CN117456074B - 基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法和设备，属于海上风电设备仿真领域。现有的渲染方案，需要对整个三维实景的数据进行网格切分，导致数据处理量比较大，影响三维渲染效率。本发明的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，通过创建实景数字模型、网格转换模型、坑滩仿真模型、虚景孪生模型，实现海上风电冲刷坑的三维渲染。本发明采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，便于及时对冲刷坑状态进行准确还原；对于周边环境，利用虚景孪生模型，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，便于海上风电结构的及时运维。
Description
技术领域
本发明涉及基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法和设备，属于海上风电设备仿真领域。
背景技术
在海上风电冲刷渲染场景中，由于海上风电场所在的大陆架往往靠近江河入海口，并且入海口的海床多由泥沙冲积形成，其含泥量高、承载力较低，同时受到海洋性气候和大陆性气候的交替影响，海浪周期性变化较大，使得海上风电基础结构长期承受着往复的水平冲击，从而在波浪、潮涌等多种荷载的作用下，海上风电桩基周围土体会发生局部冲刷，形成深度和半径不一的冲刷坑，降低了桩基和海缆等基础设施的稳定性。
随着时间的推移，冲刷坑若持续发展将影响基础结构的性能，同时由于近年来东部沿海区域台风等极端气候日益增加，桩基结构面临更恶劣的环境考验，长期持续和短期极端的共同作用下可能导致桩基失稳或者输电管线断裂，甚至发生塔筒倒塌的极端事故，严重威胁海上风电整体结构的安全。
中国专利（公开号：CN111028349A）公开了一种适用于海量三维实景数据快速可视化的层级构建方法，它包括以下步骤：(1)通过二维网格切分算法，将该三维实景数据的俯视平面切分成规则的矩形形状的区块；(2)利用基于深度检测的纹理正投影算法，计算出每个区块的三维实景数据对应的真正射影像；利用三角网简化算法，针对每个区块的三维实景数据，计算出其对应的不同层级的三维实景数据；(3)以每个区块的三维实景数据对应的真正射影像为约束，通过纹理更新算法，对每个区块的不同层级的三维实景数据的纹理图像进行优化；通过层级重构算法，计算出所有三维实景数据的拓扑关系以构建三维实景数据的金字塔。
但上述方案，需要对整个三维实景的数据进行网格切分，导致数据处理量依旧比较大，影响三维渲染效率。
进一步，上述发明虽然能应用于海上风电冲刷渲染场景中，但海面以及海底滩涂三维实景短时间内可能会有巨大变化，这一方面增大了数据采集难度，另一方面也会增加数据处理量，从而导致海上风电冲刷坑的三维渲染效率低，不利于海上风电结构的准确监控，进而影响了海上风电结构的及时运维。
发明内容
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的一在于提供一种通过创建实景数字模型、网格转换模型、坑滩仿真模型、虚景孪生模型，可以得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑，从而实现海上风电冲刷坑的三维渲染，方案科学、合理，切实可行的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的二在于提供一种通过设置实景数字模块、网格转换模块、坑滩仿真模块、虚景孪生模块，采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，从而可以对冲刷坑状态进行准确还原展示，便于工作人员准确地分析和评估冲刷坑对桩基承载力和稳定性的影响；对于周边环境，利用虚景孪生模块，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，并且使得渲染完成的冲刷坑，在视觉上更加生动美观，仿真环境更加逼真，利于海上风电结构的准确监控的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染设备。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的三在于提供一种采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，同时为了进一步加快渲染效率，将网格数据，转换成轻量级模型文件；对于周边环境，利用虚景孪生模型，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，利于海上风电结构的准确监控，便于海上风电结构及时运维的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法和设备。
