CN107633557A - 一种基于虚拟现实技术的灌区设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟现实技术的灌区设计方法及系统，包括灌区三维建模步骤和虚拟现实设计步骤，灌区三维建模步骤包括：步骤S11，获取灌区参数；步骤S12，根据灌区参数，建立灌区模块；步骤S13，根据灌区模块对灌区进行三维建模；虚拟现实设计步骤包括：步骤S21，获取灌区三维建模步骤得到的三维模型；步骤S22，通过虚拟设备对三维模型进行操作，以将三维模型虚拟成实际场景；步骤S23，利用虚拟设备，将灌区设计子模块布置在灌区模块中以对灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。根据本发明实施例的基于虚拟现实技术的灌区设计方法及系统，将灌区规划与虚拟现实技术相结合，虚拟灌区场景逼真，便于工作人员交流，提高工作效率。

Description

一种基于虚拟现实技术的灌区设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于三维建模并利用虚拟现实技术的灌区设计方法及系统。

背景技术

2016年工信部发布《虚拟现实产业发展白皮书5.0》中讲述了当前中国虚拟现实产业的发展状况，并提出了相关政策，从国家层面上充分肯定了虚拟现实行业。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)内容，虚拟现实技术属于前沿技术中信息技术部分三大技术之一。结合我国中国制造2025和“互联网+”行动计划的实施，在未来3～5年内，逐步推广虚拟现实应用领域，进一步推动虚拟现实技术在娱乐、军事、医学、交通、工程规划和文化教育行业及领域中的应用。

(1)娱乐

丰富的感觉能力与3D显示环境使得虚拟现实技术成为理想的视频游戏工具。如英国开发的称为“Virtuality”的虚拟现实技术游戏系统，配有HMD，大大增强了真实感；1992年的一台称为“Legeal Qust”的系统由于增加了人工智能功能，使计算机具备了自学习功能，大大增强了趣味性及难度。

(2)军事领域

军事仿真训练与演练是虚拟现实技术最重要的应用领域之一，也是虚拟现实技术应用最早、最多的一个领域，美国在海湾战争期间，用虚拟现实技术技分布式交互仿真技术进行攻击前的模拟预演，以验证其作战计划并提高其攻击效能。目前我国解放军利用虚拟现实技术来训练伞兵。跳伞员可以通过虚拟现实眼镜中的第一视角配合软件模拟跳伞，在此过程中，跳伞员可以根据自己在空中的真实情况，来不断感受并调整空中姿态，与此同时，导调员则可以从第三视角去监控跳伞员的各种操作情况，及时对其进行指导，帮助其更好地掌握技术。

(3)医学

在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper及Satara等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟；在医学院校，学生可在虚拟实验室中，进行“尸体”解剖和各种手术练习；眼睛手术模拟器，根据人眼的前眼结构创造出三维立体图像，并带有实时的触觉反馈，学生利用它可以观察模拟移去晶状体的全过程，并观察到眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织及角膜的透明度等；外科医生在真正动手术之前，通过虚拟现实技术的帮助，能在显示器上重复地模拟手术，移动人体内的器官，寻找最佳手术方案并提高熟练度。用这项技术，由于不受标本、场地等的限制，所以培训费用大大降低。

然而，目前虚拟现实技术尚未在灌区规划设计领域得到应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可结合虚拟现实技术方便设计人员学习的、基于虚拟现实技术的灌区设计方法及系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一方面，根据本发明实施例的基于虚拟现实技术的灌区设计方法，包括灌区三维建模步骤和虚拟现实设计步骤，

所述的灌区三维建模步骤包括：

步骤S11，获取灌区的参数；

步骤S12，根据所述灌区参数，建立灌区模块；

步骤S13，根据所述灌区模块对所述灌区进行三维建模；

所述的虚拟现实设计步骤包括：

步骤S21，获取灌区三维建模步骤得到的三维模型；

步骤S22，通过虚拟设备对所述三维模型进行操作，以将所述三维模型虚拟成实际场景；

步骤S23，利用所述虚拟设备，将灌区设计子模块布置在所述灌区模块中以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

