CN113591208B - 一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶数字虚拟辅助设计技术领域，尤其涉及一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法及电子设备。首先采用多文档轻量化显示技术定义适配舰船超大数据量的模型显示数据结构；然后针对舰船模型中船体结构、管路、设备等模型特征，构建与各专业模型相适应的轻量化算法库；最后采用多层次显示方法定义不同精度等级的多套模型，得到模型的分层表达，实现不同精度模型的差异化显示。本发明可适配舰船超大模型数据量特点，解决当前三维软件平台普遍存在的缺乏对大数据模型显示支撑问题，能够对舰船三维场景进行优化显示，有效减轻硬件负荷，以实现舰船超大模型场景实时漫游。

Description

一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法及电子设备

技术领域

本发明涉及船舶数字虚拟辅助设计技术领域，尤其涉及一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法及电子设备。

背景技术

数字样船技术能够使设计人员、工艺人员乃至安装维护人员均可在实物样机制造之前就能够掌握产品的综合性能和可能存在的问题，使数字样机技术融入到产品全生命周期的整个过程中，能够有效减少设计错误和修改频次。

采用并行设计、虚拟设计和基于虚拟现实技术的计算机船舶辅助设计制造是未来数字化造船发展的方向，而对于船舶产品，全船三维数字样船模型体量巨大，原始三角面片数量预计可达20-30亿，远超当前硬件及软件承载水平。

现有的数字样船辅助设计技术存在模型数据量大的问题，对显卡、CPU等硬件要求较高，难以实现全船数据的实时漫游效果；当模型的数据量达到一定程度时，在计算机中操作模型虚拟维修过程将会出现较差的实时性，影响模型的虚拟维修过程仿真以及干涉检查；在舰船产品设计过程中，不同专业往往需要进行协同设计，不同专业对大模型进行技术协调，当模型数据量很大时，将影响模型协调显示，影响协同设计的顺利进行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法及电子设备，能够高效的实现舰船模型轻量化显示，提升硬件对大模型的显示支持能力，适配舰船超大模型数据量特点，有效减少舰船虚拟仿真系统部署对硬件的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，所述方法具体包括：

A、多文档轻量化数据结构定义，具体为采用多文档结构的形式定义舰船产品设计模型，将产品设计模型的结构信息文件与模型文件分开存放，并建立关联矩阵，将结构信息文件与模型文件进行关联；

B、适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库构建，具体为依据舰船模型中船体薄板模型、加强筋模型、管路模型、附属设备模型的不同特征，构建适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库，通过读取模型的属性信息，并在所述模型轻量化算法库中选择对应的轻量化算法进行模型轻量化处理，生成对应的轻量化模型；

C、基于多层次模型的轻量化显示，具体为采用八叉树算法对空间进行八叉树划分，并将划分后的体素空间分配给具体的物体模型，依据所述模型轻量化算法库，对应不同八叉树叶节点层次进行轻量化处理，实现对应不同分辨率的模型构建，根据用户视点位置，选择不同分辨率模型进行显示。

进一步的，所述结构信息文件记录产品的结构树信息和属性信息，所述结构树信息至少包括：模型名称、结构树下下级模型相对路径、相对变换矩阵、几何显示属性，所述属性信息至少包括：产品的重量、面积、体积、重量单位、产品代号、阶段标记。

进一步的，所述模型文件记录经过轻量化处理后的模型数据信息，具体为该模型在自身物体坐标系下的显示信息，包括用于快速显示的三角网格数据和用于表示轮廓点和轮廓边的特征点和特征边信息。

