CN115329409B - 一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于虚拟仿真领域，具体涉及一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法，包括设定悬链线的基本外形参数并生成初步模型，设置并调整悬链系数，自动化生成悬链线模型并存储等步骤，该方法能够解决需要大量建立符合物理规律的悬链线可视化模型同时保证仿真系统高效运行的问题，可灵活运用于各类包含大量线缆、绳索的仿真场景，基于该方法构建的悬链线模型，严格遵守悬链线自然垂挂的物理规律，为需要逼真表现线缆、绳索垂挂状态的场景的创建效率提供了很好的提升手段，在表现效果优秀的基础上，模型结构简单，适用于大规模渲染，结合图形优化技术，能够满足大型复杂场景的运行效率需求。
Description
技术领域
本发明属于虚拟仿真领域，具体涉及一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法。
背景技术
当下，虚拟现实技术飞速发展，虚拟仿真/虚拟现实技术在专业人员培训、设施建设规划等领域正有着成为主流手段的趋势。其中，建立逼真的、符合客观规律的仿真场景，是实现上述要求的关键内容，而建立场景的效率，将在很大程度上影响着相关内容生产、迭代进步的速度。例如在电力系统、安全教育等领域，在场景中建立大批量的垂挂绳状物体（如电线、链条、绳索）的模型，是关键而又繁复的一项工作，而所需要的建立的这些质地均匀，自然下垂的悬挂物体，在专业领域被划归为“悬链线”。
当前在虚拟场景中建立大量悬链线模型的方法，主要有人工手动建模方法和物理推演方法。其中，人工手动建模方法是依据悬链线悬挂的位置，建模人员参考照片或利用其它方式，手动对每一位置的悬链线在建模软件中进行建模，并划分UV、赋予材质，再将其导入虚拟场景中进行摆放，从而完成场景搭建；而物理推演方法，是在虚拟场景中，利用有限元或铰链方式，将每一条绳索分解为若干相连的区段，并为每一区段赋予物理属性，在程序运行时，利用物理引擎或算法解算每一区段的状态，从而模拟出绳索悬挂自然下垂的特征。
人工手动建模方法主要的缺陷在于：
（1）悬链线形状复杂，非常规圆、椭圆等形状可以表示，手动建模难度大，无法精确表现悬链线的关键特征，导致建模结果不逼真，或需要付出更多的劳动以满足预期要求；
（2）在虚拟场景中含有大量悬链线模型，且模型参数差异较大时，人工建模工作量激增，需针对每一种参数下的模型单独手动建立模型，并伴随着反复的建模工具——仿真引擎之间的文件交换操作，效率低下。
物理推演方法的主要缺陷在于：物理推演方法能够较为精确得解算出悬链线的自然垂挂状态，符合客观规律，但物理解算自身对计算机计算能力存在较大的压力，随着计算精度要求的提高，计算压力也随之增大，当面临场景中包含大量悬链线的情况时，计算机的计算能力将被大量挤占，影响其它关键功能的运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法，该方法运用于虚拟场景进行建模，能够解决需要大量建立符合物理规律的悬链线可视化模型同时保证仿真系统高效运行的问题。
本发明提供了一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法，包括如下步骤：
S1：设定悬链线的基本外形参数，输入悬链线三维模型，构建生成初步模型；
S2：设置并调整悬链系数，将设置并调整后的悬链系数输入悬链线三维模型，获取呈现悬链线模型的大致外形，直至满足期望要求；
S3：基于符合期望要求的大致外形，自动生成悬链线模型并进行存储：
进一步地，所述S1具体包括：
S1-1：在虚拟场景中获取悬链线的起点坐标和终点坐标，并输入悬链线三维模型；
S1-2：设置期望获得的悬链线模型半径，并将其输入悬链线三维模型；
S1-3：设置悬链线周向分段数，并将其输入悬链线三维模型；
