CN113066188A - 一种用于室外施工作业的三维仿真方法及设备 - Google Patents

一种用于室外施工作业的三维仿真方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于室外施工作业的三维仿真方法及设备，包括：收集点云数据以及现场图片，并对点云数据进行数据拼接、降噪、配准和点云稀疏，得到完整的点云数据；根据点云数据以及图片对场景中的物体建模；对点云数据进行实例化处理，得到点云数据的实例结构信息；对点云数据的实例结构信息中的每一个实例分别进行体素采样，获得点云与体素的映射关系，同时筛选出有点云数据的体素，对体素进行合并，获得几何结构；根据几何结构和对应点云数据的实例结构信息，在物理引擎中生成对应的刚体或柔体，将刚体和柔体与点云做绑定，收集几何结构的运动信息；对模型添加特性，并结合几何结构的运动信息对模型进行操控，实现三维仿真。本发明通过三维仿真技术收集点云数据，获取关键位置的数据信息及空间信息，建立模型并建立三维点云实景，并结合几何结构、特性等来达到三维仿真的目的。

Description

一种用于室外施工作业的三维仿真方法及设备
技术领域
本发明涉及室外施工作业领域，具体涉及一种用于室外施工作业的三维仿真方法及设备。
背景技术
近年来，随着三维仿真技术的不断发展，其逐渐被应用于安全工程、模拟施工和电力工程等领域。三维仿真技术中点云数据的收集是较为关键的一个环节，现有的点云获取技术可分为接触式扫描仪、激光雷达、结构光、三角测距（Triangulation）、以及立体视觉等多种。与传统的测量方式相比，三维激光扫描数据采集速度快、采样频率高，但也导致点云数据具有高冗余、误差分布非线性、不完整等特点，给海量三维点云的智能化处理带来了极大的困难。
同时，相对三维激光扫描硬件设备的快速发展而言，三维点云的智能化处理发展较为落后，点云处理的智能化水平、软件界面友好性、专业化应用数据接口方面还有待提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于室外施工作业的三维仿真方法及设备，通过处理激光点云采集数据，获取关键位置的数据信息及空间信息，建立三维点云实景。
实现上述目的的技术方案是：一种用于室外施工作业的三维仿真方法，包括如下步骤：
S1、收集点云数据以及现场图片，并对点云数据进行数据拼接、降噪、配准和点云稀疏，得到完整的点云数据；
S2、根据点云数据以及图片对场景中的物体建模；
S3、对点云数据进行实例化处理，得到点云数据的实例结构信息；
S4、对点云数据的实例结构信息中的每一个实例分别进行体素采样，同时筛选出有点云数据的体素，获得点云与体素的映射关系，对体素进行合并，获得几何结构；
S5、根据几何结构和对应点云数据的实例结构信息，在物理引擎中生成对应的刚体或柔体，根据S4中的映射关系，将刚体和柔体与点云做绑定，收集几何结构的运动信息；
S6、对S2中的模型添加特性，并结合几何结构的运动信息对模型进行操控，实现三维仿真。
上述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、对点云数据进行预采样，同时建立KDTree加速点云搜索以及点云索引映射图，反向映射到原始点云数据空间；
S32、加载语义网络模型，把步骤S31中预处理的点云数据输入语义分割模型中进行推理预测，获取语义结构信息；
S33、使用DBSCAN算法把步骤S32中获取的语义结构信息进行实例聚类，实现单个语义对象的实例分割，最终获取到点云数据的实例结构信息。
上述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，所述步骤S5包括：根据几何结构类型设置刚体和柔体物理参数。
上述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，所述步骤S5包括：根据点云数据的实例结构信息和不同几何体之间的关系对刚体和柔体添加约束。
上述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，所述步骤S6中的特性包括：关节限制，可操作性，导电性和切割性。
本发明还提供一种电子设备，包括：
处理器和存储器；
所述存储器存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器可加载并执行如上所述的用于室外施工作业的三维仿真方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储多条指令；
所述指令由处理器加载并执行如上所述的用于室外施工作业的三维仿真方法。
本发明的用于室外施工作业的三维仿真方法及设备通过点云扫描设备采集带电作业现场环境数据，在系统中建立点云仿真场景和模型，为现场施工提供有效的施工作业方案。同时降低现场作业难度，实现带电作业自动化、智能化转变。
附图说明
图1示出了本发明用于室外施工作业的三维仿真方法的方法流程示意图。
图2示出了本发明的实例化处理的方法流程示意图。
图3示出了本发明的点云数据体素采样的示意图。
图4示出了本发明的点云数据体素分割的示意图。
图5示出了本发明的点云数据与体素映射关系的示意图。
图6示出了本发明的点云数据与体素映射关系的原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
下面结合图1至图6说明本发明的用于室外施工作业的三维仿真方法。图1示出了本发明用于室外施工作业的三维仿真方法的方法流程示意图。如图1、图3、图4、图5和图6所示，一种用于室外施工作业的三维仿真方法，包括如下步骤：
S1、收集点云数据以及现场图片，并对点云数据进行数据拼接、降噪、配准和点云稀疏，得到完整的点云数据；
S2、根据点云数据以及图片对场景中的物体建模；
S3、对点云数据进行实例化处理，得到点云数据的实例结构信息；
S4、对点云数据的实例结构信息中的每一个实例分别进行体素采样，同时筛选出有点云数据的体素，获得点云与体素的映射关系，对体素进行合并，获得几何结构；