进一步的，所述船体薄板模型、加强筋模型、管路模型属于规则模型，所述规则模型通过提取模型的特征，并对规则模型进行参数化重新建模，实现模型的轻量化，具体步骤如下：

1)提取规则模型特征参数，生成新的参数曲线；

2)创建三角形面片构建完成草图截面；

3)对草图上创建的截面进行拉伸、旋转和扫描等操作创建三维几何模型。

进一步的，所述附属设备模型于不规则模型，所述不规则模型采用顶点聚合算法，对模型进行轻量化处理，实现模型的轻量化，具体步骤如下：

S1、将模型分为多个顶点簇,每个簇内包含若干个顶点；

S2、建立包围盒将原始模型包围；

S3、把包围盒均匀划分为若干个区域,使原始模型的顶点全部落在区域内；

S4、将把簇内的顶点合并,进而删除与被合并顶点相关联的三角形面片；

S5、根据最新生成的顶点生成得到简化模型。

进一步的，所述八叉树算法，具体步骤如下：

S1、设定最大递归深度。

S2、找出场景的最大尺寸，并以此尺寸建立第一个立方体。

S3、依序将单位元素丢入能被包含且没有子节点的立方体。

S4、若没达到最大递归深度，就进行细分八等份，再将该立方体所装的单位元元素全部分担给八个子立方体。

S5、若发现子立方体所分配到的单元元素数量不为零且跟父立方体是一样的，则该子立方体停止细分，因为跟据空间分割理论，细分的空间所得到的分配必定较少，若是一样数目，则再怎么切数目还是一样，会造成无穷切割的情形。

S6、重复步骤S3，直到达到最大递归深度。

进一步的，所述选择不同分辨率模型进行显示，具体为驱动不同细节层次的轻量化模型切换显示，包括可见距离控制和可见像素控制两种切换显示类型。

进一步的，所述可见距离指模型表面到用户视点的距离，所述可见距离控制具体为：当模型表面到用户视点的距离不超过预设可见距离时，则显示轻量化模型的当层细节；当模型表面到用户视点的距离超过预设可见距离时，则显示轻量化模型的下一层细节。

进一步的，所述可见像素指模型在屏幕上的显示尺寸，所述可见像素基于模型的大小、屏幕长宽比、屏幕像素数推算得出，所述可见像素控制具体为：当可见像素不超过预设可见像素时，则显示轻量化模型的当层细节；当可见像素超过预设可见像素时，则显示轻量化模型的下一层细节。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1、采用多文档结构的形式定义舰船产品设计模型，将产品设计模型的结构信息文件与模型文件分开存放，并建立关联矩阵，将结构信息文件与模型文件进行关联，实现在不丢失结构信息的情况下对模型文件的轻量化处理，从而适配舰船超大数据量模型特点，使舰船模型满足大场景漫游、虚拟维修等使用场景的需求。

2、基于舰船模型中船体薄板模型、加强筋模型、管路模型、附属设备模型的不同特征，构建舰船多专业模型的轻量化算法库，通过读取模型的属性信息，在轻量化算法模型库中选择对应的简化算法进行模型轻量化处理，得到不同精度的模型，可以显著提高舰船模型轻量化处理的效率，降低模型处理的硬件要求。

3、基于多层次模型的轻量化显示算法对模型实现分层显示，可将复杂的高精度模型简化成不同等级的低精度模型，根据用户视点位置，选择不同精度模型显示，有效减轻模型显示的硬件负荷，提升硬件环境对全船超大模型的支撑能力。

附图说明

图1为本发明多文档轻量化数据结构定义逻辑示意图；

图2为本发明适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库示意图；

图3为本发明船体薄板模型轻量化处理前后效果对比图；

图4为本发明船体薄板模型轻量化处理前后效果对比图；

图5为本发明附属设备模型轻量化算法示意图；

图6为本发明附属设备模型轻量化处理前后效果对比图；

图7为本发明近距离范围(5m)内模型显示情况示意图；

图8为本发明较远距离范围(15m)模型显示情况示意图；

图9为本发明远距离范围(45m)的模型显示情况示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

实施例一，根据本发明实施的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，所述方法具体包括：

A、多文档轻量化数据结构定义，如图1所示，具体为采用多文档结构的形式定义舰船产品设计模型，将产品设计模型的结构信息文件与模型文件分开存放，并建立关联矩阵，将结构信息文件与模型文件进行关联。实现在不丢失结构信息的情况下对模型文件的轻量化处理，不改变优化后模型的结构树信息及属性信息。

所述结构信息文件记录产品的结构树信息和属性信息，具体为下级子模型的结构树信息以及相关属性信息，包括模型名称、结构树下下级模型相对路径、相对变换矩阵、几何显示属性等；所述结构信息文件还对原始模型中的属性信息进行了提取，包括产品的重量、面积、体积、重量单位等物理属性以及产品代号、阶段标记等类似的用户自定义属性。

由于结构信息文件中并没有任何的模型数据信息，其数据量并不大，因此可以保持较小的文件体积。

所述模型文件记录经过轻量化处理后的模型数据信息，具体为该模型在自身物体坐标系下的显示信息，包括用于快速显示的三角网格数据和用于表示轮廓点和轮廓边的特征点和特征边信息。

