CN109714567B - 一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法及装置，方法包括：基于GIS数据和油田设施图纸等数据建立监控区域地理模型，水下管缆三维模型、油田设施三维模型，根据红外夜视仪监控区域实时计算三维虚拟场景范围，再由雷达、声呐对该范围进行探测，实时将地理模型、水下管缆三维模型、油田设施三维模型进行集成，并将根据雷达、声呐探测数据驱动的目标模型叠加显示在三维虚拟场景中，实现红外夜视仪视场范围内三维虚拟场景的实时构建、调度和显示。本发明可使红外二维视频画面同三维虚拟监控场景进行有效关联，实现多种探测设备信息的无缝融合集中展示，形成统一监控区域态势图，可从多角度、多维度对目标信息的分析和图像取证。

Description

一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法及装置

技术领域

本发明涉及海上油田安防的技术领域，特别是指一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法及装置。

背景技术

现有海上油田安防系统探测装置主要有红外夜视仪、AIS(船舶自动识别系统)、雷达、声呐等。红外夜视仪可以直接使监控人员看到拍摄区域的二维图像，但监控效果很大程度依赖执勤人员的责任心，且当有船只出现时，只能靠人工判断大致的船只距离和方位。AIS系统、雷达和声呐设备都具备独立显示船只轨迹及距离的功能，但它们提供的信息在时间和周期上都存在差异，都可能会出现虚警及漏检问题，且当它们同时发现一条船只时，会在各自的屏幕上显示该船只的轨迹，操作人员需要在多台显示屏上仔细对比，才能确认其轨迹是否是同一条船只。因此上述设备各自工作时，无法展现监控区域的整体场景，未能将二维视频和实际三维环境进行有效关联，缺乏对多种探测设备信息的无缝融合集中展示，没有形成统一的监控区域态势，监控效率和报警准确度低、不利于出现报警情况时的现场指挥和实时调度。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法及装置，为了解决现有技术中缺乏对多种探测设备信息的无缝融合集中展示，没有形成统一的监控区域态势，监控效率和报警准确度低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法，具体包括如下步骤：

步骤1、建立油田设施三维模型；

步骤2、根据油田区域地理信息GIS数据，制作监控区域地理模型；

步骤3、建立水下管缆的三维模型；

步骤4、由红外夜视仪对监控区域进行视频拍摄与记录；

步骤5、根据红外夜视仪当前工作参数与实际工作状态，确定三维虚拟场景显示区域与参数；

步骤6、根据步骤5中红外夜视仪的指向，俯仰角、视场范围，控制雷达、声呐扫描红外夜视仪监控区域，获得目标探测数据；

步骤7、对雷达、声呐探测数据进行数据处理和坐标变换；

步骤8、根据步骤5给出的三维虚拟场景显示区域计算结果，调动该范围内的地理模型、油田设施三维模型、水下管缆三维模型，通过将油田设施三维模型和水下管缆三维模型经地理坐标转换配准并与地理模型集成后，构建监控区域静态三维虚拟场景；

步骤9、依据雷达、声呐探测数据在三维虚拟场景中加载三维目标模型，并实时驱动三维目标模型在三维虚拟场景中运动，同时显示目标属性；所述目标属性包括速度、航向、距离、水面或水下；所述三维目标模型包括油田设施三维模型和水下管缆三维模型；

步骤10、将三维虚拟场景和红外夜视仪监控图像进行对比，互为印证，完成对目标的识别和跟踪，获得融合的目标信息；

步骤11、随着红外夜视仪指向、俯仰角、视场参数变化，不断重复步骤4至步骤11，完成红外夜视仪视场范围对应的三维虚拟监控场景的实时构建、调度和显示。

其中，步骤1中，所述建立油田设施三维模型的方法为：根据油田设施的图纸、照片、外形尺寸，使用建模工具制作三维几何外形，并根据场景显示范围进行LOD划分，生成不同层级的LOD模型，经过贴图、颜色渲染，形成可调用的油田设施三维模型。

