CN113362477A - 一种3d数据采集与监视控制系统及其场景编辑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D数据采集与监视控制系统及其场景编辑方法，包括：在数据采集与监视控制系统中接入3D组态化模块，该模块包括3D场景编辑器和3D场景嵌入器；3D场景编辑器将3D编辑画面导入并显示在数据采集与监视控制系统的主场景画面中，保持数据文件的运行态和编辑态一致，使得3D场景编辑器的编辑状态显示和数据采集与监视控制系统的运行状态显示的一致；3D场景嵌入器读取3D场景编辑器的输出文件，将输出文件对应的3D对象嵌入2D数据采集与监视控制界面，配置3D对象的场景文件，转换为3D画面。本发明将SCADA 3D的数据绑定点绑定到3D对象中，做到了3D和2D画面的无缝对接，并且在原SCADA系统中展示。

Description

一种3D数据采集与监视控制系统及其场景编辑方法

技术领域

本发明涉及一种数据采集与监视系统及其编辑方法，更具体地说，涉及一种3D数据采集与监视控制系统及其场景编辑方法。

背景技术

自动化码头的发展过程中，数据监控平台成为自动化码头作业必不可少的组成部分。随着码头对监控和办公自动化的需求的迫切提升，数据采集与监视控制(SupervisoryControl And Data Acquisition，以下简称“SCADA”)系统的功能越来越强，品质要求越来越精，特别是在智能码头领域中。

PC端的3D渲染技术早已成熟，但用户对数据采集与监视控制(SCADA)系统、尤其是其3D展示的需求日益明显。国内外的最常见的做法是采用游戏引擎Unity，借助于Unity的强大3D功能开发出一套实时监控3D应用。这种做法能快速满足需求，没有技术障碍，而劣势在于，3D应用必须独立运行。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种3D数据采集与监视控制系统及其场景编辑方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法，包括：在数据采集与监视控制系统中接入3D组态化模块，其中3D组态化模块包括3D场景编辑器和3D场景嵌入器；3D场景编辑器将整个3D编辑画面全部导入并显示在数据采集与监视控制系统的主场景画面中，保持数据文件的运行态和编辑态一致，使得3D场景编辑器的编辑状态显示和数据采集与监视控制系统的运行状态显示的效果一致；3D场景嵌入器读取3D场景编辑器的输出文件，将输出文件对应的3D对象嵌入2D数据采集与监视控制界面，配置3D对象的场景文件，并转换为3D画面。

进一步地，3D场景编辑器采用Irrlicht游戏引擎，并且使得Irrlicht引擎的XML数据读写、对3D场景光影设置与SCADA相匹配。

进一步地，3D场景编辑器采用树形菜单，树形菜单包括多种3D对象类型，且每一个3D对象包括独立的可编辑配置文件和输出文件。

进一步地，每一个3D对象的配置文件和输出文件动态绑定到3D-SCADA系统的数据点上。

进一步地，3D场景编辑器的输出文件包括XML文件和单独保存的3D模型、贴图文件，XML文件包括场景信息、动态绑定信息。

进一步地，3D场景嵌入器扫描2D数据采集与监视控制画面内的3D控件，当存在3D对象时加载对应的XML文件。

进一步地，3D数据采集与监视控制系统当存在3D对象时切换成DirectX渲染3D画面，屏蔽原有的Direct2D渲染方式，将3D对象的XML画面导入到Irrlicht引擎中，并且利用Irrlicht引擎进行渲染。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种3D数据采集与监视控制系统,包括：3D组态化模块，其中3D组态化模块包括3D场景编辑器和3D场景嵌入器；3D数据采集与监视控制系统执行权利要求1-7中任意一项的方法。

进一步地，3D场景编辑器包括：主场景窗口；节点窗口，节点窗口显示每一个3D对象在主场景中的节点信息，并且提供对节点信息的编辑。属性窗口，属性窗口显示每一个3D对象的属性，并提供3D对象的属性编辑以及动态绑定。

