CN116993905A - 一种基于b/s架构的三维管道重建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于B/S架构的三维管道重建方法及系统，该方法包括：S1.获取管道三维点云数据；S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；S4.通过Web客户端显示三维管道模型。本发明通过BSP树可以将大规模的三维管道模型划分为若干小块，并且保证每个小块之间空间位置关系的连续性和相似性，提高重建精度和效率。在客户端无需安装软件的情况下，本发明能够快速高效的加载和渲染错综复杂的三维管道模型。本发明支持远程协作，支持多人同时访问同一个系统协同工作。本发明还支持动态更新，能够实时反映管道当前的生产进度。本发明的用户界面友好，并且易操作、易学习。

Description

一种基于B/S架构的三维管道重建方法及系统

技术领域

本发明属于计算机图形处理技术领域，具体涉及一种基于B/S架构的三维管道重建方法及系统。

背景技术

随着计算机图形技术的不断发展，三维建模技术已经成为了现代工业设计、工程制图、动画制作、游戏开发等领域中不可或缺的技术手段。在众多应用中，工业制图应用领域由于管道等构件比例和复杂程度高，对三维图形展示和快速查看的要求也越来越高。在此背景下，如何快速准确地显示三维管道模型成为了一个挑战。

BSP树结构通过递归地分裂和划分，可以将三维管道模型划分为不同的区域，并对每个区域进行深度排序，从而实现快速的可视化和重建。它可以根据不同的精度要求，对三维管道模型进行不同程度的划分和排序，从而实现对模型精度的灵活控制。此外，BSP树结构可以通过增加或删除节点，实现对三维管道模型的动态扩展和更新。在实际应用中，BSP树结构作为一种高效、精度可控、可扩展、可视化效果好的三维管道模型重建技术，具有高效的查询和遍历性能，可以快速地处理大规模的三维模型。

传统的三维管道模型显示方法，通常采用C/S架构，即客户端/服务器架构。该架构需要客户端安装特定的软件才能工作，而且客户端软件更新、分发及维护成本很高。

基于B/S架构的网页浏览模型，因其低成本、方便管理的特点，已经广泛应用于多个领域。然而，当前在B/S架构下，显示复杂三维管道模型的性能和效果都不尽如人意，存在显示效果较差、速度慢、交互性差等问题。因此，需要提出一种基于B/S架构的三维管道快速重建方法，以解决当前存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种基于B/S架构的三维管道重建方法及系统，在客户端无需安装软件的情况下，本发明能够快速高效的加载和渲染错综复杂的三维管道模型。本发明支持远程协作，支持多人同时访问同一个系统协同工作。本发明还支持动态更新，能够实时反映管道当前的生产进度。本发明的用户界面友好，并且易操作、易学习。

为了到达预期效果，本发明采用了以下技术方案：

本发明公开了一种基于B/S架构的三维管道重建方法，包括：

S1.获取管道三维点云数据；

S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；

S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；

S4.通过Web客户端显示三维管道模型。

进一步地，所述S2具体包括：

S2.1.在后台服务器对管道三维点云数据进行滤波处理；

S2.2.将经过滤波处理的管道三维点云数据进行配准；

S2.3.将配准后的管道三维点云数据进行分割处理得到三维管道模型数据。

进一步地，所述S2.2具体包括：将经过滤波处理的多个管道三维点云数据进行拼接和组合，再采用ICP算法进行模型配准。

进一步地，所述S2.3具体包括：采用RANSAC算法对配准后的管道三维点云数据进行平面分割，采用基于法向量的方法对配准后的管道三维点云数据进行曲面分割。

进一步地，所述S3具体包括：

S3.1.基于三维管道模型数据，采用自适应样条法拟合得到管道的中心线和横截面；

S3.2.采用旋转成型算法将管道的中心线和横截面转化为管道的三维模型；

S3.3.采用曲面拟合方法对管道的三维模型进行优化处理以得到最终的三维管道模型。

进一步地，所述S3.1具体包括：

S3.1.1.使用等间距的方式对三维管道模型数据的控制点和样条节点进行初始化；

S3.1.2.对初始化后的三维管道模型数据的控制点和样条节点进行曲线拟合，并计算拟合误差；

S3.1.3.检测拟合误差是否小于阈值，如果拟合误差小于阈值，则结束拟合，得到最终的样条曲线拟合结果，进而得到管道的中心线和横截面；如果拟合误差大于或等于阈值，则执行S3.1.4；