进一步的，所述结构信息文件结合模型文件就可以进行产品模型的快速显示和交互，从而适配舰船超大数据量模型特点，使舰船模型满足大场景漫游、虚拟维修等使用场景需求。

B、适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库构建，如图2所示，具体为依据舰船模型中船体薄板模型、加强筋模型、管路模型、附属设备模型的不同特征，构建适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库，通过读取模型的属性信息，并在所述模型轻量化算法库中选择对应的轻量化算法进行模型轻量化处理，生成对应的轻量化模型。

所述船体薄板模型、加强筋模型、管路模型属于规则模型，所述规则模型具有一定的规则属性，可依据所述规则属性定制模型简化算法，通过提取规则模型的关键特征，对规则模型进行参数化重新建模，生成轻量化模型。

以船体薄板模型为例，所述模型简化算法主要步骤如下：

S1、提取特征参数，生成新的参数曲线。

船体薄板一般由正面、反面，以及侧面三部分组成。正面和反面是对称相同的，侧面的厚度比较小，连接正面和反面。

正面或反面都是由折线段和圆弧段组成的。通过控制折线段或圆弧段的疏密程度，也就是组成模型的顶点的个数增加或减少，进而达到控制组成模型的三角形面片数的简化操作。

折线段减点方法主要依据垂直距离进行简化，将点与线段之间的距离作为判断依据，对于每一个顶点V_i，需要计算它与线段[V_(i-1),V_(i+1)]的垂直距离，距离壁给定误差小的点将被移除。

而圆弧段则是根据组成它的顶点集合计算出圆弧段的方程表达式(包含圆心顶点，圆弧半径，以及圆弧的起始角度和终止角度)。再通过简化程度参数，重新通过圆弧方程计算出新的圆弧顶点集合(比如把圆弧均分成15份或者10份)。

S2、创建三角形面片构成的草图截面

经过上面的顶点简化操作之后，得到一组新的折线段和圆弧段。再对闭合的曲线段(由折线段和圆弧段构成)通过三角剖分操作，如图3所示，创建草图截面(三角形面片组成)，也就是薄板的正面创建成功。

S3、对草图截面进行拉伸操作，得到新的三维几何体模型

将薄板的正面向它的面法线方向平移一个固定距离复制一个新的面，也就是薄板的反面。再将正面和反面所有对应的顶点相连，构成一组矩形集合，将每个矩形沿对角线划分成两个三角形，得到的三角形集合就是薄板的侧面。这样重新构造的薄板的正面、反面、侧面加起来组成了简化后的新几何体模型。

本实例的船体薄板模型轻量化处理后的效果，如图4所示。

进一步的，所述附属设备模型于不规则模型，所述不规则模型不具备通用规则属性，采用顶点聚合算法，对模型进行轻量化处理，得到轻量化模型，如图5所示，其主要步骤如下：

1)将模型分为多个顶点簇,每个簇内包含若干个顶点；

2)建立包围盒将原始模型包围；

3)把包围盒均匀划分为若干个区域,使原始模型的顶点全部落在区域内；

4)将把簇内的顶点合并,进而删除与被合并顶点相关联的三角形面片；

5)根据最新生成的顶点生成得到简化模型。

本实例的附属设备模型轻量化处理后的效果，如图6所示。

C、基于多层次模型的轻量化显示，具体为采用八叉树算法对空间进行八叉树划分，并将划分后的体素空间分配给具体的物体模型，依据所述模型轻量化算法库，对应不同八叉树叶节点层次进行轻量化处理，实现对应不同分辨率的模型构建，根据用户视点位置，选择不同分辨率模型进行显示，以有效提升对大模型的显示支撑能力。

进一步的，基于多层次模型的显示算法对模型实现分层显示，可将复杂的高精度模型简化成不同等级的低精度模型，实现的大致流程如下：

S1、将空间进行八叉树划分

空间八叉树算法是一个空间非均匀网格剖分算法，该划分方法将含有整个场景的空间立方体按三个方向分割成八个子立方体网格，组织成一棵八叉树。八叉树是一种用于描述三维空间的树状数据结构。八叉树的每个节点表示一个正方体的体积元素，每个节点有八个子节点，这八个子节点所表示的体积元素加在一起就等于父节点的体积。一般中心点作为节点的分叉中心。