根据本发明上述实施例的基于虚拟现实技术的灌区设计方法，借助于虚拟现实技术以视觉形式反映设计者的思想，灌区设计之前，首先要对灌区范围、种植结构、灌溉水源、灌区整体布局做细致的构思，并获得灌区参数，虚拟现实技术可以把灌区参数变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的境界。

在所述步骤S11中，可以通过拍照或者制图软件获取所述灌区参数。

在所述步骤S12中，所述灌区模块包括基础模块以及制图模块，

所述基础模块为多个，分别反映不同地形、地貌、高程点和河流水系，

所述制图模块包括灌区渠道制图模块、灌区沟道制图模块、以及灌区建筑物制图模块。

在所述步骤S23中，所述灌区设计子模块包括以下模块中的至少一个：灌区水源模块、渠道模块、涵闸模块、泵站模块和跌水模块。

所述步骤S23可以包括：

利用所述虚拟设备，通过人工交互，确定所述灌区设计子模块的参数，将所述灌区设计子模块布置在所述灌区模块中，以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

另一方面，根据本发明还提出一种基于虚拟现实技术的灌区设计系统，包括灌区参数获取装置、数据中心、以及虚拟现实操作设备：

所述灌区参数获取装置用于获取灌区的参数；

所述数据中心通过网络与所述灌区参数获取装置连接，用于接收并保存来自所述灌区参数获取装置上传的灌区参数并根据所述灌区参数，建立灌区模块，并且根据所述灌区模块对所述灌区进行三维建模，得到三维模型，对三维模型进行保存，所述数据中心还通过网络与所述虚拟现实操作设备连接以接收并解析所述虚拟现实操作设备发送的灌区模型获取请求，向所述虚拟现实操作设备发送完成的三维模型；

所述虚拟现实操作设备通过网络与所述数据中心连接，用于向所述数据中心发送灌区模型获取请求，接收所述数据中心发送的已经完成的三维模型，通过所述虚拟现实设备对所述三维模型进行操作，以将所述三维模型虚拟成实际场景，并且利用所述虚拟现实操作设备，将灌区设计子模块布置在所述灌区模块中以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

所述灌区参数获取装置为图像采集装置或制图装置。

所述的系统还包括CAD制图装置，用于绘制灌区渠道、灌区沟道、以及灌区建筑。

所述的数据中心与多个操作人员终端和虚拟现实操作设备通过网络连接。

所述的系统还包括一个云中心，所述云中心与所述数据中心连接，用于获取所述数据中心的数据并保存，在有权限的操作人员通过虚拟现实操作设备发出查看请求时向所述虚拟现实操作设备发送所述数据中心所保存的三维模型。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

本发明提供了一种基于虚拟现实技术的灌区设计方法及系统，该方法获取灌区的参数并建立灌区模块；根据灌区模块对灌区进行三维建模；通过虚拟设备对三维模型进行操作，以将灌区图像虚拟成实际场景；利用虚拟设备，将灌区设计子模块布置在灌区模块中以对灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果，将水利灌溉工程规划设计与前沿学科技术交叉融合，传统的“二维平面设计”代之为具有高度沉浸感的三维虚拟环境模式，虚拟的灌区场景逼真、可视化程度高、操作简单、功能强大，可以大大缩短灌区项目设计周期，提高工作效率，可适用于助理工程师及工程师级别的规划、水工、水电等专业人员进行灌区设计规划、项目建议书、可研、初步设计、实施方案阶段的学习。此外，虚拟现实颠覆了原有枯燥死板的设计模式，使设计过程更娱乐化、趣味化。

附图说明

图1为本发明实施例的方法的流程图；

图2为本发明实施例的罐区的CAD图；

图3为本发明实施例的灌区模型示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，一种基于虚拟现实技术的灌区设计方法，包括灌区三维建模步骤和虚拟现实设计步骤，所述的灌区三维建模步骤包括：

步骤S11，获取灌区参数；

步骤S12，根据所述灌区参数，建立灌区模块；

步骤S13，根据所述灌区模块对所述灌区进行三维建模；

所述的虚拟现实设计步骤包括：

步骤S21，获取灌区三维建模步骤得到的三维模型；

步骤S22，通过虚拟设备对所述三维模型进行操作，以将所述三维模型虚拟成实际场景；

步骤S23，利用所述虚拟设备，将灌区设计子模块布置在所述灌区模块中以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