S3.1.4.根据拟合误差，自适应地调整样条节点数和控制点位置，直到拟合误差小于阈值。

进一步地，所述S3.2具体包括：

S3.2.1.输入三维管道横截面形状；

S3.2.2.沿着中心线设置一系列离散的旋转角度，并在每个旋转角度位置上复制横截面；

S3.2.3.通过连接相应角度位置上的复制横截面，形成完整的三维管道模型。

进一步地，所述S4具体包括：

S4.1.Web客户端接收三维管道模型后，采用空间分割算法将三维管道模型划分为若干小块，其中每个小块包含若干管道部分；

S4.2.采用可视化渲染技术分块显示各个管道部分；

S4.3.对三维管道模型进行交互式控制以实现三维管道重建。

进一步地，所述S4.1具体包括：

S4.1.1.将三维管道模型按照第一坐标轴方向进行排序；

S4.1.2.基于第一坐标轴，利用二叉树结构对排序后的三维管道模型按照空间位置平分为两部分，左边为左子树，右边为右子树；

S4.1.3.对左子树和右子树分别递归上述过程以建立三维管道模型的二叉空间分割树结构。

本发明还公开了一种基于B/S架构的三维管道重建系统，包括：

采集模块，用于获取管道三维点云数据；

三维管道重建模块，用于处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；基于三维管道模型数据构建三维管道模型；通过Web客户端显示三维管道模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明公开了一种基于B/S架构的三维管道重建方法及系统，本发明通过BSP树可以将大规模的三维管道模型划分为若干小块，并且保证每个小块之间空间位置关系的连续性和相似性，提高重建精度和效率。在客户端无需安装软件的情况下，本发明能够快速高效的加载和渲染错综复杂的三维管道模型。本发明支持远程协作，支持多人同时访问同一个系统协同工作。本发明还支持动态更新，能够实时反映管道当前的生产进度。本发明的用户界面友好，并且易操作、易学习。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于B/S架构的三维管道重建方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的一种显示三维管道模型的流程图。

图3是本发明实施例提供的一种建立三维管道模型的二叉空间分割树结构的流程图。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1至图3，本发明公开了一种基于B/S架构的三维管道重建方法，包括：

S1.获取管道三维点云数据；示例性的，通过深度相机设备对管道进行扫描获取管道三维点云数据，值得注意的是，在扫描的过程中，需要确定深度相机与管道之间的合适距离与角度，以保证数据的准确性及完整性。使用不同的深度相机设备，对于距离与角度有不同的要求，这需要根据深度相机设备的产品说明书的要求确定。例如，本实施例使用微软AZURE KINECT DK深度相机采集管道点云数据，距离为1m以内，角度不限，但必须保证能够拍到管道的全貌，尽量使管道处于图片中心。本发明所涉及的管道为实际工程应用中的管道，包括直管、弯管、三通等。

所述深度相机设备(3D相机)就是终端和机器人的眼睛，通过该相机能检测出拍摄空间的景深距离。通过深度相机设备获取到图像中每个点距离摄像头的距离，再加上该点在2D图像中的二维坐标，就能获取图像中每个点的三维空间坐标。对于不同的应用场景，最好不在强光环境下采集三维点云数据。本发明可以应用于复杂的背景下采集管道图像数据，对采集设备没有硬件要求，但必须保证是深度相机，即能够生成点云数据的设备。

