CN116416386A - 一种基于数字孪生l5级仿真高清渲染还原系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据处理技术领域，具体地说，涉及一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统。其包括实体数据采集单元、模型建立单元、渲染引擎单元和交互体验单元，本发明通过渲染引擎单元对数字孪生模型进行光照、阴影和材质方面的渲染，能够模拟光照、阴影和材质等复杂效果，使得数字孪生模型的渲染结果更加真实、细腻，相对于传统单一的渲染方式，本发明的仿真渲染方式可以在保持高性能的同时，提供更高质量的图像渲染，提升用户观感。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，具体地说，涉及一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统。
背景技术
数字孪生技术已经被广泛应用于制造、医疗、建筑、城市规划等领域，为产业升级和社会发展提供了强有力的支持，然而，数字孪生技术的发展离不开高清渲染和还原技术的支持与突破，以实现更加真实、逼真的场景还原效果，并为实际应用提供更为精准的参考数据；
目前，在虚拟现实和增强现实领域，对于物理实体的还原和仿真需求越来越高，然而，现有的渲染系统大多数是通过单一的渲染技术，对数字孪生模型的渲染逼真效果欠佳，不便于完全满足对真实感和细节的要求，同时现有的对数字孪生模型还原的系统不便于用户进行交互，从而降低了用户的体验感和参与感。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于数字孪生L级仿真高清渲染还原系统，包括实体数据采集单元、模型建立单元、渲染引擎单元和交互体验单元；
所述实体数据采集单元用于采集待还原物理实体的多维度数据；
所述模型建立单元用于接收实体数据采集单元传输的多维度数据，通过对多维度数据进行处理后构建数字孪生模型；
所述渲染引擎单元用于加载数字孪生模型到渲染场景中，并对数字孪生模型进行多方位的渲染；
所述交互体验单元用于接收用户的操作指令，并将操作指令传输给渲染引擎单元，实现对数字孪生模型的交互控制。
作为本技术方案的进一步改进，所述实体数据采集单元包括图像数据获取模块、几何结构获取模块和运动姿态数据获取模块；
所述图像数据获取模块用于拍摄待还原物理实体的图像，获取物理实体的图像数据；
所述几何结构获取模块用于扫描待还原物理实体的三维点，获取物理实体的三维点云数据；
所述运动姿态数据获取模块用于获取待还原物理实体的运动状态和姿态数据。
作为本技术方案的进一步改进，所述模型建立单元包括纹理模型构建模块、几何结构建立模块和动画模型建立模块；
所述纹理模型构建模块用于根据图像数据获取模块采集到的图像数据生成物理实体的纹理信息；
所述几何结构建立模块用于根据结合结构获取模块采集到的三维点云数据重建物理实体的几何结构；
所述动画模型建立模块用于根据运动姿态数据获取模块采集到的运动状态和姿态数据创建物理实体的动画效果。
作为本技术方案的进一步改进，所述纹理模型构建模块采用纹理模型构建算法，包括以下步骤：
通过对图像数据获取模块采集到的物理实体的图像数据进行分析和切割，将图像数据分为不同的区域，对切割后的区域进行纹理特征提取，再将纹理特征映射到物理实体的表面上，即根据表面形状和方向将提取的纹理特征投影到物理实体的表面上，生成物理实体的纹理信息，对生成的物理实体纹理信息进行编辑和精细化处理，包括纹理缩放、平滑、模糊、旋转、对齐操作，达到纹理信息生成的目的。
作为本技术方案的进一步改进，所述几何结构建立模块采用几何模型构建算法，包括以下步骤：
通过对物理实体的三维点云数据进行降噪、滤波处理，再将不同位置采集到的点云数据进行配准，即将多个点云数据合并成一个完整的点云模型数据，使用点云重建算法，根据采集到的三维点云数据构建物理实体的几何结构；
点云重建算法的表达式为：
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最近的点云数据点，a、b、c是待求的参数。
作为本技术方案的进一步改进，所述画模型建立模块采用动画模型构建算法，包括以下步骤：
通过对运动姿态数据获取模块采集到的运动状态和姿态数据进行去噪、补洞、数据对齐、关键帧提取操作，将三维物体分段建模，使用骨骼动画手段对物体的局部进行移动、变形、旋转，通过插值运算，对关键帧之间的运动数据进行计算，生成平滑的过渡效果，通过物理模拟和仿真技术，对物体的运动和变形过程进行模拟，达到构建动画模型的目的；
