CN114820964A - 一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法和系统。本发明通过全球三维地图为基底，对目标场景中的建筑物、机电设备、物品等进行三维建模，并导入到Unreal Engine引擎中，根据地理空间物理位置对场景装配；基于目标地区实际地理位置的经纬度坐标，通过RESTAPI实时获取场景地区的天气详情并进行格式转换，进而对UnrealEngine中大气与云，定向光源，指数级高度雾，粒子系统等系统组件的参数化设置，达到将太阳光照、风云、雨雪等天气环境场景实时参数化高保真地映射到Unreal Engine引擎的天气场景中的效果，实现数字孪生实时天气场景构建的同时给予用户一种场景沉浸式的体验，确保数字孪生应用天气场景映射的实时性、准确性和体验性。

Description

一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法和 系统

技术领域

本发明涉及三维数字孪生应用技术，特别涉及一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法和系统。

背景技术

在三维数字孪生应用天气场景制作中，现有的解决方案通常有两种做法。第一种是在应用系统中通过RESTAPI获取天气、温度、风速、风向等信息，然后通过文字信息的方式进行表示。第二种是在系统进行预先天气模式设置如晴、雾、雨、雪等，然后在三维场景中进行光照渲染，物理场景模拟。第一种方案存在信息表达上的不足，如雨雪大风天气对环境的影响，路面是否会有积雪，大风是否会影响到高空作业，雾、霾天气能见度有多远，对交通出行影响会是如何等。第二种方案实现了一定程度上的数字孪生天气场景映射，但是仅限于系统预先设置模式且需要人工切换，同时预设模式和实际的天气情况会存在一定的差异，缺乏自动化，缺乏实时性和易用性。

发明内容

为了克服现有数字孪生应用天气场景映射中实时性和用户体验不足的缺陷，本发明提供一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法和系统，本发明基于实际地理位置经纬度坐标，通过RESTAPI实时获取天气预报，将太阳光照、风云、雨雪等天气环境场景实时参数化高保真地映射到Unreal Engine引擎的天气场景中，通过Unreal Engine强大的物理引擎和场景渲染能力，给予用户一种场景沉浸式的体验。

本发明采用的技术方案为：

一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，包括以下步骤：

S1，通过地图数据服务提供商获取全球三维地图；

S2，通过建模软件对目标场景中的建筑物、机电设备、物品等进行三维建模；

S3，将上述建立的三维模型导入到Unreal Engine引擎中，并根据地理空间物理位置布局进行装配；

S4，在Unreal Engine中设置参照地理坐标原点的经纬度，设置时区，调整摄像机视角；

S5，获取场景中地区的天气详情；

S6，对天气详情进行格式转换，根据转换结果进行参数化配置，通过UnrealEngine进行实时场景渲染并显示给终端用户。

进一步地，在步骤S2中，所述三维建模为利用建模软件，如Autodesk Revit，对场景中建筑物进行三维BIM建模，将三维BIM模型从revit格式转换为Datasmith格式；在步骤S3中，将Datasmith模型文件导入到Unreal Engine引擎中，根据三维场景的实际布局情况在Unreal Engine引擎中进行配置。所述Unreal Engine引擎是一款由Epic开发的游戏引擎，引擎采用了目前最新的即时光迹追踪、HDR光照技术、虚拟位移等新技术。

进一步，步骤S5包括以下子步骤：

S51，根据场景应用的实际地区名称，获取其对应的地区编码；

S52，基于S51的结果，通过RESTAPI从气象预报平台获取该地区的天气信息。

进一步，步骤S6包含以下子步骤：

S61，对获取到的天气信息进行参数格式转化，将气象预报平台获取的天气信息转换为Unreal Engine中天空、光照和粒子效果参数，用于高保真的模拟雨、雪、雾等天气场景；

S62，配置Unreal Engine中的天空和天气蓝图；

通过对天气类型，天气强度，天气变化速度设置，实现对大气与云、定向光源、指数级高度雾、粒子系统等系统组件的参数化设置，通过Unreal Engine引擎实现光照渲染，音效处理和物理作用；