S1-4：设置悬链线轴向分段数，并将其输入悬链线三维模型；
S1-5：设置悬链线材质参数，并将其输入悬链线三维模型；
S1-6：基于S1-1至S1-5中设置的悬链线的起点坐标和终点坐标，悬链线模型半径，悬链线周向分段数，悬链线轴向分段数和悬链线材质参数，生成连接悬链线起止点、分段数符合设置条件、材质符合设置要求的不带悬链线曲度的圆柱体三维模型，即初步模型；
S1-7：检查初步模型与期望初步模型的符合程度，重复S1-2至S1-6，至初步模型满足要求。
进一步地，所述S1-5中悬链线材质参数包括颜色、贴图、金属度、光滑度、材质类型中的至少一种。
进一步地，所述S2具体包括：
S2-1：在悬链线方程的合理取值范围内调节悬链线系数a，并输入悬链线三维模型；
S2-2：依据悬链线的基本外形参数和悬链线系数，根据悬链线方程：
解算获得悬链线模型各控制截面圆心坐标；其中，x为控制截面圆心横坐标，y为控制截面圆心纵坐标，a为悬链系数，cosh为双曲余弦函数；
S2-3：依据解算出的各控制截面圆心坐标和基本外形参数，解算悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标；
S2-4：在虚拟场景中将S2-3得出的各控制截面圆形顶点坐标以预览方式显示，呈现悬链线模型的大致外形；
S2-5：观察或测量悬链线模型大致外形是否满足期望要求，若不符合期望，则重复S2-1至S2-4，直至满足期望要求。
进一步地，所述S2-2中解算获得悬链线模型各控制截面圆心坐标的方法采用二分法。
进一步地，所述S2-4中以预览方式显示具体包括点、球体中的至少一种。
进一步地，所述S3具体包括：
S3-1：在确认悬链线模型大致外形符合期望要求后，启动计算机图形学三维模型生成方法，依照悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标绘制各个三角形面片，组成悬链线多边形网格模型；
S3-2：依据各控制截面圆形顶点坐标，计算各分段尺寸，以材质平铺无拉伸为目标，计算各顶点UV坐标并保存；
S3-3：根据悬链线多边形网格模型数据，重新计算悬链线多边形网格模型信息，平滑外观；
S3-4：将S1-5设置的悬链线材质参数赋予悬链线多边形网格模型，使悬链线多边形网格模型具有材质属性，达到期望的外观效果，并以文件形式保存。
进一步地，所述S3-3中的悬链线多边形网格模型信息包括法线、切线和边界中的至少一种。
本发明的虚拟场景中的悬链线快速建模方法，能够解决需要大量建立符合物理规律的悬链线可视化模型同时保证仿真系统高效运行的问题，提高建模效率并降低计算机运行压力，具体的其可以实现：
（1）本发明用于虚拟仿真场景，可灵活运用于各类包含大量线缆、绳索的仿真场景；
（2）基于本发明构建的悬链线模型，严格遵守悬链线自然垂挂的物理规律，为需要逼真表现线缆、绳索垂挂状态的场景的创建效率提供了很好的提升手段；
（3）基于本发明建立的悬链线模型，在表现效果优秀的基础上，模型结构简单，适用于大规模渲染，结合GPU Instancing等优化技术，能够满足大型复杂场景的运行效率需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为虚拟场景中的悬链线快速建模方法实现流程图；
图2为实施例中某组参数设置后的悬链线控制截面圆心位置；
图3为实施例中调整悬链线系数后的悬链线控制截面圆心位置；
图4为实施例中生成的完整悬链线三维模型；
图5为实施例中在完整虚拟场景中构建全部悬链线后的最终状态。
具体实施方式
下面详细说明本发明的具体实施，有必要在此指出的是，以下实施只是用于本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法，其实现流程如附图1所示。本发明提供的用于虚拟场景中的悬链线快速建模方法，用以解决需要大量建立符合物理规律的悬链线可视化模型同时保证仿真系统高效运行的问题，提高建模效率并降低计算机运行压力。