优选地，步骤2中，所述监控区域地理模型的制作方法为：根据油田数字高程模型DEM、地质勘探结果、影像数据，提取出包括经度、纬度、高程信息及海岸线、地标的矢量数据，经过内插、栅格划分、三角网生成、投影及坐标转换、LOD结构划分、纹理映射、纹理贴图处理，生成地理模型。

其中，步骤5中，所述确定三维虚拟场景显示区域与参数的方法为：根据红外夜视仪倍率、焦距、水平视角、高低视角、云台水平旋转角度范围、云台高低旋转角度范围、红外清晰视距、模糊视距参数，建立图像二维位置到空间三维位置的转换模型，并计算三维虚拟场景中的远裁剪面、近裁剪面和透视投影的视锥角度参数。

优选地，步骤6中，所述目标探测数据的获取方法：通过雷达、声呐扫描红外夜视仪，获取各传感器探测数据，对多传感器探测数据进行配准与融合，从而对目标进行检测、识别和跟踪。

进一步地，步骤9中，根据实时探测到的水面和水下目标信息，驱动三维目标模型在三维虚拟场景中运动，将目标属性信息和威胁判断信息实时融合显示在监控区域三维虚拟场景中。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建装置，包括红外夜视仪，红外图像处理工作站、以太网交换机、三维虚拟场景要素库和综合处理工作站；

所述以太网交换机，通过网线与红外夜视仪、雷达、声呐、三维虚拟场景要素库、红外图像处理工作站、综合处理工作站相连接，用于各设备间数据传递和交互；

所述红外夜视仪安装于云台上，通过方位和俯仰上的旋转，完成对监控区域的覆盖观察，并将图像传送给红外图像处理工作站进行处理和存储；

所述红外图像处理工作站用于对红外夜视仪进行参数设定与控制，接收红外夜视仪图像，完成图像处理、输出、存储，并将红外夜视仪工作参数实时发送给综合处理工作站；

所述三维虚拟场景要素库主要用于存储预先建立好的油田设施三维模型、监控区域地理模型和水下管缆三维模型。

所述综合处理工作站，包含有三维虚拟场景范围计算模块、雷达数据处理模块、声呐数据处理模块、数据坐标转换模块，视点计算模块、三维虚拟场景调度管理模块、三维目标模型驱动模块；所述综合处理工作站用于根据红外夜视仪工作参数，控制雷达、声呐对相应区域进行探测，雷达数据处理模块、声呐数据处理模块分别对接收到的探测数据进行处理，主要包括目标检测、滤波、航迹起始、航迹关联，形成目标轨迹信息，通过数据坐标转换模块，将雷达、声呐目标轨迹转换为三维虚拟场景中的坐标。

优选地，所述三维虚拟场景范围计算模块用于根据红外图像处理工作站提供的红外夜视仪实时工作参数，进行三维虚拟场景范围计算，根据计算结果，确定处于构建范围内的平台，管理和地形，然后由三维虚拟场景调度管理模块从三维虚拟场景要素库中调出相应模型，完成静态场景构建，渲染和调度显示；

所述三维目标驱动模块用于根据数据坐标转换模块的输出，调用三维目标模型，将目标三维目标模型显示在三维虚拟场景中并根据数据进行实时驱动，同时将目标属性显示在三维目标模型旁边；所述视点计算模块用于根据初始时红外夜视仪在被监控区域中的实际位置，计算三维虚拟场景中视点对应位置，随着视点根据场景表现需要自动或由用户控制而发生改变时，实时计算视点在三维虚拟场景中的位置，并刷新三维虚拟场景显示信息。