S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；具体地，

S2.1.在后台服务器对管道三维点云数据进行滤波处理；具体地，三维点云数据中存在的噪声和冗余信息可以通过去噪和降采样等方式对其进行滤波处理。

S2.2.将经过滤波处理的管道三维点云数据进行配准；具体地，将经过滤波处理的多个管道三维点云数据进行拼接和组合，再采用ICP算法进行模型配准。

ICP(Iterative Closest Point)算法是基于数据配准法，利用最近点搜索法，从而解决基于自由形态曲面的一种算法。这是一种高层次的基于自由形态曲面的配准方法，也称为迭代就近点法。

S2.3.将配准后的管道三维点云数据进行分割处理得到三维管道模型数据；具体地，采用RANSAC算法对配准后的管道三维点云数据进行平面分割，采用基于法向量的方法对配准后的管道三维点云数据进行曲面分割。处理完三维点云数据后，得到三维管道模型数据，其中包括管道的中心线和横截面等信息。

RANSAC(RANdom SAmple Consensus，随机采样一致)算法是从一组含有“外点”(outliers)的数据中正确估计数学模型参数的迭代算法。“外点”一般指数据中的噪声，比如说匹配中的误匹配和估计曲线中的离群点。所以，RANSAC算法也是一种“外点”检测算法。RANSAC是一个非确定性算法，在某种意义上说，它会产生一个在一定概率下合理的结果，其允许使用更多次的迭代来使其概率增加。

S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；具体地，基于三维管道模型数据对管道进行快速重建，生成完整的、高精度的三维管道模型，所述三维管道模型数据包括管道模型的尺寸、坐标、方向等信息。

S3.1.基于三维管道模型数据，采用自适应样条法拟合得到管道的中心线和横截面；具体地：

S3.1.1.使用等间距的方式对三维管道模型数据的控制点和样条节点进行初始化；

S3.1.2.对初始化后的三维管道模型数据的控制点和样条节点进行曲线拟合，并计算拟合误差；

S3.1.3.检测拟合误差是否小于阈值，如果拟合误差小于阈值，则结束拟合，得到最终的样条曲线拟合结果，进而得到管道的中心线和横截面；如果拟合误差大于或等于阈值，则执行S3.1.4；

S3.1.4.根据拟合误差，自适应地调整样条节点数和控制点位置，直到拟合误差小于阈值。

一般地，误差较大时增加节点数，误差较小时减少节点数，以达到更好的拟合效果。控制点的位置可以根据误差进行微调，使得拟合的结果更接近实际数据。

示例性的，在一组离散的管道中心线数据点的情况下，利用自适应样条法拟合管道的中心线。初始时，可以通过将数据点作为控制点，选取一些初始的样条节点。通过计算拟合误差，判断误差是否满足要求。如果误差较大，则增加样条节点的数量，并重新计算拟合误差。如果误差较小，则减少样条节点的数量，以获得更平滑的拟合结果。通过反复调整节点和控制点的位置，最终得到满足误差要求的管道中心线拟合结果。

S3.2.采用旋转成型算法将管道的中心线和横截面转化为管道的三维模型；具体地：

S3.2.1.输入三维管道横截面形状；所述三维管道横截面形状即管道在横截面上的形状，例如，管道横截面的形状为圆形。

S3.2.2.沿着中心线设置一系列离散的旋转角度，并在每个旋转角度位置上复制横截面；这一步是将横截面绕着管道中心线进行旋转。

S3.2.3.通过连接相应角度位置上的复制横截面，形成完整的三维管道模型。

S3.3.采用曲面拟合方法对管道的三维模型进行优化处理以得到最终的三维管道模型。所述优化处理具体包括：去除重复数据、生成贴图、导出模型等操作，将优化处理后得到的最终的三维管道模型保存至服务器端，服务器端根据需要将最终的三维管道模型发送给Web客户端进行自定义显示。

S4.通过Web客户端显示三维管道模型，具体地，Web客户端接收到服务器端传来的三维管道模型以图形化方式展现出来并存储在本地缓存中，并且采用以下技术来快速重建和渲染三维管道模型。