为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：
基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，包括以下内容：
获取某海上风电冲刷坑的点云数据；
通过先期创建的实景数字模型对点云数据进行剖分，得到冲刷坑网格数据；
利用先期创建的网格转换模型，对冲刷坑网格数据进行处理，生成轻量级模型文件；
根据先期创建的坑滩仿真模型，对轻量级模型文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑；
采用先期创建的虚景孪生模型，在渲染状态冲刷坑的基础上，添加环境元素，得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑，以实现海上风电冲刷坑的三维渲染。
本发明经过不断探索以及试验，通过创建实景数字模型、网格转换模型、坑滩仿真模型、虚景孪生模型，可以得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑，从而实现海上风电冲刷坑的三维渲染，方案科学、合理，切实可行。
进一步，本发明充分考虑仿真场景特点，即对冲刷坑仿真要足够精确，但冲刷坑的周边环境可以不精确，对周边环境也进行渲染，只是为了在视觉上更加生动美观，使得仿真环境更加逼真。因此本发明采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，同时为了进一步加快渲染效率，将网格数据，转换成轻量级模型文件，便于及时对冲刷坑状态进行准确还原；对于周边环境，利用虚景孪生模型，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，利于海上风电结构的准确监控，便于海上风电结构的及时运维。
再进一步，本发明可以对冲刷坑状态进行准确还原展示，从而便于工作人员准确地分析和评估冲刷坑对桩基承载力和稳定性的影响，进而为防止冲刷坑的出现提供科学依据。
作为优选技术措施：
通过实景数字模型得到冲刷坑网格数据的方法如下：
使用德劳内三角剖分算法将点云数据剖分成三角形结构数据；
三角形结构数据包括3列数据，第一列的数据为冲刷坑中心在X方向上的位置数据，第二列的数据为冲刷坑中心在Y方向上的位置数据，第三列的数据为地形的高度数据；
根据位置数据以及高度数据，描绘出若干坐标点；
将若干坐标点进行连接，得到冲刷坑网格数据。
作为优选技术措施：
使用德劳内三角剖分算法得到三角形结构数据的方法如下：
步骤21，对点云数据中的散点坐标进行筛选，得到坐标的极大值和极小值；
步骤22，根据坐标的极大值和极小值，创建三角形链表；
步骤23，将点云数据中的散点依次插入三角形链表中，并在三角形链表中找出所述散点的影响三角形；影响三角形为外接圆包括散点的三角形；
步骤24，将影响三角形的公共边删除，并将散点以及影响三角形的全部顶点连接起来，得到连接三角形；
步骤25，检查连接三角形是否满足三角剖分的空圆特性，空圆特性为所述连接三角形的外接圆不包括额外点；
当连接三角形满足三角剖分的空圆特性时，将连接三角形放入三角形链表中；
当连接三角形不满足三角剖分的空圆特性时，交换对角线，得到新形成的连接三角形，并将新形成的连接三角形放入三角形链表中；
步骤26，循环执行步骤23到步骤25，直到所有散点插入完毕，得到赋值完成的三角形链表；
步骤27，将地形的高度数据，输入到赋值完成的三角形链表中，并使用叉乘计算垂直于每个三角面的法向量；
步骤28，将法向量赋值到三角形链表中，得到三角形结构数据。
作为优选技术措施：
通过网格转换模型生成轻量级模型文件的方法如下：
步骤31.获取三角形结构数据中的散点以及若干连接三角形；
步骤32.通过赋固定值的方式，将散点的二维坐标信息转化为三维坐标信息，并将三维坐标信息保存到先期建立的坐标几何体中；
步骤33.遍历每个连接三角形，对每个连接三角形的顶点坐标创建索引数据，并将索引数据采用平铺的结构保存到先期建立的索引几何体中；
步骤34.根据散点的属性数据，获取属性数据对应于每个顶点的属性值，并依次保存到先期建立的物理量几何体中，以能与顶点一一对应；
步骤35.将坐标几何体、索引几何体与物理量几何体进行耦合，得到轻量级模型文件。
作为优选技术措施：
通过坑滩仿真模型得到渲染状态冲刷坑的方法如下：
步骤41.加载轻量级模型文件；
步骤42.通过先期建立的顶点着色器，对轻量级模型文件进行处理，得到需要展示颜色的物理量以及法向量；
步骤43.利用先期建立的片元着色器，对物理量的属性进行归一化计算得到阈值；
