CN110796732A - 基于WebGL与C#的矿山三维展示方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及互联网、地形地貌展示技术，为解决能够真实、立体地展示矿山的详细信息，本发明，基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，步骤如下：首先基于WebGL技术，加载配置文件；使用已成功建模的数据结合Three.js技术加载三维地表模型和三维矿体模型；创建物体并渲染，将所述构建物信息保存数据库中，并基于WebGL技术实现构建物模型的建模；第三步当在系统中选择添加构建物时，则根据上一步骤建模完成的数据结合Three.js技术加载所述三维矿体模型和构建物模型，并对构建物进行大小、位置变换操作，待构建物放置后，将数据保存于数据库中。本发明主要应用于地形地貌电子展示场合。
Description
技术领域
本发明涉及互联网技术领域，具体涉及基于WebGL(Web Graphics Library，一种3D绘图协议)与C#的矿山三维展示设计方法。
背景技术
世界原本是三维的，传统的三维地址信息GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型，注定了它在描述空间现象上的局限性。同时，随着GIS的深入，人们对用三维空间处理问题有着越来越高的要求。对于矿山数字化的管理，传统的二维技术设备已经不能满足现代矿山应用的需求。为了使人们可以对仪表等设备的查看更加直观明确，可以通过三维建模技术对现实生活中的地表、厂房等其他构建物进行可视化模拟。
三维地质建模技术(3D geoscience modeling)，是由加拿大Simon W.Houlding于1993年提出的，这方面的研究在国外发展的较早。目前，三维地质建模方法和技术概括起来有：Section(断面)构建法、Surface(表面)构建法、Block(块体)构建法、Wire-frame(线框)构建法、Solid(实体)构建法和体视化技术。各种方法都有其优缺点，有些方法需要结合其他方法使用。
随着互联网技术的发展，WebGL与C#的结合为三维矿山可视化的实现提供了新的方向。WebGL由Khronos Group公开发布，是一个免授权费且跨平台的3D绘图标准，WebGL完美解决了现有的Web交互式三维动画存在的问题。它基于OpenGL ES2.5的文档对象模型接口，OpenGL(Open Graphics Librar，开放图形库，用于渲染2D，3D矢量图形的接口)作为一种高性能图形和交互式视景处理的标准，用其可以构造复杂的3D物体及场景，在C#中实现OpenGL建模是一种基于Tao框架的方法，这种方法较其它方法更简单容易实现。WebGL提供了一个第三方库Three.js，Three.js是一个跨浏览器的脚本，使用JavaScript函数库或API来在网页浏览器中创建和展示动画的三维计算机图形。Three.js图形库除了提供基本的点、线、多边形的绘制函数外，还提供复杂的三维物体以及复杂曲线和曲面绘制函数，光照和材质设置也十分的方便。
最后为之添加相应的响应事件，使其充满生气，才能更加逼真的模拟现实物体。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在解决能够真实、立体地展示矿山的详细信息，而提出一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法。为此，本发明采取的技术方案是，基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，步骤如下：
1)首先基于WebGL技术，加载配置文件，读取地表几何体信息、三角片信息，用这些地表信息渲染地表集合体模型，实现地表模型和三维矿体模型的建模；
2)上一步骤已将地表模型和三维矿体模型建模完毕后，使用已成功建模的数据结合Three.js技术加载三维地表模型和三维矿体模型；
3)将构建物模型的数据导入并读取点、面和颜色集合，创建物体并渲染，将所述构建物信息保存数据库中，并基于WebGL技术实现构建物模型的建模；
4)当在系统中选择添加构建物时，则根据上一步骤建模完成的数据结合Three.js技术加载所述三维矿体模型和构建物模型，并对构建物进行大小、位置变换操作，待构建物放置后，将数据保存于数据库中。
在Three.js中，一个方块的描述如下：首先，一个方块有八个顶点，每个顶点定义为三维空间中x、y和z坐标的组合；其次一个方块有六个面，面的每一个角有四个顶点，这些面成为侧面,因此当绘制方块时只需提供方块的八个顶点的顶点信息以及六个面的面信息即可完成方块的绘制，定义一个面是采用四边形的方式，而在渲染模型的时候则使用三角形进行渲染，Three.js中提供了颜色和纹理等属性，以使绘制的三维图形充满色彩,最后为之添加相应的响应事件，模拟现实物体。