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作为本技术方案的进一步改进，所述渲染引擎单元包括光照模型模块、阴影模型模块和材质模型模块；
所述光照模型模块用于模拟真实场景的光照效果，实现对数字孪生模型的真实的光照效果；
所述阴影模型模块用于生成平面阴影和体积阴影，增加对数字孪生模型的真实渲染；
所述材质模型模块用于模拟数字孪生模型的材质属性，使数字孪生模型具备反射率、折射率和粗糙度。
作为本技术方案的进一步改进，所述光照模型模块采用光照算法，其表达式为：
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作为本技术方案的进一步改进，所述交互体验单元包括手势识别模块和语音控制模块；
所述手势识别模块用于识别用户的手势输入，使用户能够通过手势对数字孪生模型进行操作；
所述语音控制模块用于接收用户的语音指令，实现语音交互控制数字孪生模型的操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统中，通过渲染引擎单元对数字孪生模型进行光照、阴影和材质方面的渲染，能够模拟光照、阴影和材质等复杂效果，使得数字孪生模型的渲染结果更加真实、细腻，相对于传统单一的渲染方式，本发明的仿真渲染方式可以在保持高性能的同时，提供更高质量的图像渲染，提升用户观感。
2、该一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统中，通过手势识别、语音控制的方式使用户可以与数字孪生模型进行交互与体验，使用户可以更加自由自在地与数字孪生模型进行互动，提升用户体验和参与感。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构原理框图；
图2为本发明实施例的实体数据采集单元原理框图；
图3为本发明实施例的模型建立单元原理框图；
图4为本发明实施例的渲染引擎单元和渲染引擎单元原理框图。
图中各个标号意义为：
10、实体数据采集单元；11、图像数据获取模块；12、几何结构获取模块；13、运动姿态数据获取模块；
20、模型建立单元；21、纹理模型构建模块；22、几何结构建立模块；23、动画模型建立模块；
30、渲染引擎单元；31、光照模型模块；32、阴影模型模块；33、材质模型模块；
40、交互体验单元；41、手势识别模块；42、语音控制模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4示出本发明的实施例，本实施例提供一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，包括实体数据采集单元10、模型建立单元20、渲染引擎单元30和交互体验单元40；
实体数据采集单元10用于采集待还原物理实体的多维度数据；
实体数据采集单元10包括图像数据获取模块11、几何结构获取模块12和运动姿态数据获取模块13；
图像数据获取模块11用于拍摄待还原物理实体的图像，获取物理实体的图像数据；
图像数据获取模块11采用高分辨率摄像头拍摄待还原的物理实体，获取其图像数据。
几何结构获取模块12用于扫描待还原物理实体的三维点，获取物理实体的三维点云数据；
几何结构获取模块12利用激光扫描仪对物理实体进行扫描，获取其三维点云数据。
运动姿态数据获取模块13用于获取待还原物理实体的运动状态和姿态数据。
运动姿态数据获取模块13通过惯性测量仪获取物理实体的运动状态和姿态数据。
模型建立单元20用于接收实体数据采集单元10传输的多维度数据，通过对多维度数据进行处理后构建数字孪生模型；
模型建立单元20包括纹理模型构建模块21、几何结构建立模块22和动画模型建立模块23；
纹理模型构建模块21用于根据图像数据获取模块11采集到的图像数据生成物理实体的纹理信息；
纹理模型构建模块21采用纹理模型构建算法，包括以下步骤：
通过对图像数据获取模块11采集到的物理实体的图像数据进行分析和切割，将图像数据分为不同的区域，对切割后的区域进行纹理特征提取，再将纹理特征映射到物理实体的表面上，即根据表面形状和方向将提取的纹理特征投影到物理实体的表面上，生成物理实体的纹理信息，对生成的物理实体纹理信息进行编辑和精细化处理，包括纹理缩放、平滑、模糊、旋转、对齐操作，达到纹理信息生成的目的。
几何结构建立模块22用于根据几何结构获取模块12采集到的三维点云数据重建物理实体的几何结构；
几何结构建立模块22采用几何模型构建算法，包括以下步骤：
通过对物理实体的三维点云数据进行降噪、滤波处理，再将不同位置采集到的点云数据进行配准，即将多个点云数据合并成一个完整的点云模型数据，使用点云重建算法，根据采集到的三维点云数据构建物理实体的几何结构；