本发明的有益效果为：本发明实施例提供了一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法及装置，根据红外夜视仪工作参数，结合拍摄图像，实时构建监控区域三维虚拟场景，将二维视频中的位置和三维虚拟场景中的空间点建立对应关系，同时依据AIS、雷达、声呐探测目标数据融合后的结果，调用船只模型并驱动，在三维虚拟环境实时显示多目标位置与轨迹，可实现二维视频信息与其它探测装置目标数据的对比印证，并在三维虚拟场景中完成融合显示。本发明能够使红外二维视频画面同三维虚拟监控场景进行有效关联，实现多种探测设备信息的无缝融合集中展示，形成统一监控区域态势图，可从多角度、多维度对目标信息的分析和图像取证。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法的原理框图；

图2是本发明实施例提供的基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建装置结构图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参照附图1，本发明实施例提供了一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法，具体包括如下步骤：

步骤1、建立油田设施三维模型；建立油田设施三维模型的方法为：根据油田设施(平台、FPSO等)的图纸、照片、外形尺寸，使用建模工具制作三维几何外形，并根据场景显示范围进行LOD划分，生成不同层级的LOD模型，经过贴图、颜色渲染，形成可调用的油田设施三维模型。

步骤2、根据油田区域地理信息GIS数据，制作监控区域地理模型；监控区域地理模型的制作方法为：根据油田数字高程模型DEM、地质勘探结果、影像数据，提取出包括经度、纬度、高程信息及海岸线、地标的矢量数据，经过内插、栅格划分、三角网生成、投影及坐标转换、LOD结构划分、纹理映射、纹理贴图处理，生成地理模型。

步骤3、建立水下管缆的三维模型；

步骤4、由红外夜视仪对监控区域进行视频拍摄与记录；

步骤5、根据红外夜视仪当前工作参数与实际工作状态，确定三维虚拟场景显示区域与参数；确定三维虚拟场景显示区域与参数的方法为：根据红外夜视仪倍率、焦距、水平视角、高低视角、云台水平旋转角度范围、云台高低旋转角度范围、红外清晰视距、模糊视距参数，建立图像二维位置到空间三维位置的转换模型，并计算三维虚拟场景中的远裁剪面、近裁剪面和透视投影的视锥角度参数。

步骤6、根据步骤5中红外夜视仪的指向，俯仰角、视场范围，控制雷达、声呐扫描红外夜视仪监控区域，获得目标探测数据；目标探测数据的获取方法：通过雷达、声呐扫描红外夜视仪，获取各传感器探测数据，对多传感器探测数据进行配准与融合，从而对目标进行检测、识别和跟踪。

步骤7、对雷达、声呐探测数据进行数据处理和坐标变换；

步骤8、根据步骤5给出的三维虚拟场景显示区域计算结果，调动该范围内的地理模型、油田设施三维模型、水下管缆三维模型，通过将油田设施三维模型和水下管缆三维模型经地理坐标转换配准并与地理模型集成后，构建监控区域静态三维虚拟场景；

步骤9、依据雷达、声呐探测数据在三维虚拟场景中加载三维目标模型，并实时驱动三维目标模型在三维虚拟场景中运动，同时显示目标属性；目标属性包括速度、航向、距离、水面或水下等；三维目标模型包括油田设施三维模型和水下管缆三维模型；

步骤10、将三维虚拟场景和红外夜视仪监控图像进行对比，互为印证，完成对目标的识别和跟踪，获得融合的目标信息；

步骤11、随着红外夜视仪指向、俯仰角、视场参数变化，不断重复步骤4至步骤11，完成红外夜视仪视场范围对应的三维虚拟监控场景的实时构建、调度和显示。

作为优选地，步骤9中，根据实时探测到的水面和水下目标信息，驱动三维目标模型在三维虚拟场景中运动，将目标属性信息和威胁判断信息实时融合显示在监控区域三维虚拟场景中。

参照附图2，为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建装置，包括红外夜视仪，红外图像处理工作站、以太网交换机、三维虚拟场景要素库和综合处理工作站；

