CN115221580A - 一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法 - Google Patents

一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，该方法包括以下步骤：步骤1：构建建筑信息存储节点InfoNode，用以存储对应建筑和对应楼层的相关信息；步骤2：构建建筑的外部结构生成节点FacadeGenerator与内部结构生成节点InnerGenerator；步骤3：构建纹理生成节点并基于纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库；步骤4：获取园区建筑平面图像中各个建筑的位置信息与形状信息；步骤5：获取各建筑的基本信息，并为各个楼宇添加建筑信息存储节点存储园区各建筑的基本信息，以方便后续开发；步骤6：构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型。与现有技术相比，本发明具有缩短开发周期、减少开发成本以及推进智慧园区的数字化进程等优点。

Description

一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法
技术领域
本发明涉及数字孪生数据处理技术领域，尤其是涉及一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法。
背景技术
数字孪生是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
具体的，园区数字孪生是指在园区管理的应用场景中，为了更加直观清晰地展示园区内实体建筑的空间布局结构，当前园区的安全、消防以及其他的物联网系统状态，依托三维引擎构建的一个能实时反应园区状态的可视化模型。
基于此，在园区数字孪生构建过程中，整个园区建筑的三维模型是智慧园区数字孪生的基础，类似现实中的地图，可以更形象更准确的表明各个物联网系统的位置关系。目前常用的建模手段主要为基于BIM数据的建模、卫星图像与GIS系统相结合的建模、基于无人机倾斜摄影的建模以及人工建模。
其中基于BIM数据建模构建数字孪生园区的真实还原度较好，二次开发成本较低，但是BIM系统本身成本比较高，并且普及率有待提高；基于卫星图像与GIS系统的建模方式，数据更新较慢，且构建出的模型仍然需要人工处理才可用于构建园区数字孪生，二次开发成本较高并且模型颗粒度为建筑层面，无法支持智慧园区要求的精细化模型；基于倾斜摄影的建模，情况与卫星图像结合GIS系统类似，但可以较快的更新，但是同样每次更新都会需要大量的人工处理。人工建模能够构建出真实度高，颗粒度满足园区数字孪生需求的建筑模型，但是人工建模时间不仅周期长，成本高，且可复制性低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：构建建筑信息存储节点InfoNode，用以存储对应建筑和对应楼层的相关信息；
步骤2：构建建筑的外部结构生成节点FacadeGenerator与内部结构生成节点InnerGenerator；
步骤3：构建纹理生成节点并基于纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库；
步骤4：获取园区建筑平面图像中各个建筑的位置信息与形状信息；
步骤5：获取各建筑的基本信息，并为各个楼宇添加建筑信息存储节点存储园区各建筑的基本信息；
步骤6：构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型。
所述的步骤1中，基于Godot引擎的Node节点构建建筑信息存储节点InfoNode。
所述的步骤2中，基于Godot引擎的Spatial、ArrayMesh和SpatialMaterial节点结合园区建筑生成算法分别构建建筑的外部结构生成节点FacadeGenerator与内部结构生成节点InnerGenerator。
所述的步骤3中，构建纹理生成节点并基于纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库地过程具体为：
基于Godot引擎的SpatialMaterial和Texture节点通过配置可调整参数构建符合项目需求的建筑纹理mat，并保持纹理在水平方向上无损拉伸，以得到可复用的建筑纹理库，所述的可调整参数包括纹理贴图、Albedo、Diffus、Reflection和Shader。
所述的纹理生成节点包括外立面纹理生成节点与建筑内部纹理生成节点，所述的可复用的建筑纹理库包括可复用的建筑外立面纹理库和可复用的建筑内部纹理库，且基于外立面纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库，基于建筑内部纹理生成节点构建可复用的建筑内部纹理库。
所述的步骤4中，获取园区建筑平面图像中各个建筑的位置信息和形状信息的过程具体为：
绘制园区建筑平面图像，采用矩形描述建筑位置信息，或采用CAD图纸/BIM模型替代，或基于机器识别获取纸质图纸上的建筑边缘，优化后获得各个建筑的位置信息pos(x,y)与形状信息rect[n]，其中，x为建筑的x坐标，y为建筑的y坐标，n表示n个顶点，指的是数组内n个顶点信息，用以描述形状。
所述的步骤5中，各建筑的基本信息包括建筑IDbid、楼层数floor、层高h、公司数以及公司名称。
所述的步骤6中，构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型的过程具体为：
基于建筑的形状信息与基本信息采用外部结构生成节点生成三维楼层模型，选取建筑纹理库中的建筑纹理mat对三维楼层模型进行纹理贴图，得到目标楼层虚拟模型
Figure BDA0003701325020000031
并挂载在Godot引擎的Node节点下，通过读取建筑信息存储节点InfoNode中的建筑ID bid和楼层数floor，构建出每幢楼的三维楼层模型