点云重建算法的表达式为：
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最近的点云数据点，a、b、c是待求的参数，拟合出的曲面可以用/>
的形式表示，以得到平滑连续的曲面。
具体案例为，我们假设我们的点云数据中包含一组三维家具位置数据，它们的坐标及名称如下：
1.(1,2,3)--椅子
2.(2,4,5)--沙发
3.(3,1,4)--柜子
4.(4,5,6)--桌子
5.(5,3,7)--灯具
取半径为2的球体进行局部数据逼近，即对于每个点，选择以该点为球心，半径为2的球体作为邻域，以第一个点(1,2,3)为例，假设点(1.2,2.3,2.7)、(0.7,1.5,2.8)、(1.3,2.4,3.2)、(1.5,2.1,2.9)这些点在球体内，则可以针对这些点求最小二乘解，获得该点的局部逼近函数，假设在模型中，一个用(0,0)代表的点与距离为2的球体有交，则我们可以使用局部逼近函数，通过一定的插值方法来计算该点，可以利用类似的方法，对所有家具位置数据逼近，求出它们的拟合二次曲面，从而得到更精确的家具几何形状。
动画模型建立模块23用于根据运动姿态数据获取模块13采集到的运动状态和姿态数据创建物理实体的动画效果。
动画模型建立模块23采用动画模型构建算法，包括以下步骤：
通过对运动姿态数据获取模块13采集到的运动状态和姿态数据进行去噪、补洞、数据对齐、关键帧提取操作，将三维物体分段建模，使用骨骼动画手段对物体的局部进行移动、变形、旋转，通过插值运算，对关键帧之间的运动数据进行计算，生成平滑的过渡效果，通过物理模拟和仿真技术，对物体的运动和变形过程进行模拟，达到构建动画模型的目的；
其中，插值运算的表达式为：
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分别表示起始和结束状态。
假设在一个机器人运动捕捉场景中，采集到了机器人的关节位置和转角信息，从而获得机器人的运动状态数据，这些数据可以通过动画模型构建算法，生成机器人的动画效果，如机器人的腿部和手部的运动、转向运动等，使机器人看起来更加逼真、流畅和自然，特别是在虚拟现实技术的支持下，机器人的动画效果可以更加生动地呈现在用户面前，从而增强交互体验和沉浸感。
渲染引擎单元30用于加载数字孪生模型到渲染场景中，并对数字孪生模型进行多方位的渲染；
渲染引擎单元30包括光照模型模块31、阴影模型模块32和材质模型模块33；
光照模型模块31用于模拟真实场景的光照效果，实现对数字孪生模型的真实的光照效果；
光照模型模块31采用光照算法，其表达式为：
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为反光度。
根据光源的位置、颜色、亮度、形状等特征，通过以上公式计算物体表面对光照的反射和折射。
阴影模型模块32用于生成平面阴影和体积阴影，增加对数字孪生模型的真实渲染；
在光源和物体之间插入一个虚拟物体，通过判断虚拟物体是否与其他物体相交，来实现阴影效果的渲染。
材质模型模块33用于模拟数字孪生模型的材质属性，使数字孪生模型具备反射率、折射率和粗糙度
根据材质的反射系数、透明度、光泽等参数，调整物体表面的颜色和光泽度，增强物体的真实感和质感，从而实现材质效果渲染。
通过以上步骤可将图像进行渲染，并将渲染后的图像输出为图像文件，提供给用户或其他系统使用。
交互体验单元40用于接收用户的操作指令，并将操作指令传输给渲染引擎单元30，实现对数字孪生模型的交互控制。
设计用户界面，用户可以通过直观友好的界面进行数字孪生模型的操作和观察。
其中设置手势识别模块41，手势识别模块41用于识别用户的手势输入，使用户能够通过手势对数字孪生模型进行操作，实现用户通过手势控制数字孪生模型的旋转、缩放等操作；
其次添加语音控制模块42，语音控制模块42用于接收用户的语音指令，实现语音交互控制数字孪生模型的操作，用户可以通过语音指令控制数字孪生模型的显示、切换等操作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：包括实体数据采集单元（10）、模型建立单元（20）、渲染引擎单元（30）和交互体验单元（40）；
所述实体数据采集单元（10）用于采集待还原物理实体的多维度数据；
所述模型建立单元（20）用于接收实体数据采集单元（10）传输的多维度数据，通过对多维度数据进行处理后构建数字孪生模型；
所述渲染引擎单元（30）用于加载数字孪生模型到渲染场景中，并对数字孪生模型进行多方位的渲染；