以太网交换机，通过网线与红外夜视仪、雷达、声呐、三维虚拟场景要素库、红外图像处理工作站、综合处理工作站相连接，用于各设备间数据传递和交互；

红外夜视仪安装于云台上，通过方位和俯仰上的旋转，完成对监控区域的覆盖观察，并将图像传送给红外图像处理工作站进行处理和存储；

红外图像处理工作站用于对红外夜视仪进行参数设定与控制，接收红外夜视仪图像，完成图像处理、输出、存储，并将红外夜视仪工作参数实时发送给综合处理工作站；

三维虚拟场景要素库主要用于存储预先建立好的油田设施三维模型、监控区域地理模型和水下管缆三维模型。

综合处理工作站，包含有三维虚拟场景范围计算模块、雷达数据处理模块、声呐数据处理模块、数据坐标转换模块，视点计算模块、三维虚拟场景调度管理模块、三维目标模型驱动模块；综合处理工作站用于根据红外夜视仪工作参数，控制雷达、声呐对相应区域进行探测，雷达数据处理模块、声呐数据处理模块分别对接收到的探测数据进行处理，主要包括目标检测、滤波、航迹起始、航迹关联，形成目标轨迹信息，通过数据坐标转换模块，将雷达、声呐目标轨迹转换为三维虚拟场景中的坐标。

优选地，三维虚拟场景范围计算模块用于根据红外图像处理工作站提供的红外夜视仪实时工作参数，进行三维虚拟场景范围计算，根据计算结果，确定处于构建范围内的平台，管理和地形，然后由三维虚拟场景调度管理模块从三维虚拟场景要素库中调出相应模型，完成静态场景构建，渲染和调度显示；

三维目标驱动模块用于根据数据坐标转换模块的输出，调用三维目标模型，将目标三维目标模型显示在三维虚拟场景中并根据数据进行实时驱动，同时将目标属性显示在三维目标模型旁边；视点计算模块用于根据初始时红外夜视仪在被监控区域中的实际位置，计算三维虚拟场景中视点对应位置，随着视点根据场景表现需要自动或由用户控制而发生改变时，实时计算视点在三维虚拟场景中的位置，并刷新三维虚拟场景显示信息。

本发明能够使红外二维视频画面同三维虚拟监控场景进行有效关联，实现多种探测设备信息的无缝融合集中展示，形成统一监控区域态势图，可从多角度、多维度对目标信息的分析和图像取证。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1、建立油田设施三维模型；所述建立油田设施三维模型的方法为：根据油田设施的图纸、照片、外形尺寸，使用建模工具制作三维几何外形，并根据场景显示范围进行LOD划分，生成不同层级的LOD模型，经过贴图、颜色渲染，形成可调用的油田设施三维模型，油田设施包括平台；

步骤2、根据油田区域地理信息GIS数据，制作监控区域地理模型；所述监控区域地理模型的制作方法为：根据油田数字高程模型DEM、地质勘探结果、影像数据，提取出包括经度、纬度、高程信息及海岸线、地标的矢量数据，经过内插、栅格划分、三角网生成、投影及坐标转换、LOD结构划分、纹理映射、纹理贴图处理，生成地理模型；

步骤3、建立水下管缆的三维模型；

步骤4、由红外夜视仪对监控区域进行视频拍摄与记录；

步骤5、根据红外夜视仪当前工作参数与实际工作状态，确定三维虚拟场景显示区域与参数，所述确定三维虚拟场景显示区域与参数的方法为：根据红外夜视仪倍率、焦距、水平视角、高低视角、云台水平旋转角度范围、云台高低旋转角度范围、红外清晰视距、模糊视距参数，建立图像二维位置到空间三维位置的转换模型，并计算三维虚拟场景中的远裁剪面、近裁剪面和透视投影的视锥角度参数；