人工手动建模方法在面对参数多变的大量悬链线建模需求时暴露的效率低下的问题，本发明需能够快速应对参数变化，完成模型迭代，并省去建模软件与仿真引擎间文件反复传输迭代的过程，最大程度简化工序，本发明选择在仿真引擎中直接建模，无需建模软件参与的形式，在仿真引擎中，开发对应本发明的工具，可快速编辑各项参数，将原本繁复的工作流程大幅简化，仅需在仿真引擎中进行几项参数设置即可完成全部工作。
物理推演方法中暴露的面对大量悬链线建模需求而导致的性能和效果的冲突问题，本发明找到了能够平衡上述两项指标的方法，采用模型在搭建场景阶段生成的方式解决，即在建模阶段就完成符合悬链线方程的悬链线模型构建、生成和保存，运行时无需任何计算流程，仅需要计算机完成基本模型渲染工作即可，最大程度减少计算机计算负荷，为虚拟仿真系统的主要功能让出计算能力，提升虚拟仿真系统的总体体验和效果。
人工手动建模方法中暴露出了无法高效建立符合悬链线客观规律的外观模型的问题，因此，本发明能够快速建立符合上述要求的悬链线外观模型。基于此，采用系统根据输入参数由算法自动解算的方式解决，算法依赖经典悬链线方程：
其中a为悬链系数，x为控制截面圆心横坐标，y为控制截面圆心纵坐标，cosh为双曲余弦函数，利用上式解算模型各顶点坐标，以求得悬链线符合客观规律的精确解，由于是系统算法进行自动解算，在一般参数下，计算时间低于人的可感时间，近似于瞬时计算，从而大幅度降低建模难度和时间消耗。
本发明提供了一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法，并针对在主流三维图形引擎中的应用进行了专门的适配过程，该方法的具体步骤如下：
S1：设定悬链线的基本外形参数，基于悬链线三维模型，构建生成初步模型；
具体的：
S1-1.在虚拟场景中获取（测量或设置）悬链线的起点坐标和终点坐标（如悬挂悬链线的两个端点），并将获取的坐标输入悬链线三维模型；
S1-2.设置期望获得的悬链线模型半径，并将其输入悬链线三维模型；
S1-3.设置悬链线周向分段数（即悬链线剖面圆的周长分为几段），并将其输入悬链线三维模型；
S1-4.设置悬链线轴向分段数（即悬链线模型沿轴向分为几段），并将其输入悬链线三维模型；
S1-5.设置悬链线材质文件（即包含期望运用到悬链线模型上的材质信息的文件，包括但不限于颜色、贴图、金属度、光滑度、材质类型等），并将该文件输入悬链线三维模型；
S1-6.依据上述参数，生成连接悬链线起止点、分段数符合设置条件、材质符合设置要求的不带悬链线曲度的圆柱体三维模型，即初步模型；
S1-7.检查该模型与期望的符合程度，重复S1-2至S1-6直至初步模型满足期望要求。
S2：设置并调整悬链系数，输入悬链线三维模型，获取呈现悬链线模型的大致外形直至满足期望要求；
具体的：
S2-1.在悬链线方程的合理取值范围内调节悬链系数a，并输入悬链线三维模型；
S2-2.依据上述基本外形参数和悬链线系数，根据悬链线方程：
解算（采用通用计算机方程求解方法，如二分法等）获得悬链线模型各控制截面圆心坐标；
S2-3.依据解算出的各控制截面圆心坐标和基本外形参数，解算悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标；
S2-4.在虚拟场景中将上一步得出的各顶点坐标以预览方式（如点、球体或其它方式）显示，以呈现悬链线模型的大致外形；
S2-5.观察或测量悬链线模型大致外形，若不符合期望，则重复S2-1至S2-4，直至满足期望要求。
S3：基于符合期望的悬链线大致外形，自动生成悬链线模型并进行存储：
具体的：
S3-1.在确认悬链线大致外形符合期望后，启动计算机图形学三维模型生成方法，首先依照悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标绘制各个三角形面片，组成悬链线多边形网格模型；