S63，经过图形计算处理器实时计算，输出给终端用户；

S64，通过定时任务的模式，循环触发目标地区实时天气获取步骤S5；所述定时任务的模式，是指每隔间隔时间触发目标地区实时天气获取步骤S5；

S65，根据上述步骤目标地区实时天气获取结果，判断天气是否有变化，如果有则进一步触发步骤S61到S63的步骤，实现天气参数化配置更新和Unreal Engine的渲染更新。

本发明还提供一种利用上述基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法的系统，包含场景模型建立模块、模型导入模块、场景构建模块、请求接收模块、三维场景刷新模块、输出模块，其中：

场景模型建立模块，用于场景创建，包含模块自然地理三维模型，重点关注区域人工三维模型；

模型导入模块，用于将上述建立自然地理三维模型和重点关注区域人工三维模型转化为Datasmith模型文件格式，导入到Unreal Engine中；

场景构建模块，用于将场景的视觉中心调整到目标地区，设置为目标区域的时区，经纬度，调整摄像机视角，同时包含模块插件添加子模块。插件添加子模块用于添加天空和天气蓝图插件；

请求接收模块，包含RESTAPI请求子模块、信息处理子模块。RESTAPI请求子模块用于向天气预报服务平台请求目标地区的天气信息，信息处理子模块用于对接受到的天气信息进行格式转换；

三维场景刷新模块，用于将上述格式化后的天气信息对Unreal Engine引擎中的天空、天气蓝图进行详尽的参数配置，激活Unreal Engine视频帧的刷新。同时三维场景刷新模块还包含判断子模块，其用于在启动定时任务获取目标地区的天气预报信息，默认时间间隔可设置为每5分钟，终端用户也可以对该时间间隔进行人工设置，定时任务内容为请求接收模块。如果格式化后的天气信息与之前对比，没有更新则不做变化；如果有变化则需要进一步进行天空、天气蓝图参数化配置，激活Unreal视频帧的刷新；

输出模块，用于将三维场景光照、粒子效果实时渲染图像和音效输出给终端用户。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法和系统，根据天气数据进行实时和具象化的场景映射，同时对特定地区天气变化能够进行实时的同步，无需人工干预，确保数字孪生应用天气场景映射的实时性、准确性和体验性，结合三维地理和工程BIM模型，实现数字孪生场景构建。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法中天气更新的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施例作进一步详细描述。显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部的实施例。所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在对本申请实施例进行进一步详细说明之前，对本申请实施例中涉及的名词和术语进行说明，本申请实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。

1)场景，是泛指具有明确空间位置，时间属性具象化的一种环境，可以是物理环境，也可以是虚拟环境，场景中可以包括天空、陆地、海洋等，该陆地可以包括城市、水系、交通、植被等环境元素。

2)虚拟场景，是指可以是应用程序在终端上运行时显示的虚拟环境，可以是对真实世界的仿真环境，也可以是半仿真半虚构的环境。

3)数字孪生，是指以地理自然、物理世界和人类活动为基础，通过对自然、物理世界和人类活动的全要素，全过程的数字化映射、智能化模拟，实现与自然、物理世界同步仿真运行、虚实交互。

在该实施例中以一个数字孪生水库为例，如图1～图2所示，一种基于UnrealEngine数字孪生实时天气场景构建方法，包括以下步骤：

S1，通过地图数据服务提供商获取全球三维地图，3D地理场景模型准备可以在Unreal Engine中通过Cesium for Unreal获取全球3D Tiles地形模型，地形资产可以选择Cesium ion Assets中的Cesium World Terrain和Bing Map Road imagery进行加载全球地形图和道路；

S2，通过建模软件对目标场景中的建筑物、机电设备、物品等进行三维建模，建模工具利用建模软件Autodesk Revit对场景中水库大坝进行建筑物三维BIM建模，同时包含机电模型、管理用房、闸门、水库坝体及内外部监测仪器仪表等。在Autodesk Revit中通过Unreal Engine中Datasmith的Autodesk Revit导出器将水库Revit三维模型导出为Datasmith格式；

S3，将上述建立的三维模型的Datasmith文件导入到Unreal Engine引擎中，加载Ultra Dynamic Sky和Ultra Dynamic Weather蓝图，进行初始光照和天气设置；将无人机测绘的倾斜摄影数据OSGB模型数据，通过Cesium Lab进行格式转化成3D Tiles模型，进而导入到Unreal Engine中，根据该水库的地理物理位置布局进行装配，同时在UnrealEngine中进行水库上下游以及库区的水体设计，实现地理场景的创建；设置场景中受天气变化的材质影响，启用受雨、雪、温度和阳光影响的材质湿度和饱和度的动态模拟；