换言之，灌区参数主要包括灌区的尺寸参数等。设计者将尺寸参数通过三维建模得到三维模型，三维灌区模型通过虚拟现实技术虚虚拟成实际灌区场景，用户可以通过可穿戴设备身临其境，从而达到了解、掌握整个灌区工程设计和规划的目的，可适用于助理工程师及工程师级别的规划、水工、水电等专业人员进行灌区设计规划、项目建议书、可研、初步设计、实施方案阶段的学习。

根据发明的一个实施例，在所述步骤S11中，可以通过拍照或者制图软件获取所述灌区参数。

具体地，将拍照或者制图软件获取的图像尺寸等参数进行等比例计算，转化得到实际所需的灌区参数，也可以综合实地考察和统计研究构思出新的灌区参数。

优选地，在所述步骤S12中，所述灌区模块包括基础模块以及制图模块，

所述基础模块为多个，分别反映不同地形、地貌、高程点和河流水系。

所述制图模块包括灌区渠道制图模块、灌区沟道制图模块、以及灌区建筑物制图模块。

具体地，灌区主要由基础模块和制图模块组成，其中的基础模块包含多个，可以分别呈现出不同的地理环境，基础模块可以根据实际需要合理的选择，制图模块主要包括灌区渠道、沟壑、建筑等较为细节的模块，图2是CAD制图得到的灌区规划图，根据图2得到图3所示的灌区的模型，灌区东至口岸路，西至大通河镇东部，南至大通河，北至城镇以南4km处，水源采用江水(泵站抽水)，渠首向西布置总干渠，在总干渠末端向西布置北干渠，北干渠在桩号1+140处转向北，在总干渠末端向南布置南干渠，总干渠上布置一条南1支渠。北干渠上布置6条支渠(北0支渠-北5支渠)，相应的排水为北1支沟-3支沟与南1支沟；南干渠布置为双侧灌溉，其对应的排水为南1支沟和南2支沟；南1支渠为单侧灌溉，由总干渠引水向南输水，灌溉其东侧与南3支沟之间的耕地，排水由南3支沟最终排入南部的大通河由此，可以使灌区的布局更加丰满和逼真，便于对灌区的研究和设计。

根据发明的一个实施例，在所述步骤S23中，所述灌区设计子模块包括以下模块中的至少一个：灌区水源模块、渠道模块、涵闸模块、泵站模块和跌水模块，优选地，所述步骤S23包括：利用所述虚拟设备，通过人工交互，确定所述灌区设计子模块的参数，将所述灌区设计子模块布置在所述灌区模块中，以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

也就是说，在所述步骤S23中，灌区设计子模块主要包括，灌区水源模块、渠道模块、涵闸模块、泵站模块、跌水模块等，具体规划过程中，可以根据需要增加新模块或删减相应的模块，灌区模块设计好之后，通过具体地计算和研究，将灌区子模块包括灌区水源模块、渠道模块、涵闸模块、泵站模块、跌水模块分别合理布置在灌区模块中，使虚拟的灌区场景更接近真实的环境，方便灌区的规划和设计。

本发明还提出一种基于虚拟现实技术的灌区设计系统，包括灌区参数获取装置、数据中心、以及虚拟现实操作设备：

所述灌区参数获取装置用于获取灌区的参数；

所述数据中心通过网络与所述灌区参数获取装置连接，用于接收并保存来自所述灌区参数获取装置上传的灌区参数并根据所述灌区参数，建立灌区模块，并且根据所述灌区模块对所述灌区进行三维建模，得到三维模型，对三维模型进行保存，所述数据中心还通过网络与所述虚拟现实操作设备连接以接收并解析所述虚拟现实操作设备发送的灌区模型获取请求，向所述虚拟现实操作设备发送完成的三维模型；

所述虚拟现实操作设备通过网络与所述数据中心连接，用于向所述数据中心发送灌区模型获取请求，接收所述数据中心发送的已经完成的三维模型，通过所述虚拟现实设备对所述三维模型进行操作，以将所述三维模型虚拟成实际场景，并且利用所述虚拟现实操作设备，将灌区设计子模块布置在所述灌区模块中以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