S3-2.依据各控制截面圆形顶点坐标，计算各分段尺寸，以材质平铺无拉伸为目标，计算各顶点UV坐标并保存；
S3-3.根据悬链线多边形网格模型数据，重新计算模型法线、切线和边界等信息，平滑模型外观；
S3-4.将S1-5设置的材质信息赋予悬链线多边形网格模型，使模型具有材质属性，以达到期望的模型外观效果；
S3-5.若悬链线模型不符合预期，则重复S1-1至S3-4，若模型符合预期，则以文件形式保存该模型。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例为在Unity软件中实现虚拟场景中变电站电缆分布和架设复原的悬链线快速建模，包括以下步骤：
S1：设定悬链线的基本外形参数并生成初步模型，具体的：
S1-1.编写用于输入建模参数的工具（以下简称“工具”），优选的使用Unity软件；
S1-2.在虚拟场景中建立两个GameObject作为悬链线的起点和终点，将这两点输入S1-1中的工具，工具能够获取这两点的坐标，并将获取的坐标输入悬链线三维模型；
S1-3.在工具中设置悬链线模型半径，工具可将其输入悬链线三维模型；
S1-4.在工具中设置悬链线周向分段数（即悬链线剖面圆的周长分为几段），工具可将其输入悬链线三维模型；
S1-5.在工具中设置悬链线轴向分段数（即悬链线模型沿轴向分为几段），工具可将其输入悬链线三维模型；
S1-6.在工具中设置悬链线材质文件（即包含期望运用到悬链线模型上的材质信息的文件，包括但不限于颜色、贴图、金属度、光滑度、材质类型等），工具可将该文件输入悬链线三维模型；
S1-7.工具依据上述参数，生成连接悬链线起止点、分段数符合设置条件、材质符合设置要求的不带悬链线曲度的圆柱体三维模型，即初步模型；
S1-8.检查该模型与期望的符合程度，重复S1-3至S1-7直至初步模型半径、材质、周向分段数、轴向分段数满足期望要求。
S2：设置并调整悬链系数
S2-1.在工具中调节悬链系数a，工具能将其输入悬链线三维模型；
S2-2.工具依据上述参数和悬链线系数，根据悬链线方程
利用二分法对悬链线模型各控制截面圆心坐标进行解算；
S2-3.工具依据解算出的各控制截面圆心坐标和S1中确定的基本外形参数，解算悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标；
S2-4.工具在虚拟场景中将上一步得出的各顶点坐标以预览方式（如点、球体或其它方式）显示，以呈现悬链线模型的大致外形，如图2所示；
S2-5.观察或利用Unity测量悬链线模型大致外形，若不符合期望，则重复S2-1至S2-4，调节悬链线参数，直至满足期望要求，如图3所示。
S3：自动化生成悬链线模型并存储
S3-1.在确认悬链线大致外形符合期望后，工具启动三维网格模型生成程序，首先依照悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标绘制各个三角形面片，组成悬链线多边形网格模型；
S3-2.工具依据各控制截面圆形顶点坐标，计算悬链线网格模型各分段尺寸，以材质平铺无拉伸为目标，计算各顶点UV坐标并保存；
S3-3.工具根据悬链线多边形网格模型数据，重新计算模型法线、切线和边界等信息，平滑模型外观；
S3-4.将S1-6设置的材质信息赋予悬链线多边形网格模型，使模型具有材质属性，以达到期望的模型外观效果，如图4所示；
S3-5.若悬链线模型不符合预期，则重复S1-2至S3-4，若模型符合预期，则以文件形式保存该模型；
S3-6.按照虚拟场景中各个悬链线的建模要求，重复S1-2至S3-5步，完成全部悬链线模型的建模，最终在虚拟变电站仿真场景中达到图5效果。
本发明的方法用于虚拟现实环境下的变电站仿真场景构建，以达到在虚拟环境下的变电站场景中具备完整的数百条电缆分布和架设复原，同时能够在计算机和虚拟现实头盔中具备极高的渲染效率，在HTC Vive Pro虚拟现实设备上能够进行高保真度的渲染，达到每秒90帧以上的渲染速度。
尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。
Claims (6)
1.一种虚拟场景中的悬链线快速建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：设定悬链线的基本外形参数，输入悬链线三维模型，构建生成初步模型；
S2：设置并调整悬链系数，将设置并调整后的悬链系数输入悬链线三维模型，获取呈现悬链线模型的大致外形，直至满足期望要求；
S3：基于符合期望要求的大致外形，自动生成悬链线模型并进行存储；
所述S1具体包括：
S1-1：在虚拟场景中获取悬链线的起点坐标和终点坐标，并输入悬链线三维模型；
S1-2：设置期望获得的悬链线模型半径，并将其输入悬链线三维模型；
S1-3：设置悬链线周向分段数，并将其输入悬链线三维模型；
S1-4：设置悬链线轴向分段数，并将其输入悬链线三维模型；
S1-5：设置悬链线材质参数，并将其输入悬链线三维模型；
S1-6：基于S1-1至S1-5中设置的悬链线的起点坐标和终点坐标，悬链线模型半径，悬链线周向分段数，悬链线轴向分段数和悬链线材质参数，生成连接悬链线起止点、分段数符合设置条件、材质符合设置要求的不带悬链线曲度的圆柱体三维模型，即初步模型；
S1-7：检查初步模型与期望初步模型的符合程度，重复S1-2至S1-6，直至初步模型满足要求；
所述S2具体包括：
S2-1：在悬链线方程的合理取值范围内调节悬链线系数a，并输入悬链线三维模型；
S2-2：依据悬链线的基本外形参数和悬链线系数，根据悬链线方程：
解算获得悬链线模型各控制截面圆心坐标；其中，x为控制截面圆心横坐标，y为控制截面圆心纵坐标，a为悬链系数，cosh为双曲余弦函数；
S2-3：依据解算出的各控制截面圆心坐标和基本外形参数，解算悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标；
S2-4：在虚拟场景中将S2-3得出的各控制截面圆形顶点坐标以预览方式显示，呈现悬链线模型的大致外形；
S2-5：观察或测量悬链线模型大致外形是否满足期望要求，若不符合期望，则重复S2-1至S2-4，直至满足期望要求。
2.根据权利要求1所述的悬链线快速建模方法，其特征在于：所述S1-5中悬链线材质参数包括颜色、贴图、金属度、光滑度、材质类型中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的悬链线快速建模方法，其特征在于：所述S2-2中解算获得悬链线模型各控制截面圆心坐标的方法采用二分法。
4.根据权利要求3所述的悬链线快速建模方法，其特征在于：所述S2-4中以预览方式显示具体包括点、球体中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的悬链线快速建模方法，其特征在于，所述S3具体包括：
S3-1：在确认悬链线模型大致外形符合期望要求后，启动计算机图形学三维模型生成方法，依照悬链线模型各控制截面圆形顶点坐标绘制各个三角形面片，组成悬链线多边形网格模型；
S3-2：依据各控制截面圆形顶点坐标，计算各分段尺寸，以材质平铺无拉伸为目标，计算各顶点UV坐标并保存；
S3-3：根据悬链线多边形网格模型数据，重新计算悬链线多边形网格模型信息，平滑外观；
S3-4：将S1-5设置的悬链线材质参数赋予悬链线多边形网格模型，使悬链线多边形网格模型具有材质属性，达到期望的外观效果，并以文件形式保存。
6.根据权利要求5所述的悬链线快速建模方法，其特征在于，所述S3-3中的悬链线多边形网格模型信息包括法线、切线和边界中的至少一种。
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