实现八叉树的原理：

1)设定最大递归深度。

2)找出场景的最大尺寸，并以此尺寸建立第一个立方体。

3)依序将单位元素丢入能被包含且没有子节点的立方体。

4)若没达到最大递归深度，就进行细分八等份，再将该立方体所装的单位元元素全部分担给八个子立方体。

5)若发现子立方体所分配到的单元元素数量不为零且跟父立方体是一样的，则该子立方体停止细分，因为跟据空间分割理论，细分的空间所得到的分配必定较少，若是一样数目，则再怎么切数目还是一样，会造成无穷切割的情形。

6)重复3，直到达到最大递归深度。

针对舰船超大三维模型特点，可设定最大递归深度n，自动计算分层模型。

本实例中，选定n为9，则划分9个等级，在三维场景中5m场景范围内的模型是最高精度的原始模型，超过1500m的模型就默认为不可见模型，场景范围临界值与模型层级关系如下表：

模型层级	场景范围临界值
		0	5m
1	15m
		2	45m
3	100m
		4	200m
5	500m
		6	700m
7	1000m
		8	1500m

S2、将划分后的体素分配给具体的物体模型

驱动不同层次细节的切换的方式有可见距离和可见像素控制两种类型。

1)可见距离

可见距离描述模型表面距离用户视点的距离，一般描述的是该层细节在达到某个距离时可见，即在超过某个距离后开始加载它的下层。它描述了一个场景层次的切换点，在达到该点时，切换下一层的细节。

当用户视点模型越近时，越向下驱动显示层次，直到驱动到最后一层；同时距离越近，模型本身可显示部分也会随之减少，加载精细模型本身的消耗也就不会太高了。

本实例中，将模型最大递归深度定位9，即将分层模型划分为9个等级。场景范围临界最小值是5m，也就是说，当用户视角距离模型物体5m范围以内时，范围内的模型都是以原始状态显示(即0级最高精度模型)。大于5m小于15m范围的模型以1级(即次高精度模型)显示。

2)可见像素

可见像素描述的是模型在屏幕上的显示尺寸，通常是一个推算值，基于物体的大小(如包围盒/包围球)、相机的广角、相机的距离，屏幕长宽比，屏幕像素数，来推算出在当前用户视点设置下，模型位于当前距离的屏幕显示像素数。

当模型推算出在屏幕上显示的像素达到某个值时，开始切换下一层细节。

进一步的，用户在场景中漫游过程中，多分层模型同步计算，根据距离远近选择对应级别的多分层模型进行显示，比如当距离用户当前视角5m范围内的模型显示精度最高，距离用户当前视角1500m以上的模型显示精度最低。

当用户距离减速齿轮装置设备较近的时候(例如5m)，减速齿轮装置模型显示效果如图7所示；

当用户距离减速齿轮装置设备较远(例如15m)的时候，减速齿轮装置模型显示效果如图8所示；

当用户距离减速齿轮装置设备很远(例如45m)的时候，减速齿轮装置模型显示效果如图9所示；

当用户距离减速齿轮装置设备非常远(例如大于1000m)时，减速齿轮装置模型几乎为不可见状态。

经测试，在相同硬件环境下，开启和不开启多层次显示算法的时候，显示帧率有明显变化，测试结果如下表：

由此可见，基于多层次模型的轻量化显示算法的应用，能够有效降低GPU的负荷，在显示5000万以上三角形面片数量的典型舱段数字样舰船模型时，显示帧率能够稳定在22FPS以上。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的所有方法步骤或部分方法步骤。

实施例二，本实施例的原理和技术方案与实施例一基本相同，其不同之处在于：所述多文档轻量化数据结构定义，采用了多文档轻量化显示技术定义适配舰船超大数据量的模型显示数据结构，具体为采用多文档结构的形式定义产品结构树信息、模型数据信息、属性信息和关联矩阵，实现在不丢失结构信息的情况下对模型文件的轻量化处理，从而适配舰船超大数据量模型特点，满足大场景漫游、虚拟维修等使用场景需求，为后续船舶产品的设计过程中的协同设计、设计成果验证提供三维场景环境支撑。

实施例三，本实施例的原理和技术方案与实施例一基本相同，其不同之处在于：所述适配舰船多专业特征的轻量化算法库构建，具体为依据船体薄板、加强筋、管路、设备等不同模型特征，构建舰船多专业模型的轻量化算法库；对模型进行简化处理时，通过读取模型的属性信息，在轻量化算法模型库中选择对应的简化算法来进行模型轻量化处理，从而得到不同精度的模型，可以显著提高舰船模型轻量化处理的效率，降低模型处理的(CPU)硬件要求。