步骤6、根据步骤5中红外夜视仪的指向，俯仰角、视场范围，控制雷达、声呐扫描红外夜视仪监控区域，获得目标探测数据，所述目标探测数据的获取方法：通过雷达、声呐扫描红外夜视仪，获取各传感器探测数据，对多传感器探测数据进行配准与融合，从而对目标进行检测、识别和跟踪；

步骤7、对雷达、声呐探测数据进行数据处理和坐标变换；

步骤8、根据步骤5给出的三维虚拟场景显示区域计算结果，调动该范围内的地理模型、油田设施三维模型、水下管缆三维模型，通过将油田设施三维模型和水下管缆三维模型经地理坐标转换配准并与地理模型集成后，构建监控区域静态三维虚拟场景；

步骤9、依据雷达、声呐探测数据在三维虚拟场景中加载三维目标模型，并实时驱动三维目标模型在三维虚拟场景中运动，同时显示目标属性；所述目标属性包括速度、航向、距离、水面或水下；所述三维目标模型包括油田设施三维模型和水下管缆三维模型，根据实时探测到的水面和水下目标信息，驱动三维目标模型在三维虚拟场景中运动，将目标属性信息和威胁判断信息实时融合显示在监控区域三维虚拟场景中；

步骤10、将三维虚拟场景和红外夜视仪监控图像进行对比，互为印证，完成对目标的识别和跟踪，获得融合的目标信息；

步骤11、随着红外夜视仪指向、俯仰角、视场参数变化，不断重复步骤4至步骤11，完成红外夜视仪视场范围对应的三维虚拟监控场景的实时构建、调度和显示。

2.一种基于红外夜视仪的三维虚拟场景实时构建装置，其特征在于，包括红外夜视仪，红外图像处理工作站、以太网交换机、三维虚拟场景要素库和综合处理工作站；

所述以太网交换机，通过网线与红外夜视仪、雷达、声呐、三维虚拟场景要素库、红外图像处理工作站、综合处理工作站相连接，用于各设备间数据传递和交互；

所述红外夜视仪安装于云台上，通过方位和俯仰上的旋转，完成对监控区域的覆盖观察，并将图像传送给红外图像处理工作站进行处理和存储；

所述红外图像处理工作站用于对红外夜视仪进行参数设定与控制，接收红外夜视仪图像，完成图像处理、输出、存储，并将红外夜视仪工作参数实时发送给综合处理工作站；

所述三维虚拟场景要素库主要用于存储预先建立好的油田设施三维模型、监控区域地理模型和水下管缆三维模型；

所述综合处理工作站，包含有三维虚拟场景范围计算模块、雷达数据处理模块、声呐数据处理模块、数据坐标转换模块，视点计算模块、三维虚拟场景调度管理模块、三维目标模型驱动模块；所述综合处理工作站用于根据红外夜视仪工作参数，控制雷达、声呐对相应区域进行探测，雷达数据处理模块、声呐数据处理模块分别对接收到的探测数据进行处理，主要包括目标检测、滤波、航迹起始、航迹关联，形成目标轨迹信息，通过数据坐标转换模块，将雷达、声呐目标轨迹转换为三维虚拟场景中的坐标；

所述三维虚拟场景范围计算模块用于根据红外图像处理工作站提供的红外夜视仪实时工作参数，进行三维虚拟场景范围计算，根据计算结果，确定处于构建范围内的平台、水下管缆和地形，然后由三维虚拟场景调度管理模块从三维虚拟场景要素库中调出相应模型，完成静态场景构建，渲染和调度显示；

所述三维目标驱动模块用于根据数据坐标转换模块的输出，调用三维目标模型，将目标三维目标模型显示在三维虚拟场景中并根据数据进行实时驱动，同时将目标属性显示在三维目标模型旁边；所述视点计算模块用于根据初始时红外夜视仪在被监控区域中的实际位置，计算三维虚拟场景中视点对应位置，随着视点根据场景表现需要自动或由用户控制而发生改变时，实时计算视点在三维虚拟场景中的位置，并刷新三维虚拟场景显示信息。

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