所述交互体验单元（40）用于接收用户的操作指令，并将操作指令传输给渲染引擎单元（30），实现对数字孪生模型的交互控制。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述实体数据采集单元（10）包括图像数据获取模块（11）、几何结构获取模块（12）和运动姿态数据获取模块（13）；
所述图像数据获取模块（11）用于拍摄待还原物理实体的图像，获取物理实体的图像数据；
所述几何结构获取模块（12）用于扫描待还原物理实体的三维点，获取物理实体的三维点云数据；
所述运动姿态数据获取模块（13）用于获取待还原物理实体的运动状态和姿态数据。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述模型建立单元（20）包括纹理模型构建模块（21）、几何结构建立模块（22）和动画模型建立模块（23）；
所述纹理模型构建模块（21）用于根据图像数据获取模块（11）采集到的图像数据生成物理实体的纹理信息；
所述几何结构建立模块（22）用于根据结合结构获取模块（12）采集到的三维点云数据重建物理实体的几何结构；
所述动画模型建立模块（23）用于根据运动姿态数据获取模块（13）采集到的运动状态和姿态数据创建物理实体的动画效果。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述纹理模型构建模块（21）采用纹理模型构建算法，包括以下步骤：
通过对图像数据获取模块（11）采集到的物理实体的图像数据进行分析和切割，将图像数据分为不同的区域，对切割后的区域进行纹理特征提取，再将纹理特征映射到物理实体的表面上，即根据表面形状和方向将提取的纹理特征投影到物理实体的表面上，生成物理实体的纹理信息，对生成的物理实体纹理信息进行编辑和精细化处理，包括纹理缩放、平滑、模糊、旋转、对齐操作，达到纹理信息生成的目的。
5.根据权利要求3所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述几何结构建立模块（22）采用几何模型构建算法，包括以下步骤：
通过对物理实体的三维点云数据进行降噪、滤波处理，再将不同位置采集到的点云数据进行配准，即将多个点云数据合并成一个完整的点云模型数据，使用点云重建算法，根据采集到的三维点云数据构建物理实体的几何结构；
点云重建算法的表达式为：
其中，
表示拟合曲面在给点定x处的函数值，/>
是离给定点/>
最近的点云数据点，a、b、c是待求的参数。
6.根据权利要求3所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述画模型建立模块（23）采用动画模型构建算法，包括以下步骤：
通过对运动姿态数据获取模块（13）采集到的运动状态和姿态数据进行去噪、补洞、数据对齐、关键帧提取操作，将三维物体分段建模，使用骨骼动画手段对物体的局部进行移动、变形、旋转，通过插值运算，对关键帧之间的运动数据进行计算，生成平滑的过渡效果，通过物理模拟和仿真技术，对物体的运动和变形过程进行模拟，达到构建动画模型的目的；
其中，插值运算的表达式为：
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表示在时间/>
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7.根据权利要求1所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述渲染引擎单元（30）包括光照模型模块（31）、阴影模型模块（32）和材质模型模块（33）；
所述光照模型模块（31）用于模拟真实场景的光照效果，实现对数字孪生模型的真实的光照效果；
所述阴影模型模块（32）用于生成平面阴影和体积阴影，增加对数字孪生模型的真实渲染；
所述材质模型模块（33）用于模拟数字孪生模型的材质属性，使数字孪生模型具备反射率、折射率和粗糙度。
8.根据权利要求7所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述光照模型模块（31）采用光照算法，其表达式为：
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9.根据权利要求1所述的基于数字孪生L5级仿真高清渲染还原系统，其特征在于：所述交互体验单元（40）包括手势识别模块（41）和语音控制模块（42）；
所述手势识别模块（41）用于识别用户的手势输入，使用户能够通过手势对数字孪生模型进行操作；
所述语音控制模块（42）用于接收用户的语音指令，实现语音交互控制数字孪生模型的操作。
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