Figure BDA0003701325020000032
其中，m为第m层，Pos(a,b,c)为Vector3的三维向量，a＝0为x坐标，b＝0为y坐标，c＝h*m为高度，采用园区建筑生成算法动态调整Godot引擎的SceneTree结构，构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型
Figure BDA0003701325020000033
其中，p为建筑ID数量。
当构建楼层内级别的数字孪生建筑模型时，该方法还包括以下步骤：
步骤7：获取楼层内部墙体平面图像，并确定楼层内部墙体平面图像中所有墙体的位置信息wallpos[q]，其中，q表示有q个顶点的数组信息；
步骤8：基于建筑内部结构生成节点InnerGenerator与建筑内部墙体的位置信息wallpos[q]生成每个楼层的内部墙体模型
Figure BDA0003701325020000034
并构建二维坐标平面xO(bid,floor)y；
步骤9：将每个楼层的内部墙体模型meshdetail(bid,floor)与目标楼层虚拟模型meshunit(bid,floor)通过建筑ID bid与楼层floor对应连接，获得至此园区内所有建筑的楼层级别的可交互模型以及与可交互模型对应的三维坐标系
Figure BDA0003701325020000035
所述的步骤9中，三维坐标系
Figure BDA0003701325020000036
用以实现建筑的传感器通过三维坐标系
Figure BDA0003701325020000041
快速在智慧园区数字孪生应用中构建。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1、本发明基于开源的Godot引擎，在各种建模方式中找到一个平衡点，在保证智慧园区数字孪生要求精度的前提下，适当的妥协建筑真实还原度，缩短开发周期，减少开发成本，推进智慧园区的数字化进程，解决了当前智慧园区数字孪生构建过程中在基础建筑模型信息化就遇到了开发周期长和开发成本高的问题；
2、本发明在进行虚拟建筑生成时采用用人工制作可复用的材质贴图提高虚拟建筑表现力，利用统一的数据结构，借助Godot引擎构建智慧园区数字孪生应用，不仅能够快速构建出园区级别的虚拟建筑，还能够使得构建出的虚拟建筑的颗粒度保证智慧园区其他物联网项目接入的可能性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供了一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，以提高智慧园区虚拟建筑的生成效率，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于Godot引擎的Node节点，构建建筑信息存储节点InfoNode，用以存储对应建筑和对应楼层的相关信息；
步骤2：基于Godot引擎的Spatial、ArrayMesh和SpatialMaterial节点结合模型的生成算法分别构建建筑的外部结构生成节点FacadeGenerator与内部结构生成节点InnerGenerator；
步骤3：基于Godot引擎的SpatialMaterial和Texture节点，通过配置可调整参数(包括纹理贴图、Albedo、Diffus、Reflection和Shader)构建符合项目需求的建筑纹理mat，并保持纹理在水平方向上无损拉伸，尽可能的复用纹理，以支持更多的建筑结构，在方便项目拓展时复用。
步骤4：人工绘制园区建筑俯视图，采用矩形描述建筑位置信息，或采用CAD图纸/BIM模型替代，也可基于机器识别获取纸质图纸上的建筑边缘，优化后获得各个建筑的位置信息pos(x,y)与形状信息rect[n]；
步骤5：为各个楼宇添加建筑信息存储节点InfoNode，以存储园区各建筑的基本信息，方便后续开发，基本信息包括建筑IDbid、与楼层floor、层高h、公司数以及公司名称；
步骤6：基于建筑的形状信息与基本信息采用外部结构生成节点生成三维楼层模型，选取建筑纹理库中的建筑纹理mat对三维楼层模型进行纹理贴图，得到目标楼层虚拟模型
Figure BDA0003701325020000051
并挂载在Godot引擎的Node节点下，通过读取建筑信息存储节点InfoNode中的建筑ID bid和楼层数floor，构建出每幢楼的三维楼层模型
Figure BDA0003701325020000052
其中，m为第m层，采用园区建筑生成算法动态调整Godot引擎的SceneTree结构，构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型
Figure BDA0003701325020000053
其中，p为建筑ID数量；
步骤7：若需要精度更高的楼层内级别的数字孪生建筑模型，获取楼层内部墙体平面图像，并确定平面图像中所有墙体的位置信息wallpos[q]；
步骤8：采用建筑内部结构生成节点InnerGenerator与建筑内部墙体的位置信息构建每个楼层的内部墙体模型
Figure BDA0003701325020000054
构建二维坐标平面xO(bid,floor)y，并将meshdetail(bid,floor)与meshunit(bid,floor)连接，通过建筑IDbid与楼层floor对应起来，即基于各个园区建筑的位置信息构建三维园区建筑模型，为智慧园区数字孪生应用提供模型基础；
步骤9：完成园区内所有建筑的楼层级别的可交互模型以及与模型对应的三维坐标系
Figure BDA0003701325020000055
的构建后，后续例如消防、电力和人防等传感器通过三维坐标系
Figure BDA0003701325020000056
快速在智慧园区数字孪生应用中构建。
本发明通过改变步骤3和步骤4的输入即可适用于不同的园区，以实现快速构建出各自园区可供用的数字孪生应用开发虚拟建筑模型。