步骤44.将阈值与颜色表进行对照，得到对应物理量的颜色数值；
步骤45.利用先期建立的光照模型，并根据法向量和光源方向，计算海上风电冲刷坑的反射光强度；
步骤46.根据反射光强度以及颜色数值，得到海上风电冲刷坑的最终颜色；
步骤47.根据最终颜色，对轻量级模型文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑。
作为优选技术措施：
通过虚景孪生模型添加环境元素的方法如下：
步骤51.创建一个能存储和管理环境元素的纹理对象；
所述环境元素至少包括海床元素、海面元素和天空元素；
步骤52.加载有关环境元素的纹理图像，并传递给纹理对象，使得纹理图像成为纹理对象的内容；
步骤53.根据纹理图像与渲染状态冲刷坑的对应关系，得到纹理坐标；
步骤54.根据纹理坐标，将纹理对象的内容应用到渲染状态冲刷坑表面，使其成为渲染状态冲刷坑的外部环境。
作为优选技术措施：
通过虚景孪生模型添加海床元素的方法如下：
步骤61.根据海底的形状和位置，获取海床元素；
所述海床元素至少包括海底沙滩贴图和水波贴图；
步骤62.根据海床元素，创建第一纹理对象和第二纹理对象；
第一纹理对象，用于存储海底沙滩贴图；
第二纹理对象，用于存储水波贴图；
步骤63.根据第一纹理对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到第一纹理坐标；
根据第二纹理对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到第二纹理坐标，并设置坐标偏移量，以模拟水波波动；
步骤64.根据第一纹理坐标，从第一纹理对象中采样像素值，得到沙滩颜色信息；
根据第二纹理坐标以及坐标偏移量，从第二纹理对象中采样像素值，得到水波颜色信息；
步骤65.沙滩颜色信息和水波颜色信息进行叠加，作为海床的最终颜色；
步骤66.将海床的最终颜色应用到渲染状态冲刷坑表面，得到具有沙滩和水波效果的冲刷坑。
作为优选技术措施：
通过虚景孪生模型添加天空元素的方法如下：
步骤71.根据海上风电冲刷坑的背景和氛围，设置天空元素；
所述天空元素为天空盒，其包括六个方向上的纹理图片，其用于模拟无限远的天空或环境；
步骤72.将六个方向上的纹理图片输入到先期创建的立方体纹理对象上；
步骤73.根据立方体纹理对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到立方体纹理坐标；
步骤74.根据立方体纹理坐标，将六个方向上的纹理图片应用到渲染状态冲刷坑表面，得到一个具有天空盒效果的冲刷坑。
作为优选技术措施：
通过虚景孪生模型添加海面元素的方法如下：
步骤81.根据海面上的风力以及光线作用效果，设置海面元素；
海面元素为水面反射效果贴图，其包括法线贴图和天空盒贴图；
步骤82.利用先期创建的法线贴图对象加载法线贴图图片，
利用先期创建的天空盒贴图对象加载天空盒贴图；
步骤83.根据法线贴图对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到法线纹理坐标；
根据天空盒贴图对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到天空盒纹理坐标；
步骤84.根据法线纹理坐标、天空盒纹理坐标，计算得到水面法向量；
步骤85.根据水面法向量和光照方向，计算反射向量，并通过反射向量计算水面反射信息；
步骤86.将水面反射信息应用到渲染状态冲刷坑表面，得到一个能反射天空盒和波动水面的冲刷坑。
为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：
基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染设备，采用上述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法；其包括网格数字模块、网格转换模块、坑滩仿真模块和环境孪生模块；
网格数字模块，用于对点云数据进行剖分，得到冲刷坑网格数据；
网格转换模块，用于对冲刷坑网格数据进行处理，生成轻量级模块文件；
坑滩仿真模块，用于对轻量级模块文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑；
环境孪生模块，用于在渲染状态冲刷坑的基础上，添加环境元素，得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑。