S4.1.Web客户端接收三维管道模型后，采用空间分割算法将三维管道模型划分为若干小块，其中每个小块包含若干管道部分；具体地：根据三维管道模型的特征和形状，采用自适应的方法将三维管道模型划分为若干小块。具体来说，根据管道的曲率、直径大小等特征进行划分，将具有相似特征的管道部分划分到同一个小块中。

S4.1.1.将三维管道模型按照第一坐标轴方向进行排序；所述第一坐标轴为x，y，z三轴中的任意一个。

所述排序的规则是基于所选取的第一坐标轴方向的数值大小来确定元素的顺序，例如，原管道模型的三维坐标顺序为：管道部分1:(2,3,5)、管道部分2:(1,4,3)、管道部分3:(3,2,1)，如果按照X轴进行排序，那么根据X轴的数值大小，排序结果将是：管道部分2:(1,4,3)、管道部分1:(2,3,5)、管道部分3:(3,2,1)。

S4.1.2.基于第一坐标轴，利用二叉树结构对排序后的三维管道模型按照空间位置平分为两部分，左边为左子树，右边为右子树；

S4.1.3.对左子树和右子树分别递归上述过程以建立三维管道模型的二叉空间分割树结构。

示例性的，如图3所示，多边形B所在平面将空间分割为两部分，其中多边形D和E在同一个半空间，多边形C在另一半空间；由于多边形A存在于两个半空间中，不妨将A与分割平面相交的地方分为两个多边形A1和A2，这样A1、D和E位于同一半空间，而A2和C位于另一半空间。同样的，在子树中再次使用上述算法分割空间，以此类推，最终建立二叉空间分割(BSP)树结构，并在每个节点中记录该节点所代表的空间位置和其中包含模型或元素的信息。

优选的，对建立好的BSP树进行优化操作，如节点合并、剪枝、平衡等，在保证正确性和有效性的前提下进一步提高效率和减少内存占用。

S4.2.采用可视化渲染技术分块显示各个管道部分；优选的，采用基于GPU加速的渲染技术，分块显示各个管道部分。利用已建立好的BSP树对场景进行快速遍历，并通过硬件加速等方式实现可视化渲染。

S4.3.对三维管道模型进行交互式控制以实现三维管道重建，具体地，用户可以通过鼠标、键盘等输入设备对三维管道模型进行旋转、平移与缩放管道、颜色和光照等交互式控制以实现三维管道重建。

优选的，根据现场监控系统实时交互的数据实时更新三维管道的当前状态。进一步地，采用dWebSocket技术实时更新管道状态。若管道数据发生变化，则只需要在服务器端更新数据即可，而Web客户端会自动更新本地缓存和相应模型，并展示最新状态。管道数据发生变化包括管道对应工单的当前状态和实施进度发生变化，通过dWebSocket对管道的颜色进行实时更新显示。当管道进行生产加工审批流程时，管道模型将随着工单审批权限的执行而实时显示不同的颜色，以便用户了解管道生产的实时进度。

通过dWebSocket实现的WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议，WebSocket使得客户端和服务器之间的数据交换变得更加简单，允许服务端主动向客户端推送数据。在WebSocket API中，浏览器和服务器只需要完成一次握手，两者之间就直接可以创建持久性的连接，并进行双向数据传输。

示例性的，通过深度相机设备对管道进行扫描获取管道三维点云数据，并将深度相机设备采集到的数据传输给后端服务器，后端服务器对管道三维点云数据进行处理并得到三维管道模型数据，再基于三维管道模型数据构建三维管道模型，将三维管道模型传输给Web客户端进行自定义显示。

在客户端无需安装软件的情况下，本发明能够快速高效的加载和渲染错综复杂的三维管道模型。本发明支持远程协作，支持多人同时访问同一个系统协同工作。本发明还支持动态更新，能够实时反映管道当前的生产进度。本发明的用户界面友好，并且易操作、易学习。

