要精确定位的病害，可以通过根据图纸计算的方式，得到病害位置的三维坐标。

无论通过何种方式获得的病害位置三维坐标，都可以采用手工录入的方式进行输入，与对应的病害信息挂接并存储。

步骤3：病害信息三维展示。

将各病害标记体的基点逐个移动至该病害对应的三维坐标处，添加到模型场景，对此三维空间进行展示。

为了避免场景模型对背面病害的遮挡，可以对场景中工程结构物模型本身的渲染方式改为半透明或者线框模式。具体的，可以将材质外观颜色或者贴图的透明度设为小于1的数值；或者只显示各构件的轮廓线框，而不对构件的面进行着色。

实施例

已有工程结构物如图3所示，其中存在两处病害BH1和BH2，病害位置信息见图3，病害自身属性信息分别为“1处严重的钢筋锈蚀”和“水平裂缝，长0.2m，宽0.15mm”。

为了对病害进行三维展示，根据该结构物的图纸信息建立三维模型，并将其放置在三维场景坐标系中，如图4所示。

本例中BH1和BH2分别离散为：{“病害类型”：“钢筋锈蚀”，“程度”：“严重”}和{“病害类型”：“水平裂缝”，“长度”：“0.2m”，“宽度”：“0.15mm”}。为了区分这两处病害，本例中只采用其类型属性，即“钢筋锈蚀”和“水平裂缝”。本例中用病害标记体的形状类别属性与病害的类型属性关联，即采用“球体”与“钢筋锈蚀”关联，采用“正四面体”与“水平裂缝”关联。

分别指定两类标记体的基点：球体以球心为基点，正四面体以底面中心为基点, 如图5b、图5a所示。

为了获取病害1和病害2在场景中的位置，如图6所示，在视口中查看模型，将模型旋转、平移至病害位置可见的角度，在屏幕上的P1和P2两处点击病害在模型中的位置，获取病害位置的三维坐标。结合图7，以点击P1处为例说明BH1的三维坐标捕获过程：（1）首先，程序捕获P1在视口上的二维坐标(U1,V1)，同时记录下当前视点在场景坐标系下的坐标(Xv，Yv，Zv)（2）然后，程序根据坐标变换将视口坐标系下的(U1，V1)坐标转换为场景坐标系下的(X1，Y1，Z1)；（3）调用三维引擎中射线相交检验程序，计算由点(Xv，Yv，Zv)指向点(X1，Y1，Z1)的射线与模型可见面的交点坐标(X_BH1，Y_BH1，Z_BH1)，(X_BH1，Y_BH1，Z_BH1)即为病害1对应的场景三维坐标。同理，可以获得病害2的场景三维坐标(X_BH2，Y_BH2，Z_BH2)。

将病害1和病害2的病害标记体基点分别移动至(X_BH1，Y_BH1，Z_BH1)和(X_BH2，Y_BH2，Z_BH2)处，即实现病害信息的三维展示，如图8所示。

本发明所述的方法并不限于具体实施例中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种工程结构物病害信息的三维可视化方法，特征在于，包括如下步骤：

1）根据图纸资料建立结构三维模型，将其放置并固定在三维场景坐标系内；

2）根据病害的自身属性信息和位置信息，确定三维场景中的病害标记体，具体包括：

根据病害的自身属性信息确定病害标记体的外观属性并指定病害标记体的基点；

根据病害的位置信息确定病害标记体基点在三维场景中的三维坐标；

3）将病害标记体添加到三维场景，对此三维空间进行展示。

2.如权利要求1所述的工程结构物病害信息三维可视化方法，其特征在于，步骤2）中所述病害标记体的外观属性包含形状、大小、朝向和表面颜色。

3.如权利要求1所述的工程结构物病害信息三维可视化方法，其特征在于，步骤2）中，确定病害标记体的外观属性首先要将病害自身属性信息进行离散化，再将病害标记体的外观属性与离散后的病害属性信息关联，生成病害标记体。

4.如权利要求1所述的工程结构物病害信息三维可视化方法，其特征在于，步骤2）中，所述病害标记体基点在三维场景中的三维坐标采用模型点击拾取法或者手工录入的法取得。

5.如权利要求4所述的工程结构物病害信息三维可视化方法，其特征在于，所述模型点击拾取法为：通过三维模型在显示平面上的投影上的点击病害标记体的期望显示位置，通过三维引擎中的射线与物体相交检测功能，计算病害标记体基点在三维场景中的坐标，然后将该三维坐标与病害信息挂接并存储。

6.如权利要求4所述的工程结构物病害信息三维可视化方法，其特征在于，所述手工录入法为：当已获得病害信息在三维场景中的三维坐标时，直接通过表单输入，与病害信息挂接并存储。

7.如权利要求1所述的工程结构物病害信息三维可视化方法，其特征在于，步骤3）中三维场景中的结构物的颜色设为半透明或者结构物只显示线框，实现被结构物遮挡的病害标记体可见。