本发明在保证为智慧园区中其他物联网系统提供三维可交互建筑的前提下，还能够缩短开发周期，降低开发成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：构建建筑信息存储节点InfoNode，用以存储对应建筑和对应楼层的相关信息；
步骤2：构建建筑的外部结构生成节点FacadeGenerator与内部结构生成节点InnerGenerator；
步骤3：构建纹理生成节点并基于纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库；
步骤4：获取园区建筑平面图像中各个建筑的位置信息与形状信息；
步骤5：获取各建筑的基本信息，并为各个楼宇添加建筑信息存储节点存储园区各建筑的基本信息；
步骤6：构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤1中，基于Godot引擎的Node节点构建建筑信息存储节点InfoNode。
3.根据权利要求1所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤2中，基于Godot引擎的Spatial、ArrayMesh和SpatialMaterial节点结合园区建筑生成算法分别构建建筑的外部结构生成节点FacadeGenerator与内部结构生成节点InnerGenerator。
4.根据权利要求1所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤3中，构建纹理生成节点并基于纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库地过程具体为：
基于Godot引擎的SpatialMaterial和Texture节点通过配置可调整参数构建符合项目需求的建筑纹理mat，并保持纹理在水平方向上无损拉伸，以得到可复用的建筑纹理库，所述的可调整参数包括纹理贴图、Albedo、Diffus、Reflection和Shader。
5.根据权利要求4所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的纹理生成节点包括外立面纹理生成节点与建筑内部纹理生成节点，所述的可复用的建筑纹理库包括可复用的建筑外立面纹理库和可复用的建筑内部纹理库，且基于外立面纹理生成节点构建可复用的建筑纹理库，基于建筑内部纹理生成节点构建可复用的建筑内部纹理库。
6.根据权利要求5所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤4中，获取园区建筑平面图像中各个建筑的位置信息和形状信息的过程具体为：
绘制园区建筑平面图像，采用矩形描述建筑位置信息，或采用CAD图纸/BIM模型替代，或基于机器识别获取纸质图纸上的建筑边缘，优化后获得各个建筑的位置信息pos(x,y)与形状信息rect[n]，其中，x为建筑的x坐标，y为建筑的y坐标，n表示n个顶点，指的是数组内n个顶点信息，用以描述形状。
7.根据权利要求6所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤5中，各建筑的基本信息包括建筑ID bid、楼层数floor、层高h、公司数以及公司名称。
8.根据权利要求7所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤6中，构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型的过程具体为：
基于建筑的形状信息与基本信息采用外部结构生成节点生成三维楼层模型，选取建筑纹理库中的建筑纹理mat对三维楼层模型进行纹理贴图，得到目标楼层虚拟模型
Figure FDA0003701325010000021
并挂载在Godot引擎的Node节点下，通过读取建筑信息存储节点InfoNode中的建筑ID bid和楼层数floor，构建出每幢楼的三维楼层模型
Figure FDA0003701325010000022
其中，m为第m层，Pos(a,b,c)为Vector3的三维向量，a＝0为x坐标，b＝0为y坐标，c＝h*m为高度，采用园区建筑生成算法动态调整Godot引擎的SceneTree结构，构建颗粒度为楼宇的可用于智慧园区数字孪生应用二次开发的园区模型
Figure FDA0003701325010000023
其中，p为建筑ID数量。
9.根据权利要求1所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，当构建楼层内级别的数字孪生建筑模型时，该方法还包括以下步骤：
步骤7：获取楼层内部墙体平面图像，并确定楼层内部墙体平面图像中所有墙体的位置信息wallpos[q]，其中，q表示有q个顶点的数组信息；
步骤8：基于建筑内部结构生成节点InnerGenerator与建筑内部墙体的位置信息wallpos[q]生成每个楼层的内部墙体模型
Figure FDA0003701325010000031
并构建二维坐标平面xO(bid,floor)y；
步骤9：将每个楼层的内部墙体模型meshdetail(bid,floor)与目标楼层虚拟模型meshunit(bid,floor)通过建筑ID bid与楼层floor对应连接，获得至此园区内所有建筑的楼层级别的可交互模型以及与可交互模型对应的三维坐标系
Figure FDA0003701325010000032
10.根据权利要求9所述的一种基于Godot的园区数字孪生建筑模型构建方法，其特征在于，所述的步骤9中，三维坐标系
Figure FDA0003701325010000033
用以实现建筑的传感器通过三维坐标系
Figure FDA0003701325010000034
快速在智慧园区数字孪生应用中构建。
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