其中，所述解析地表配置文件功能是将存储地表模型三维信息的配置文件导入系统中进行解析得到其由一系列的网格组成，而网格由一系列的顶点信息组成，这些顶点信息组成三角片，而三角片附带着的材质信息；所述渲染地表模型的渲染功能是从几何体出发，将解析地表配置文件所得的其顶点信息和三角片信息进行分析，在三角片信息中，找出其三个顶点在顶点集中的位置信息和材质配置id，根据材质配置id获取材质效果信息，然后将几何体添加到场景中，即可完成渲染。
进一步地，所述构建物快速原型法渲染功能是通过将几何体的共性抽象对几何体进行渲染。所述建筑物建模功能是通过配置几何体的点、面等信息即完成几何体的建模。
其中，所述构建物模型上配置具体设施功能采用捕捉鼠标点击事件实现。在Three.js中，三维坐标的获取通过采取鼠标事件和Three.js方法相结合的方式获取三维空间鼠标点击位置坐标，由二维空间的鼠标点击事件可得鼠标位置的x坐标和y坐标，z坐标的获取则通过从相机位置向鼠标点击位置发出一条射线的方式获取，射线所穿过的几何体的z坐标即为鼠标位置的z坐标。显然，射线穿过的是一系列几何体的集合，此时根据需要与设施进行绑定；当知道构筑物模型所对应的设施后，便可通过设施找到设施上的仪表等设备的数据信息，进行在三维环境的基础上实现对仪表等设备数据的查看。
本发明的特点及有益效果是：
本发明所达到的有益效果是：本发明一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法及系统，可以在浏览器中实现矿山地理三维展示，能够真实立体的模拟查看矿山上的建筑构建物，分析所述三维矿山模型。同时也可以展示出对矿山上的建筑模型的基本操作，动态展示构建物在矿山上的体态、位置的变化。本发明提供的系统操作简单，用户操作起来简单便捷，没有特殊的技术要求。
附图说明：
为了更加清晰地说明本发明实施技术方案，以下将通过附图进行简单的介绍，显而易见地，以下所描述中的附图只是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计系统用Three.js渲染三维图形的流程图。
图2是本发明一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计系统的配置文件解析流程图。
图3是本发明一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计系统配置方式模型创建流程图。
图4是本发明一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计系统中模型和设施之间的关系图。
图5是本发明一种基于webgl与C#的矿山三维展示设计方法及系统的技术框架示意图。
具体实施方式
本发明是一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，该方法包括：
使用Three.js建立基于WebGL标准的绘制环境；
基于WebGL技术，实现地表模型和地表构筑物模型的建模；
通过坐标转换将矿体上三维建筑向水平投影；
基于WebGL技术，使用Three.js实现矿山数字化展示；
通过坐标转换对矿体大小和位置进行等变换；
利用快速原型法抽象几何体的共性对几何体进行渲染。
本发明一重基于WebGL与C#的矿山三维展示系统，该系统步骤如下：
1)首先基于WebGL技术，加载配置文件，读取地表几何体信息、三角片信息，用这些地表信息渲染地表集合体模型，实现地表模型和三维矿体模型的建模；
2)上一步骤已将地表模型和三维矿体模型建模完毕，使用已成功建模的数据结合Three.js技术加载三维地表模型和三维矿体模型。
3)将构建物模型的数据导入并读取点、面和颜色集合，创建物体并渲染，将所述构建物信息保存数据库中，并基于WebGL技术实现构建物模型的建模。
4)第三步已将构建物模型进行建模完毕，当在系统中选择添加构建物时，则根据上一步骤建模完成的数据结合Three.js技术加载所述三维矿体模型和构建物模型，并可对构建物进行大小、位置等变换操作。待构建物放置后，将数据保存于数据库中。
本发明是一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计系统，该系统包括三维实体建模模块，地表导入模块，建筑物构建模块，建筑物与地表结合模块，基于WebGL矿山信息可视化模块。所述三维实体建模模块包括三维矿体模型显示功能，三维地表模型显示功能。所述地表导入模块包括解析配置文件功能，渲染地表模型功能。所述建筑物构建模块包括导入模型数据功能，快速原型法渲染功能，建模功能。所述建筑物与地标结合模块包括构建物添加功能，删除功能，位置变换功能，外形大小变换功能。所述基于WebGL矿山信息可视化模块包括在矿山地表上展示设施设备功能，以及通过three.js模拟矿山以及矿山表层信息功能。