进一步地，所述灌区参数获取装置为图像采集装置或制图装置。

进一步地，所述的系统还包括CAD制图装置，用于绘制灌区渠道、灌区沟道、以及灌区建筑，制图系统还可以根据具体需要选用其他制图软件。

进一步地，所述的数据中心与多个操作人员终端和虚拟现实操作设备通过网络连接，从而可以实现多个操作人员共同执行任务，实时了解灌区规划的进展情况。

进一步地，所述的系统还包括一个云中心，所述云中心与所述数据中心连接，用于获取所述数据中心的数据并保存，在有权限的操作人员通过虚拟现实操作设备发出查看请求时向所述虚拟现实操作设备发送所述数据中心所保存的三维模型。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实技术的灌区设计方法，其特征在于，包括灌区三维建模步骤和虚拟现实设计步骤，

所述的灌区三维建模步骤包括：

步骤S11，获取灌区参数；

步骤S12，根据所述灌区参数，建立灌区模块；

步骤S13，根据所述灌区模块对所述灌区进行三维建模；

所述的虚拟现实设计步骤包括：

步骤S21，获取灌区三维建模步骤得到的三维模型；

步骤S22，通过虚拟设备对所述三维模型进行操作，以将所述三维模型虚拟成实际场景；

步骤S23，利用所述虚拟设备，将灌区设计子模块布置在所述灌区模块中以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

2.根据权利要求1所述的灌区设计方法，其特征在于，在所述步骤S11中，可以通过拍照或者制图软件获取所述灌区参数。

3.根据权利要求1所述的灌区设计方法，其特征在于，在所述步骤S12中，所述灌区模块包括基础模块以及制图模块，

所述基础模块为多个，分别反映不同地形、地貌、高程点和河流水系，

所述制图模块包括灌区渠道制图模块、灌区沟道制图模块、以及灌区建筑物制图模块。

4.根据权利要求1所述的灌区设计方法，其特征在于，在所述步骤S23中，所述灌区设计子模块包括以下模块中的至少一个：灌区水源模块、渠道模块、涵闸模块、泵站模块和跌水模块。

5.根据权利要求4所述的灌区设计方法，其特征在于，所述步骤S23包括：

利用所述虚拟设备，通过人工交互，确定所述灌区设计子模块的参数，将所述灌区设计子模块布置在所述灌区模块中，以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

6.一种基于虚拟现实技术的灌区设计系统，其特征在于，包括灌区参数获取装置、数据中心、以及虚拟现实操作设备：

所述灌区参数获取装置用于获取灌区的参数；

所述数据中心通过网络与所述灌区参数获取装置连接，用于接收并保存来自所述灌区参数获取装置上传的灌区参数并根据所述灌区参数，建立灌区模块，并且根据所述灌区模块对所述灌区进行三维建模，得到三维模型，对三维模型进行保存，所述数据中心还通过网络与所述虚拟现实操作设备连接以接收并解析所述虚拟现实操作设备发送的灌区模型获取请求，向所述虚拟现实操作设备发送完成的三维模型；

所述虚拟现实操作设备通过网络与所述数据中心连接，用于向所述数据中心发送灌区模型获取请求，接收所述数据中心发送的已经完成的三维模型，通过所述虚拟现实设备对所述三维模型进行操作，以将所述三维模型虚拟成实际场景，并且利用所述虚拟现实操作设备，将灌区设计子模块布置在所述灌区模块中以对所述灌区的总布置进行规划，并显示出仿真的灌区设计成果。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述灌区参数获取装置为图像采集装置或制图装置。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括CAD制图装置，用于绘制灌区渠道、灌区沟道、以及灌区建筑。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的数据中心与多个操作人员终端和虚拟现实操作设备通过网络连接。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括一个云中心，所述云中心与所述数据中心连接，用于获取所述数据中心的数据并保存，在有权限的操作人员通过虚拟现实操作设备发出查看请求时向所述虚拟现实操作设备发送所述数据中心所保存的三维模型。