实施例四，本实施例的原理和技术方案与实施例一基本相同，其不同之处在于：所述基于多层次模型的轻量化显示，具体为采用多层次显示方法定义不同精度等级的多套模型，得到模型的分层表达，将复杂的高精度模型简化成不同等级的低精度模型，根据用户视点位置，选择不同精度模型显示，有效减轻模型显示的(GPU)硬件负荷，提升硬件环境对全船超大模型的支撑能力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于，所述方法具体包括：

A、多文档轻量化数据结构定义，具体为采用多文档结构的形式定义舰船产品设计模型，将产品设计模型的结构信息文件与模型文件分开存放，并建立关联矩阵，将结构信息文件与模型文件进行关联；

B、适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库构建，具体为依据舰船模型中船体薄板模型、加强筋模型、管路模型、附属设备模型的不同特征，构建适配舰船多专业特征的模型轻量化算法库，通过读取模型的属性信息，并在所述模型轻量化算法库中选择对应的轻量化算法进行模型轻量化处理，生成对应的轻量化模型；

C、基于多层次模型的轻量化显示，具体为采用八叉树算法对空间进行八叉树划分，并将划分后的体素空间分配给具体的物体模型，依据所述模型轻量化算法库，对应不同八叉树叶节点层次进行轻量化处理，实现对应不同分辨率的模型构建，根据用户视点位置，选择不同分辨率模型进行显示；

所述船体薄板模型、加强筋模型、管路模型属于规则模型，所述规则模型通过提取模型的特征，并对规则模型进行参数化重新建模，实现模型的轻量化，具体步骤如下：

1）提取规则模型特征参数，生成新的参数曲线；

2）创建三角形面片构建完成草图截面；

3）对草图上创建的截面进行拉伸、旋转和扫描操作创建三维几何模型；

所述附属设备模型属于不规则模型，所述不规则模型采用顶点聚合算法，对模型进行轻量化处理，实现模型的轻量化，具体步骤如下：

S1、将模型分为多个顶点簇,每个簇内包含若干个顶点；

S2、建立包围盒将原始模型包围；

S3、把包围盒均匀划分为若干个区域,使原始模型的顶点全部落在区域内；

S4、将把簇内的顶点合并,进而删除与被合并顶点相关联的三角形面片；

S5、根据最新生成的顶点生成得到简化模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于，所述结构信息文件记录产品的结构树信息和属性信息，所述结构树信息至少包括：模型名称、结构树下下级模型相对路径、相对变换矩阵、几何显示属性，所述属性信息至少包括：产品的重量、面积、体积、重量单位、产品代号、阶段标记。

3.根据权利要求1所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于：所述模型文件记录经过轻量化处理后的模型数据信息，具体为该模型在自身物体坐标系下的显示信息，包括用于快速显示的三角网格数据和用于表示轮廓点和轮廓边的特征点和特征边信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于，所述八叉树算法，具体步骤如下：

S1、设定最大递归深度；

S2、找出场景的最大尺寸，并以此尺寸建立第一个立方体；

S3、依序将单位元素丢入能被包含且没有子节点的立方体；

S4、若没达到最大递归深度，就进行细分八等份，再将该立方体所装的单位元元素全部分担给八个子立方体；

S5、若发现子立方体所分配到的单元元素数量不为零且跟父立方体是一样的，则该子立方体停止细分，因为跟据空间分割理论，细分的空间所得到的分配必定较少，若是一样数目，则再怎么切数目还是一样，会造成无穷切割的情形；

S6、重复步骤S3，直到达到最大递归深度。

5.根据权利要求1所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于，所述选择不同分辨率模型进行显示，具体为驱动不同细节层次的轻量化模型切换显示，包括可见距离控制和可见像素控制两种切换显示类型。

6.根据权利要求5所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于，所述可见距离指模型表面到用户视点的距离，所述可见距离控制具体为：当模型表面到用户视点的距离不超过预设可见距离时，则显示轻量化模型的当层细节；当模型表面到用户视点的距离超过预设可见距离时，则显示轻量化模型的下一层细节。

7.根据权利要求5所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法，其特征在于，所述可见像素指模型在屏幕上的显示尺寸，所述可见像素基于模型的大小、屏幕长宽比、屏幕像素数推算得出，所述可见像素控制具体为：当可见像素不超过预设可见像素时，则显示轻量化模型的当层细节；当可见像素超过预设可见像素时，则显示轻量化模型的下一层细节。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的一种基于舰船特征提取的超大模型轻量化方法。