所述渲染三维场景利用封装了WebGL技术的Three.js图形引擎库，Three.js库中的三维物体描述和其他大多数三维库中的一样，基本上都是三维空间中的点及一些将这些点连成的面组成。在Three.js中，一个方块的描述如下：首先，一个方块有八个顶点，每个顶点都可以定义为三维空间中x、y和z坐标的组合；其次一个方块有六个面，面的每一个角有四个顶点，这些面成为侧面。因此当绘制方块时只需提供方块的八个顶点的顶点信息以及六个面的面信息即可完成方块的绘制。在一般的三维建模中，定义一个面是采用四边形的方式，而在渲染模型的时候则使用三角形进行渲染，因为任意一个形状都可以渲染成多个三角形。当只有这些顶点信息和面信息并不能满足建模的需求，因为这样只能绘制三维图形的基本框架，并不能满足三维建模的需要，为了解决这个问题，Three.js中提供了颜色和纹理等属性，以使绘制的三维图形充满色彩。最后为之添加相应的响应事件，使其充满生气，才能更加逼真的模拟现实物体。
进一步地，所述解析地表配置文件功能是将存储地表模型三维信息的配置文件导入系统中进行解析得到其由一系列的网格组成，而网格由一系列的顶点信息组成，这些顶点信息组成三角片，而三角片附带着的材质信息。
进一步地，所述渲染地表模型的渲染功能是从几何体出发，将解析地表配置文件所得的其顶点信息和三角片信息进行分析，在三角片信息中，找出其三个顶点在顶点集中的位置信息和材质配置id，根据材质配置id获取材质效果信息，然后将几何体添加到场景中，即可完成渲染。
进一步地，所述构建物快速原型法渲染功能是通过将几何体的共性抽象对几何体进行渲染。所述建筑物建模功能是通过配置几何体的点、面等信息即可完成几何体的建模。
进一步地，所述构建物添加功能是采用在页面上拖拽的方式实现在地表模型上配置构建物。所述位置变换功能是在三维屏幕中，对构建物进行拖拽改变其位置。JQuery是一个简洁的JavaScript代码库，封装了JavaScript常用的功能，并提供了时间处理、动画设计和Ajax交互等功能。通过JQuery在HTML5页面中操作DOM元素。在此部分设计中，同步将构筑物模型拖拽到地表模型上，建立构筑物模型与地表模型的连接，当保存后记录构筑物在地表上的位置，然后持久化到数据库中。同时，当拖拽到地表模型上后，也可以对构筑物根据需要，进行相关的调整。
进一步地，所述构建物模型上配置具体设施功能采用捕捉鼠标点击事件实现。在Three.js中，三维坐标的获取通过采取鼠标事件和Three.js方法相结合的方式获取三维空间鼠标点击位置坐标，由二维空间的鼠标点击事件可得鼠标位置的x坐标和y坐标，z坐标的获取则通过从相机位置向鼠标点击位置发出一条射线的方式获取，射线所穿过的几何体的z坐标即为鼠标位置的z坐标。显然，射线穿过的是一系列几何体的集合，此时根据需要与设施进行绑定。当知道构筑物模型所对应的设施后，便可通过设施找到设施上的仪表等设备的数据信息，进行在三维环境的基础上实现对仪表等设备数据的查看。
本发明一重基于WebGL与C#的矿山三维展示设计系统，该系统步骤：
建立地表三维模型；
加载配置文件，读取地表几何体信息、三角片信，并将所述地表信息保存数据库中；
渲染地表几何体模型；
基于WebGL技术,使用Three.js加载所述三维地表模型和所述三维矿体模型；
导入构建物模型数据并读取点、面和颜色集合，创建物体并渲染，并将所述构建物信息保存数据库中；
添加的构建物，将构建物进行大小、位置变换操作后放置三维矿山地表，并将数据保存数据库中；
在三维空间中基于WebGL和C#技术使用Three.js绘制所述矿山及其表面物体，并加载所述三维矿体模型。
下面将结合本发明实施的附图，对本发明实施案例中进行详细的描述。
本发明在矿山三维数字化平台的研究中主要对地表模型和构筑物模型进行三维建模，利用three.js渲染三维图形的流程图如图1所示，场景、相机和渲染器是渲染图形的基础，相当于绘画时的纸张、人的眼睛和笔，而在场景中具体添加什么样的物体，由所创建的物体的属性决定，这些属性包括顶点集、面集、材质以及纹理等属性信息。
在本发明中，需要两种模型来完成模型库的建模，一是地表模型，用于完成对现实世界地表的模拟，二是构筑物模型，用于完成对现实世界上建筑构筑物的模拟。
地表模型是对现实世界中地表的模拟，由于地表所需点、面等三维信息的数据量比较庞大，因此对这些数据的存储有着严格的要求。在地表模型导入前，首先在第三方三维设计软件上建立地表三维模型，比如AutoCAD，然后将该模型转换为配置文件后以配置文件的形式存储地表模型的三维信息，从而通过解析配置文件来达到地表模型的渲染，解析配置文件过程如图2所示，读取几何体信息T2可以得到地标模型的三角片信息T3、材质信息T4、材质效果信息T5，然后对几何体进行渲染T6。