S4，在Unreal Engine中设置参照地理坐标原点的经纬度为该水库的经纬度，在Unreal Engine中设置系统时区，调整摄像机视角，将库区以及坝体调整到视野中心位置；

S5，获取场景中地区的天气详情；具体包括以下子步骤：

S51，该实施例选择的是一个开放平台天气服务，根据场景应用的水库的实际地区名称，获取其对应的地区编码，创建该天气服务访问Key，用于接口访问该天气服务鉴权登录；

S52，基于S51结果，在Unreal Engine中通过RESTAPI从上述开放平台获取该水库地区的天气信息；

S6，对上述天气信息进行参数格式转换，根据转换结果进行参数化配置，通过Unreal Engine进行实时场景渲染并显示给终端用户；具体包括以下子步骤：

S61，对获取到的天气信息进行参数格式转化；

S62，配置Unreal Engine中天空和天气蓝图，配置项为天气类型、天气强度、天气变化速度。天气类型项为晴天、多云、少云、阴天、有雾、小雨、中雨、雷暴雨、小雪、中雪、暴风雪，根据上述转化后的天气类型进行设置。天气强度分别为降水量、雨或雪、风力强度和风向，根据上述转化后的天气强度进行设置。启动雨雪粒子系统和粒子碰撞，防止雨雪穿过屋顶或墙壁，同时下雨时产生飞溅粒子；设置音效包括风声、雨声、雷声；设置闪电包括闪电光源颜色、闪电高度，启用闪电光源投射的阴影。天气变化速度包括云量变化速度、天气强度变化速度、雨/雪变化速度、风力强度变化速度，根据默认时间间隔5分钟，作为天气变化时间进行设置，用户可进行自定义，设置符合实际的间隔时间；

S63，通过Unreal Engine引擎实现光照渲染，音效处理和物理作用,经过图形计算处理器实时计算，输出给终端用户；

S64，通过定时任务的模式，定时默认时间间隔为5分钟，每隔5分钟触发目标地区实时天气获取步骤S5，这里的定时默认时间间隔5分钟，用户可进行自定义，设置符合需求的间隔时间；

S65，根据上述步骤目标地区实时天气获取结果，判断天气是否有变化，如果有将进一步触发步骤S61到S63的步骤，实现天气参数化配置更新和Unreal Engine的渲染更新，实现循环持续实时更新的效果。

如图3所示，一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建系统，系统进行了模块化的设计，包含场景模型建立模块10、模型导入模块20、场景构建模块30、请求接收模块40、三维场景刷新模块50、输出模块60，其中：

场景模型建立模块10，用于场景创建，包含模块自然地理三维模型1001，重点关注区域人工三维模型1002，如3D Max模型或者Revit模型；

模型导入模块20，用于将上述建立自然地理三维模型和重点关注区域人工三维模型转化为Datasmith模型文件格式，导入到Unreal Engine中；

场景构建模块30，用于将场景的视觉中心调整到目标地区，设置为目标区域的时区，经纬度，调整摄像机视角，同时包含模块插件添加子模块3001。插件添加子模块用于添加天空和天气蓝图插件；

请求接收模块40，包含RESTAPI请求子模块4001、信息处理子模块4002。RESTAPI请求子模块4001用于向天气预报服务平台请求目标地区的天气信息，信息处理子模块4002用于对接受到的天气信息进行格式转换；

三维场景刷新模块50，用于将上述格式化后的天气信息对Unreal Engine引擎中的天空、天气蓝图进行详尽的参数配置，激活Unreal Engine视频帧的刷新。同时三维场景刷新模块50还包含判断子模块5001，其用于在启动定时任务获取目标地区的天气预报信息，默认时间间隔设置为每5分钟，终端用户也可以对该时间间隔进行人工设置，定时任务内容为请求接收模块40。如果格式化后的天气信息与之前对比，没有更新则不做变化；如果有变化则需要进一步进行天空、天气蓝图参数化配置，激活Unreal Engine视频帧的刷新；