本发明经过不断探索以及试验，通过设置实景数字模块、网格转换模块、坑滩仿真模块、虚景孪生模块，采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，同时为了进一步加快渲染效率，将网格数据，转换成轻量级模块文件，从而可以快速对冲刷坑状态进行准确还原展示，便于工作人员准确地分析和评估冲刷坑对桩基承载力和稳定性的影响，进而为防止冲刷坑的出现提供科学依据；本发明对于周边环境，利用虚景孪生模块，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，并且使得渲染完成的冲刷坑，在视觉上更加生动美观，仿真环境更加逼真，利于海上风电结构的准确监控，便于海上风电结构的及时运维。
与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明经过不断探索以及试验，通过创建实景数字模型、网格转换模型、坑滩仿真模型、虚景孪生模型，可以得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑，从而实现海上风电冲刷坑的三维渲染，方案科学、合理，切实可行。
进一步，本发明充分考虑仿真场景特点，即对冲刷坑仿真要足够精确，但冲刷坑的周边环境可以不精确，对周边环境也进行渲染，只是为了在视觉上更加生动美观，使得仿真环境更加逼真。因此本发明采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，同时为了进一步加快渲染效率，将网格数据，转换成轻量级模型文件；对于周边环境，利用虚景孪生模型，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，利于海上风电结构的准确监控，便于海上风电结构的及时运维。
再进一步，本发明经过不断探索以及试验，通过设置实景数字模块、网格转换模块、坑滩仿真模块、虚景孪生模块，采用虚实结合的渲染手段，对冲刷坑进行准确的数据采集，并进行网格剖分，同时为了进一步加快渲染效率，将网格数据，转换成轻量级模块文件，从而可以快速对冲刷坑状态进行准确还原展示，便于工作人员准确地分析和评估冲刷坑对桩基承载力和稳定性的影响，进而为防止冲刷坑的出现提供科学依据；本发明对于周边环境，利用虚景孪生模块，直接添加环境元素，从而有效减少数据处理量，提高海上风电冲刷坑的三维渲染效率，并且使得渲染完成的冲刷坑，在视觉上更加生动美观，仿真环境更加逼真，利于海上风电结构的准确监控，便于海上风电结构的及时运维。
附图说明
图1为本发明海上风电冲刷坑三维渲染方法的第一种流程图；
图2为本发明海上风电冲刷坑三维渲染方法的第二种流程图；
图3为本发明生成冲刷坑网格文件的一种流程图；
图4为本发明对冲刷坑进行渲染的一种流程图；
图5为本发明得到最终颜色的一种流程图；
图6为应用本发明得到冲刷坑的一种三维效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
如图1所示，本发明海上风电冲刷坑三维渲染方法的第一种具体实施例：
基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，包括以下内容：
获取某海上风电冲刷坑的点云数据；
通过先期创建的实景数字模型对点云数据进行剖分，得到冲刷坑网格数据；
利用先期创建的网格转换模型，对冲刷坑网格数据进行处理，生成轻量级模型文件；
根据先期创建的坑滩仿真模型，对轻量级模型文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑；
采用先期创建的虚景孪生模型，在渲染状态冲刷坑的基础上，添加环境元素，得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑，以实现海上风电冲刷坑的三维渲染。
如图2所示，本发明海上风电冲刷坑三维渲染方法的第二种具体实施例：
基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，可以对海上风电冲刷坑进行渲染，其包括以下内容：
通过声呐扫测，获取冲刷坑的点云数据；实景数字模型再通过三角剖分算法将点云数据创建成为网格数据；之后网格转换模型将网格及物理量数据生成对应结构的轻量级模型文件；然后坑滩仿真模型根据轻量级模型文件中的物理量，并基于颜色表，进行插值、拉伸实现冲刷坑渲染，得到海上风电冲刷坑；最后虚景孪生模型再向海上风电冲刷坑中添加水面、海滩等环境效果，从而实现对海上风电冲刷坑真实情况的还原。
本发明使用三角剖分算法生成冲刷坑网格文件的一种具体实施例：
在渲染冲刷坑渲染的流程中，首先需要根据声呐扫测的点云数据生成冲刷坑网格，这样为之后渲染冲刷坑及物理量做好准备。本发明的实景数字模型使用德劳内三角剖分算法作为网格生成算法，该算法可以将平面上的点集分割成具有良好性质的三角形，从而将点云数据转换为3列n行的数据表。所述数据表为3列n行的数据表，第一列为冲刷坑中心在X方向上的位置数据，第二列为冲刷坑中心在Y方向上的位置数据，第三列为地形的高度数据。