通过快速原型法对简单的构建物进行渲染，任何几何体均有顶点集、面集以及修饰几何体所需要的材质、纹理等信息组成，因此，通过配置几何体的点、面等信息即可完成几何体的建模。如立方体的厂房模型由点集、面集和面的颜色集合组成。其中面有三个顶点组成，其值为顶点集的位置索引，而面的颜色集和面集一一对应，由此种方式构建模型的流程图如图3所示，在T7步骤后进行T8读取模型信息，从而进行T9创建物体直到T10渲染目的。
地表是构筑物的载体，而一系列的设施依附于构筑物之上，从而产生一种紧密的联系关系，地表模型、构筑物模型以及设施的各自独立使得三维建模配置极其灵活。这在很大程度上体现了本发明的可配置性。地表模型、构筑物模型和设施之间的关系如图4所示。此部分主要完成对现实世界的模拟，对三维设备管理进行模型建立，主要包括在地表模型上配置在构筑物模型以及在构筑物模型上配置设施。
如图3所示，本发明是一种基于webgl与C#的矿山三维展示设计方法及系统的技术框架示意图，系统开发过程中涉及两端，客户端和服务端，客户端通过JavaScript编写脚本，利用WebGL进行3D渲染，使用html搭建前端页面。服务器端利用C#的数据存储到SQLServer数据库中，客户端和服务端通过WebSocket实现通信连接。
Claims (5)
1.一种基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，其特征是，步骤如下：
1)首先基于WebGL技术，加载配置文件，读取地表几何体信息、三角片信息，用这些地表信息渲染地表集合体模型，实现地表模型和三维矿体模型的建模；
2)上一步骤已将地表模型和三维矿体模型建模完毕后，使用已成功建模的数据结合Three.js技术加载三维地表模型和三维矿体模型；
3)将构建物模型的数据导入并读取点、面和颜色集合，创建物体并渲染，将所述构建物信息保存数据库中，并基于WebGL技术实现构建物模型的建模；
4)构建物模型进行建模完毕后，当在系统中选择添加构建物时，则根据上一步骤建模完成的数据结合Three.js技术加载所述三维矿体模型和构建物模型，并对构建物进行大小、位置变换操作，待构建物放置后，将数据保存于数据库中。
2.如权利要求1所述的基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，其特征是，在Three.js中，一个方块的描述如下：首先，一个方块有八个顶点，每个顶点定义为三维空间中x、y和z坐标的组合；其次一个方块有六个面，面的每一个角有四个顶点，这些面成为侧面,因此当绘制方块时只需提供方块的八个顶点的顶点信息以及六个面的面信息即可完成方块的绘制，定义一个面是采用四边形的方式，而在渲染模型的时候则使用三角形进行渲染，Three.js中提供了颜色和纹理等属性，以使绘制的三维图形充满色彩,最后为之添加相应的响应事件，模拟现实物体。
3.如权利要求1所述的基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，其特征是，其中，所述解析地表配置文件功能是将存储地表模型三维信息的配置文件导入系统中进行解析得到其由一系列的网格组成，而网格由一系列的顶点信息组成，这些顶点信息组成三角片，而三角片附带着的材质信息；所述渲染地表模型的渲染功能是从几何体出发，将解析地表配置文件所得的其顶点信息和三角片信息进行分析，在三角片信息中，找出其三个顶点在顶点集中的位置信息和材质配置id，根据材质配置id获取材质效果信息，然后将几何体添加到场景中，即可完成渲染。
4.如权利要求1所述的基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，其特征是，所述构建物快速原型法渲染功能是通过将几何体的共性抽象对几何体进行渲染；所述建筑物建模功能是通过配置几何体的点、面等信息即完成几何体的建模。
5.如权利要求1所述的基于WebGL与C#的矿山三维展示设计方法，其特征是，其中，所述构建物模型上配置具体设施功能采用捕捉鼠标点击事件实现，在Three.js中，三维坐标的获取通过采取鼠标事件和Three.js方法相结合的方式获取三维空间鼠标点击位置坐标，由二维空间的鼠标点击事件可得鼠标位置的x坐标和y坐标，z坐标的获取则通过从相机位置向鼠标点击位置发出一条射线的方式获取，射线所穿过的几何体的z坐标即为鼠标位置的z坐标。显然，射线穿过的是一系列几何体的集合，此时根据需要与设施进行绑定；当知道构筑物模型所对应的设施后，便可通过设施找到设施上的仪表等设备的数据信息，进行在三维环境的基础上实现对仪表等设备数据的查看。
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