进一步地，3D场景嵌入器包括：3D控件，3D控件包括带有摄像头属性和场景XML文件的3D场景。

在上述技术方案中，本发明将SCADA 3D的数据绑定点绑定到3D对象中，做到了3D和2D画面的无缝对接，并且共同在原SCADA系统中展示。

附图说明

图1是3D-SCADA系统的整体架构图；

图2是图1中3D场景编辑器的架构图；

图3是图1中3D场景嵌入器的架构图；

图4是3D场景编辑器的界面图；

图5是3D场景编辑器的主场景示意图；

图6是3D场景嵌入器的界面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明首先公开一种3D数据采集与监视控制(Supervisory ControlAnd Data Acquisition，以下简称“SCADA”)系统，该系统的主要改进点在于其3D组态化模块，其中3D组态化模块包括两个主要部分：3D场景编辑器和3D场景嵌入器(3D场景嵌入原SCADA编辑器)。

本发明中，3D组态化模块作为SCADA系统的子功能，用户可以选择是否使用。如果使用，通过简单的拖拽和配置导入的场景，SCADA系统将自动识别包含3D控件的画面，并且将画面转化为3D画面。

如图2所示，3D场景编辑器是一个独立应用程序，可以在SCADA系统中启动，也可以通过EXE应用程序启动。3D场景编辑器包含了主场景窗口，节点窗口，属性窗口，快捷栏，文件夹窗口，提示窗口等，允许用户编辑3D场景并保存为XML格式的文件。具体来说，3D场景编辑器的输出文件包括XML文件和单独保存的3D模型、贴图文件，其中XML文件包括场景信息、动态绑定信息等。

作为本发明的一种优选实施方式，下表所示为以XML格式保存的3D场景数据的一个实施例。

继续参照图2，主场景窗口用来展示3D场景编辑器的主要内容，其主要包括3D渲染效果展示、视角切换、信息显示等。节点窗口显示每一个3D对象在主场景中的节点信息，并且提供对所述节点信息的编辑，包括场景编辑、树形结构编辑、模型导入等。属性窗口显示每一个3D对象的属性，并提供3D对象的属性编辑以及动态绑定，其中3D对象的属性编辑包括缩放、旋转、位移等。此外，快捷栏、文件夹窗口和提示窗口分别用来显示快捷方式、文件夹信息和错误提示信息等。

作为本发明的一种优选实施方式，3D场景编辑器采用“所见即所得”的设计理念，对整个场景的编辑结果都可以在主场景窗口中看见。“所见即所得”就是保证整个编辑画面展示的效果和SCADA运行态所展示的效果完全一致。

为了实现上述效果，本发明采用了Irrlicht引擎作为基础，并且使得Irrlicht引擎的XML数据读写、对3D场景光影设置与SCADA相匹配。3D场景编辑器将整个画面全部导入并显示在主场景画面中，保证数据文件的运行态和编辑态是一致的，从而使得3D场景的运行态和编辑态的画面就是一致的。

渲染引擎是3D应用的心脏，决定了渲染速度和画面效果，引擎的架构同样也影响了3D编辑器的架构和嵌入方式，尤其是本发明具有特定的应用环境，即SCADA系统，因此需要尤其注重3D引擎对于SCADA系统的支持性与可移植性。本发明在研究了多个开源引擎后，重点比较了OGRE，Irrlicht，Godot等三款游戏引擎。

通过测试发现，OGRE引擎虽然开源，但是结构复杂，不利于修改底层代码。Godot功能强大，但该引擎是独立EXE应用，不利于作为子功能嵌入SCADA系统中。而Irrlicht引擎代码清晰、结构简单、完美支持了MFC的嵌入。

经过多方面的测试比较，本发明采用了Irrlicht引擎，该引擎很好的支持了光影、水面特效、天空盒、骨骼动画等，底层代码也非常友好，杰出地支持了MFC和底层对新数据格式的支持，并且与本发明所应用的3D-SCADA系统匹配度最佳。

作为本发明的另一种优选实施方式，3D场景编辑器采用树形菜单，所述树形菜单包括多种3D对象类型，且每一个3D对象包括独立的可编辑配置文件和输出文件。

在上述实施例中，3D场景编辑器的树形菜单将整个场景用树形菜单编辑，分为文件夹、3D对象、灯光、广告牌等多种对象，既支持了丰富的对象，也简化了整个场景的管理。3D场景编辑器的树形菜单将每一个控件作为单独的子元素嵌入场景中编辑，简化了场景的管理，包括添加、删除、拷贝、重命名、移动位置等，大大简化了用户的制作时间。对场景树的每一个节点，本发明都可以在属性窗口中支持，支持编辑位置、旋转、缩放、是否可视等属性。上述这些属性都可以动态绑定SCADA系统的数据点，即每一个3D对象的配置文件和输出文件均可以动态绑定到3D-SCADA系统的数据点上。