基于同一发明思路，本发明还公开了一种基于B/S架构的三维管道重建系统，包括：

采集模块，用于获取管道三维点云数据；

三维管道重建模块，用于处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；基于三维管道模型数据构建三维管道模型；通过Web客户端显示三维管道模型。

所述系统的实施例与前述方法实施例可以一一对应实现，在此不再赘述。

基于同一发明思路，本发明还公开了一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行一种基于B/S架构的三维管道重建方法，包括：

S1.获取管道三维点云数据；

S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；

S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；

S4.通过Web客户端显示三维管道模型。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，包括：

S1.获取管道三维点云数据；

S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；

S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；

S4.通过Web客户端显示三维管道模型。

又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，包括：

S1.获取管道三维点云数据；

S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；

S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；

S4.通过Web客户端显示三维管道模型。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，包括：

S1.获取管道三维点云数据；

S2.处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；

S3.基于三维管道模型数据构建三维管道模型；

S4.通过Web客户端显示三维管道模型。

2.如权利要求1所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S2具体包括：

S2.1.在后台服务器对管道三维点云数据进行滤波处理；

S2.2.将经过滤波处理的管道三维点云数据进行配准；

S2.3.将配准后的管道三维点云数据进行分割处理得到三维管道模型数据。

3.如权利要求2所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S2.2具体包括：将经过滤波处理的多个管道三维点云数据进行拼接和组合，再采用ICP算法进行模型配准。

4.如权利要求2或3所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S2.3具体包括：采用RANSAC算法对配准后的管道三维点云数据进行平面分割，采用基于法向量的方法对配准后的管道三维点云数据进行曲面分割。

5.如权利要求1所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S3具体包括：

S3.1.基于三维管道模型数据，采用自适应样条法拟合得到管道的中心线和横截面；

S3.2.采用旋转成型算法将管道的中心线和横截面转化为管道的三维模型；

S3.3.采用曲面拟合方法对管道的三维模型进行优化处理以得到最终的三维管道模型。

6.如权利要求5所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S3.1具体包括：

S3.1.1.使用等间距的方式对三维管道模型数据的控制点和样条节点进行初始化；

S3.1.2.对初始化后的三维管道模型数据的控制点和样条节点进行曲线拟合，并计算拟合误差；

S3.1.3.检测拟合误差是否小于阈值，如果拟合误差小于阈值，则结束拟合，得到最终的样条曲线拟合结果，进而得到管道的中心线和横截面；如果拟合误差大于或等于阈值，则执行S3.1.4；

S3.1.4.根据拟合误差，自适应地调整样条节点数和控制点位置，直到拟合误差小于阈值。

7.如权利要求1所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S3.2具体包括：

S3.2.1.输入三维管道横截面形状；

S3.2.2.沿着中心线设置一系列离散的旋转角度，并在每个旋转角度位置上复制横截面；

S3.2.3.通过连接相应角度位置上的复制横截面，形成完整的三维管道模型。

8.如权利要求1所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S4具体包括：

S4.1.Web客户端接收三维管道模型后，采用空间分割算法将三维管道模型划分为若干小块，其中每个小块包含若干管道部分；

S4.2.采用可视化渲染技术分块显示各个管道部分；

S4.3.对三维管道模型进行交互式控制以实现三维管道重建。

9.如权利要求8所述的一种基于B/S架构的三维管道重建方法，其特征在于，所述S4.1具体包括：

S4.1.1.将三维管道模型按照第一坐标轴方向进行排序；

S4.1.2.基于第一坐标轴，利用二叉树结构对排序后的三维管道模型按照空间位置平分为两部分，左边为左子树，右边为右子树；

S4.1.3.对左子树和右子树分别递归上述过程以建立三维管道模型的二叉空间分割树结构。

10.一种基于B/S架构的三维管道重建系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于获取管道三维点云数据；

三维管道重建模块，用于处理管道三维点云数据并得到三维管道模型数据；基于三维管道模型数据构建三维管道模型；通过Web客户端显示三维管道模型。