输出模块60，用于将三维场景光照、粒子效果实时渲染图像和音效输出给终端用户。

上述实施例结合附图对本发明进行了描述，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1，通过地图数据服务提供商获取全球三维地图；

S2，通过建模软件对目标场景中的建筑物、机电设备、物品进行三维建模；

S3，将上述建立的三维模型导入到Unreal Engine引擎中，并根据地理空间物理位置布局进行装配；

S4，在Unreal Engine中设置参照地理坐标原点的经纬度，设置时区，调整摄像机视角；

S5，获取场景中地区的天气详情；

S6，对天气详情进行格式转换，根据转换结果进行参数化配置，通过Unreal Engine进行实时场景渲染并显示给终端用户。

2.根据权利要求1所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，其特征在于：在步骤S2中，所述三维建模为利用建模软件对场景中建筑物进行三维BIM建模，将三维BIM模型从revit格式转换为Datasmith格式；在步骤S3中，将Datasmith文件导入到所述Unreal Engine引擎中，根据三维场景的实际布局情况在所述Unreal Engine引擎中进行配置。

3.根据权利要求1所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，其特征在于：所述步骤S5包括以下子步骤：

S51，根据场景应用的实际地区名称，获取其对应的地区编码；

S52，基于S51的结果，通过RESTAPI从气象预报平台获取该地区的天气信息。

4.根据权利要求1所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，其特征在于：所述步骤S6包含以下子步骤：

S61，对获取到的天气信息进行参数格式转化，将气象预报平台获取的天气信息转换为Unreal Engine中天空、光照和粒子效果参数设置，用于高保真模拟雨、雪、雾天气场景；

S62，配置到Unreal Engine中的天空和天气蓝图；

通过对天气类型、天气强度、天气变化速度设置，实现对系统组件包含大气与云、定向光源、指数级高度雾、粒子系统的参数化设置，通过Unreal Engine引擎实现光照渲染，音效处理和物理作用；

S63，经过图形计算处理器实时计算，输出给终端用户；

S64，通过定时任务的模式，循环触发目标地区实时天气获取步骤S5；

S65，根据上述步骤目标地区实时天气获取结果，判断天气是否有变化，如果有则进一步触发步骤S61到S63的步骤，实现天气参数化配置更新和Unreal Engine的渲染更新。

5.根据权利要求4所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，其特征在于：在步骤S64中，所述定时任务的模式，是指每隔间隔时间触发目标地区实时天气获取步骤S5。

6.根据权利要求5所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法，其特征在于：所述间隔时间为默认时间间隔或自定义设置为符合需求的间隔时间。

7.一种利用权利要求1至6任一项所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建方法的系统，其特征在于：它包括：

场景模型建立模块，用于场景创建，包含模块自然地理三维模型，重点关注区域人工三维模型；

模型导入模块，用于将上述建立自然地理三维模型和重点关注区域人工三维模型转化为Datasmith模型文件格式，导入到Unreal Engine中；

场景构建模块，用于将场景的视觉中心调整到目标地区，设置为目标区域的时区，经纬度，调整摄像机视角，同时包含模块插件添加子模块，插件添加子模块用于添加天空和天气蓝图插件；

请求接收模块，包含RESTAPI请求子模块、信息处理子模块；RESTAPI请求子模块用于向天气预报服务平台请求目标地区的天气信息，信息处理子模块用于对接受到的天气信息进行格式转换；

三维场景刷新模块，用于将上述格式化后的天气信息对Unreal Engine引擎中的天空、天气蓝图进行详尽的参数配置，激活Unreal Engine视频帧的刷新；同时三维场景刷新模块还包括判断子模块，用于在启动定时任务获取目标地区的天气预报信息，定时任务内容为请求接收模块；如果格式化后的天气信息与之前对比，没有更新则不做变化；如果有变化则需要进一步进行天空、天气蓝图参数化配置，激活Unreal Engine视频帧的刷新；

输出模块，用于将三维场景光照、粒子效果实时渲染图像和音效输出给终端用户。

8.根据权利要求7所述的基于Unreal Engine数字孪生实时天气场景构建系统，其特征在于：所述定时任务的定时时间间隔默认设置为每5分钟，或由终端用户进行人工设置。

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