绑定属性点是本发明的一个重要改进。现有的2D-SCADA系统原本具有绑定属性点的功能，但其只适用于2D环境。本发明在针对3D-SCADA系统中添加了绑定属性点的功能，不仅使得每一个3D对象能够绑定3D-SCADA系统的属性点，还能够将3D对象嵌入到原本的2D图像中，使得3D-SCADA系统能够兼容现有系统，同时将3D-SCADA系统作为一种可选的方式嵌入在原系统中。因此，本发明的绑定属性点不仅仅在于2D到3D的转化，更重要的是建立2D-3D的关联关系、匹配关系、转化关系等属性。

参照图3，3D场景嵌入器包括BCG扩展、SCADA画面、3D控件、3D场景文件、数据驱动器和3D动画单元等。3D控件包括带有摄像头属性和场景XML文件的3D场景。本发明通过SCADA将3D场景以单个控件的形式集成到SCADA中，系统在扫描到SCADA中有3D控件后，自动将画面切换到DirectX渲染模式下，摄像头信息在3D控件中给出并且和原SCADA兼容，满足了SCADA快速开发3D场景的需求。

如图4、图5和图6所示，3D场景编辑器的输出文件包含一个XML文件，包含所有的场景信息，包括绑定点的信息，而3D模型，贴图文件单独分开保存。3D场景嵌入器在读取上述文件之后，使得用户在2D SCADA画面中可以直接拖入3D对象，并且完成配置3D对象的场景文件。之后3D场景嵌入器可以进行画面自动识别，加载XML文件，并转换为3D画面。

除了上述系统，本发明还另外公开一种应用于上述3D数据采集与监视控制(SCADA)系统的场景编辑方法。

岸桥/轮胎吊/轨道吊在SCADA系统中本质上是一个封装过的图形组合组件，因此本发明在原有的图形组合组件基础上加入了参数配置、尤其是3D相关参数，从而本发明的场景编辑方法能够根据参数配置，通过代码修改子图形的大小、位置、动画等常规信息，最终实现将3D画面插入到2D画面中，或者2D-3D画面的切换、转换。

如图1、图2和图3所示，本发明的场景编辑方法首先在在数据采集与监视控制(SCADA)系统中接入3D组态化模块，其中3D组态化模块包括3D场景编辑器和3D场景嵌入器。

3D场景编辑器执行的步骤主要包括将整个3D编辑画面全部导入并显示在SCADA系统的主场景画面中，保持数据文件的运行态和编辑态一致，使得3D场景编辑器的编辑状态显示和SCADA系统的运行状态显示的效果一致。

将3D场景编辑器的编辑状态显示和SCADA系统的运行状态显示的效果一致，是本发明场景编辑方法的一个重要改进。现有技术中，当用户需要对岸桥/轮胎吊/轨道吊进行编辑时，一般用户无法掌握太多的编程和代码技巧，因此需要在SCADA系统中采用直观的方式进行编辑，即“所见即所得”。

采用所见即所得的设计理念，需要使得整个场景的编辑结果都可以在SCADA系统的主场景窗口中看见。所见即所得就是保证SCADA系统的整个编辑画面展示效果和SCADA运行态所展示的效果完全一致。

由此，本发明采用了Irrlicht引擎作为基础，将整个画面全部导入并显示在主场景画面中，并且使得Irrlicht引擎的XML数据读写、对3D场景光影设置与SCADA相匹配。如此，本发明的场景编辑方法能够保证SCADA系统中数据文件是运行态和编辑态是一致的，从而SCADA系统的运行态和编辑态的画面就是一致的。

根据本发明的SCADA系统，3D场景编辑器应用在在本发明的场景编辑方法时，其采用树形菜单，树形菜单包括多种3D对象类型，每一个3D对象包括独立的可编辑配置文件和输出文件，且每一个3D对象的配置文件和输出文件动态绑定到3D-SCADA系统的数据点上。