其中，通过筛选出有点云数据的体素生成几何结构。对于要生成刚体的几何结构(三角面形式表达),在不破坏原始形状的前提下,尽可能减少三角面的数量。重合的面,在物体内部的面直接删除。对于要生成柔体的几何结构(三角面形式表达),根据物体生成几何结构重合的面,在物体内部的面直接删除。柔体点云根据自身在体素内的位置,与体素的8个角的X,Y,Z距离(这8个角同时也有对应的几何体上的8个点)进行权重分配。权重是每个点云收到8个角位移的影响程度，用以计算加入运动变化后点云的位置。
S5、根据几何结构和对应点云数据的实例结构信息，在物理引擎中生成对应的刚体或柔体，根据S4中的映射关系，将刚体和柔体与点云做绑定，收集几何结构的运动信息；
其中，刚体中的点云位置 = 几何体变换矩阵*(点云相对于体素的坐标+体素相对于几何体的位置)。柔体中点云的位置 = 几何体变换矩阵*(柔体质点1坐标*权重1+柔体质点2坐标*权重2+柔体质点3坐标*权重3+柔体质点4坐标*权重4+柔体质点5坐标*权重5+柔体质点6坐标*权重6+柔体质点7坐标*权重7+柔体质点8坐标*权重8)。
S6、对S2中的模型添加特性，并结合几何结构的运动信息对模型进行操控，实现三维仿真。
如图2所示，本实施例中，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、对点云数据进行预采样，同时建立KDTree加速点云搜索以及点云索引映射图，反向映射到原始点云数据空间；
S32、加载语义网络模型，把步骤S31中预处理的点云数据输入语义分割模型中进行推理预测，获取语义结构信息；
S33、使用DBSCAN算法把步骤S32中获取的语义结构信息进行实例聚类，实现单个语义对象的实例分割，最终获取到点云数据的实例结构信息。
本实施例中，所述步骤S5包括：根据几何结构类型设置刚体和柔体物理参数。
本实施例中，所述步骤S5包括：根据点云数据的实例结构信息和不同几何体之间的关系对刚体和柔体添加约束。
本实施例中，所述步骤S6中的特性包括：关节限制，可操作性，导电性和切割性。
本发明还提供一种电子设备，包括：
处理器和存储器；
所述存储器存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器可加载并执行如上任一实施例所述的用于室外施工作业的三维仿真方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储多条指令；
所述指令由处理器加载并执行如上任一实施例所述的用于室外施工作业的三维仿真方法。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域的相关技术人员理解的上述以软件功能单元的形式实现集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在存储介质中，存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等介质。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种用于室外施工作业的三维仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、收集点云数据以及现场图片，并对点云数据进行数据拼接、降噪、配准和点云稀疏，得到完整的点云数据；
S2、根据点云数据以及图片对场景中的物体建模；
S3、对点云数据进行实例化处理，得到点云数据的实例结构信息；
S4、对点云数据的实例结构信息中的每一个实例分别进行体素采样，获得点云与体素的映射关系，同时筛选出有点云数据的体素，对体素进行合并，获得几何结构；
S5、根据几何结构和对应点云数据的实例结构信息，在物理引擎中生成对应的刚体或柔体，根据S4中的映射关系，将刚体和柔体与点云做绑定，收集几何结构的运动信息；
S6、对S2中的模型添加特性，并结合几何结构的运动信息对模型进行操控，实现三维仿真。
2.根据权利要求1所述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S31、对点云数据进行预采样，同时建立KDTree加速点云搜索以及点云索引映射图，反向映射到原始点云数据空间；
S32、加载语义网络模型，把步骤S31中预处理的点云数据输入语义分割模型中进行推理预测，获取语义结构信息；
S33、使用DBSCAN算法把步骤S32中获取的语义结构信息进行实例聚类，实现单个语义对象的实例分割，最终获取到点云数据的实例结构信息。
3.根据权利要求1所述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，其特征在于，所述步骤S5包括：根据几何结构类型设置刚体和柔体物理参数。
4.根据权利要求1所述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，其特征在于，所述步骤S5包括：根据点云数据的实例结构信息和不同几何体之间的关系对刚体和柔体添加约束。
5.根据权利要求1所述的一种用于室外施工作业的三维仿真方法，其特征在于，所述步骤S6中的特性包括：关节限制，可操作性，导电性和切割性。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器和存储器；
所述存储器存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器可加载并执行如权利要求1-5任一项所述的用于室外施工作业的三维仿真方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储多条指令；
所述指令由处理器加载并执行如权利要求1-5任一项所述的用于室外施工作业的三维仿真方法。
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