本发明的场景编辑方法将每一个3D控件作为单独的子元素嵌入到场景中编辑，简化了场景的管理、添加、删除、拷贝、重命名、移动位置等，大大简化了用户的制作时间。

对场景树的每一个节点，本发明的场景编辑方法都可以在属性窗口中支持，支持编辑位置、旋转、缩放、是否可视等属性。此外，这些属性都可以动态绑定SCADA的数据点。本发明的场景编辑方法在SCADA系统中做了3D的应用，保证现有SCADA系统的功能在SCADA的3D系统中都有。

根据本发明的SCADA系统，3D场景编辑器应用在在本发明的场景编辑方法时，其输出文件包括XML文件和单独保存的3D模型、贴图文件，所述XML文件包括场景信息、动态绑定信息。

继续参照图1、图2和图3，3D场景嵌入器执行的步骤主要包括读取3D场景编辑器的输出文件，将输出文件对应的3D对象嵌入到2D的SCADA系统界面中，配置3D对象的场景文件，最终转换为3D画面。

根据本发明的SCADA系统，3D场景嵌入器应用在在本发明的场景编辑方法时，其扫描2D数据采集与监视控制画面内的3D控件，当存在3D对象时加载对应的XML文件。

作为本发明的场景编辑方法的一种优选实施方式，本发明将3D场景制作在一个3D控件中，即在3D画面中配置摄像头属性和场景XML文件。在2D的SCADA系统画面中，用户可以直接拖入3D对象，配置3D对象的场景文件后，SCADA系统进行画面自动识别，扫描画面的控件，看是否有3D对象，如存在3D对象就可以认为是3D画面。此时，SCADA系统加载XML文件，并将其转换为3D画面。

本发明的SCADA系统当存在3D对象时切换成DirectX渲染3D画面时，屏蔽原有的Direct2D渲染方式，将3D对象的XML画面导入到Irrlicht引擎中，并且利用Irrlicht引擎进行渲染。

作为本发明的场景编辑方法的一种优选实施方式，SCADA系统识别出存在3D画面时，SCADA系统自动将画面切换成DirectX渲染3D画面，包括以下几个步骤：

1.屏蔽原有的Direct2D渲染方式

2.将SCADA 3D XML画面导入到Irrlicht引擎中

3.用Irrlicht引擎的MFC渲染接管Window Handle并渲染。

在本发明中，2D画面采用SCADA系统的原画面，由于3D和2D画面是不同的子窗口，因此在SCADA系统中2D画面和3D画面可以共存。

作为本发明场景编辑方法的一种优选实施方式，用户可以打开组态软件平台，并打开SCADA 3D场景编辑器来执行场景编辑，包括以下步骤：

1.新建新的场景，将准备好的3D模型文件(.x格式)导入到编辑器中。

2.为节点编辑位置、旋转、缩放属性、绑定数据节点，并保存场景文件。

3.在SCADA系统中打开新的画面，拖拽SCADA 3D组件，标记当前画面为3D画面，并设置摄像头位置、方向，并将上一步的场景文件配置其中。

4.将3D场景设为启动画面，并在SCADA View中运行。

如果在上述场景编辑的过程中发生错误，SCADA系统还可以查看、导出错误信息。

由上述SCADA系统及其场景编辑方法可见，本发明将3D场景作为SCADA系统的一部分接入，3D场景就是一个由Irrlicht引擎接管的SCADA画面。对于SCADA来说2D和3D都是没有任何区别，都是管理一个MFC窗口，只是在底层渲染时SCADA 3D会对画面用DirectX进行渲染，2D会用Direct2D进行渲染。

因此，本发明使得SCADA系统的2D和3D画面共用了一套数据，共享一套完整的数据格式，采用共享的数据，在SCADA 3D编辑时将数据动态绑定到每一个数据点上，为每个节点提供位置、旋转、缩放、是否可视等属性，并且每个属性可单独绑定数据点。本发明使得2D和3D画面共享的是一套完整的XML数据格式，这一套数据格式是Irrlicht场景数据文件，并且本发明对3D控件的底层进行了修改，添加了数据点绑定。

综上所述，本发明设计了一种小巧的方式，将SCADA 3D的数据绑定点绑定到3D对象中，做到了3D和2D画面的无缝对接，并且共同在原SCADA系统中展示。

具体而言，本发明的SCADA系统及其场景编辑方法至少具有以下的有益效果：

1.以第三方程序的方式开发了一套完整的SCADA 3D场景编辑器，不影响原程序的使用，并且可以随意的添加新功能，无需考虑和原SCADA的兼容性。

2.采用XML格式定义文件，方便开发人员和用户直接打开XML文件，查阅文件的定义是否正确。

3.自动识别3D控件，扫描画面的控件，看是否有3D对象，存在3D对象就可以认为是3D画面，自动切换，去除了用户考虑3D和2D场景切换的复杂设置。

4.完美地接入现有的SCADA系统，将SCADA 3D作为原SCADA的一个子系统，一个插件融入到SCADA中。用户可以选择是否使用SCADA 3D功能，不影响原功能的使用。

5.本系统采用成熟的3D引擎，Irrlicht引擎，节约了大量的开发时间，并且接入了光影、天空盒、骨骼动画等常用功能。

6.采用模块化，抛弃了原来每个岸桥/轮胎吊/轨道吊模型美术辅助-开发人员配合的工作模式，允许开发人员自行搭建模块，可以方便工程人员快速开发组件，无需美术人员的参与，使原本繁复的工作流程变得简单化，释放了工作量。

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 (10)

1.一种3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法，其特征在于，包括：

在数据采集与监视控制系统中接入3D组态化模块，其中3D组态化模块包括3D场景编辑器和3D场景嵌入器；

所述3D场景编辑器将整个3D编辑画面全部导入并显示在数据采集与监视控制系统的主场景画面中，保持数据文件的运行态和编辑态一致，使得3D场景编辑器的编辑状态显示和数据采集与监视控制系统的运行状态显示的效果一致；

所述3D场景嵌入器读取所述3D场景编辑器的输出文件，将所述输出文件对应的3D对象嵌入2D数据采集与监视控制界面，配置3D对象的场景文件，并转换为3D画面。

2.如权利要求1所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法,其特征在于，所述3D场景编辑器采用Irrlicht游戏引擎，并且使得Irrlicht引擎的XML数据读写、对3D场景光影设置与SCADA相匹配。

3.如权利要求2所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法,其特征在于，所述3D场景编辑器采用树形菜单，所述树形菜单包括多种3D对象类型，且每一个3D对象包括独立的可编辑配置文件和输出文件。

4.如权利要求3所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法,其特征在于，每一个3D对象的配置文件和输出文件动态绑定到3D-SCADA系统的数据点上。

5.如权利要求4所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法,其特征在于，3D场景编辑器的输出文件包括XML文件和单独保存的3D模型、贴图文件，所述XML文件包括场景信息、动态绑定信息。

6.如权利要求5所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法,其特征在于，所述3D场景嵌入器扫描2D数据采集与监视控制画面内的3D控件，当存在3D对象时加载对应的XML文件。

7.如权利要求6所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑方法,其特征在于，所述3D数据采集与监视控制系统当存在3D对象时切换成DirectX渲染3D画面，屏蔽原有的Direct2D渲染方式，将3D对象的XML画面导入到Irrlicht引擎中，并且利用Irrlicht引擎进行渲染。

8.一种3D数据采集与监视控制系统,其特征在于，包括：

3D组态化模块，其中3D组态化模块包括3D场景编辑器和3D场景嵌入器；

所述3D数据采集与监视控制系统执行权利要求1-7中任意一项所述的方法。

9.如权利要求7所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑系统,其特征在于，所述3D场景编辑器包括：

主场景窗口；

节点窗口，所述节点窗口显示每一个3D对象在主场景中的节点信息，并且提供对所述节点信息的编辑；

属性窗口，所述属性窗口显示每一个3D对象的属性，并提供3D对象的属性编辑以及动态绑定。

10.如权利要求7所述的3D数据采集与监视控制系统的场景编辑系统,其特征在于，所述3D场景嵌入器包括：

3D控件，所述3D控件包括带有摄像头属性和场景XML文件的3D场景。

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