具有良好性质的三角形是指它的内角尽可能大，避免出现过于狭长的三角形。德劳内三角剖分算法的基本原理是保证每个三角形的外接圆内部不包括其他点，这样就可以最大化最小角。
德劳内三角剖分算法的基本思想是逐点插入法，即从一个初始的超级三角形开始，依次插入点集中的每个点，并对不满足空圆性质的三角形进行边的翻转操作，直到得到一个德劳内三角剖分。将3列n行数据作为输入数据，其包括坐标值X、坐标值Y、物理量值BOTTM，其中X，Y表示该点相对于风机中心点的位置，BOTTM为相对于周围海床的高度差物理量。
通过将列数据定义为坐标值、物理量值，根据坐标位置描绘出坐标点，使用点云重建为面，作为渲染的基准数据。
如图3所示，实景数字模型使用三角剖分算法生成冲刷坑网格的实现步骤如下：
S1.通过计算散点的最大和最小的x和y坐标，然后构造比这个范围更大的超级三角形来，超级三角形用于包括所有散点，并将超级三角形的点放入三角形链表中。
S2.将点集中的点依次插入，在三角形链表中找出其外接圆包括的插入点的三角形（称为该点的影响三角形），删除影响三角形的公共边，将插入点同影响三角形的全部顶点连接起来，从而完成一个点在德劳内三角形链表中的插入。
S3.当插入一个新点后，检查它所连接的新的三角形是否满足三角剖分的空圆特性，即它们的外接圆内不包括其他点。如果不满足，则交换对角线，重新生成新的三角形，使得新形成的三角形满足空圆特性，将形成的三角形放入德劳内三角形链表。
S4.循环执行上述S2、S3，直到所有散点插入完毕。
S5.在得到三角形链表结果之后，通过将原始数据中的物理量BOTTOM赋值为对应三角形点的Z值，从而获得每个三角形各个点的三维位置。
S6.通过每个三角形各点的三维位置，使用叉乘计算垂直于每个三角面的法向量。
S7.删除超级三角形的边和顶点，以去除多余的三角形，并基于法向量，得到构造完成的三角形链表，即冲刷坑网格文件。
三角形链表是一个数据对象，包括几何结构数据、拓扑结构数据和属性数据。几何结构数据是组成模型的点集；拓扑结构数据是这些点根据一定的连接关系（如线性、三角形等）组成连接的三角形数据；属性数据是与几何结构数据和拓扑结构数据相关联的标量、向量或者张量。本发明在三维效果展示时使用的标量为高程物理量BOTTOM，矢量为三角面的法向量。
本发明进行模型格式转换的一种具体实施例：
在进行渲染之前，需要进行模型转换，本发明的网格转换模型通过轻量级模型文件生成算法将冲刷坑网格文件转换为Web图形库（WebGL）能处理的轻量级模型文件（model.json），以便于之后使用可视化技术（ThreeJS）进行渲染；具体地，主要包括以下步骤：
步骤1.调整三角形链表的位置数据：需要将二维x、y坐标信息，转化为x、y、z的三维坐标信息，其中三维中的x等于二维中的x，三维中的y等于0，三维中的z等于二维中的y。
步骤2.获取三角形链表中的所有连接三角形（Cell）的数量，然后遍历每个连接三角形，将每个连接三角形所包括的点的索引依次保存到数组，按平铺的结构保存方便后续渲染阶段使用。通过索引的方式引用顶点坐标，可以避免重复保存顶点坐标数据，显著减少整体的数据量。
步骤3.获取坐标点标量信息，对每一种属性数据，获取其对应于每个顶点的属性值，并依次保存到数组，从而能与顶点一一对应。
步骤4.然后将数组拼装成可视化软件Three.js可以加载的轻量级模型文件。并在轻量级模型文件中写入点的坐标数据、索引数据与物理量数据。在创建轻量级模型文件（model.json）时，所设置元数据类型为缓存几何体，它是用来代表所有几何体的一种方式，其本质上是一系列缓存几何体的名称，每一个缓存几何体代表一种数据类型的数组，缓存几何体代表每个顶点所有数据的并行数组。物理量数据通常是与数据集的点数据或者连接三角形数据相关联，主要用于描述数据集的属性特征，对数据集的可视化实质上就是对物理量数据的可视化，它主要有标量数据和矢量数据两种类型。比如，温度、压力等单值函数可以看作1×1的数组，速度等矢量数据可以看作3×1的数组(沿X、Y和Z三个方向的分量)。点的坐标与物理量数据的构造过程。
步骤5.通过建立位置向量与索引向量，分别用于存放所有点的位置坐标与索引，遍历每一个连接三角形，将所有点的坐标与索引分别依次加入到位置向量与索引向量中，形成一个数据汇集的位置信息向量，最后将位置信息向量写入轻量级模型文件（model.json）文件。在构造物理量数组的过程中，首先获取物理量的个数和名称，然后对每一个名称基于位置向量中点的排列方式，即索引向量，形成属性数组，最后将属性数组与名称写入轻量级模型文件（model.json）。
如图4所示，本发明进行坑滩渲染的一种具体实施例：
利用坑滩仿真模型对冲刷坑进行渲染的方法，可以分成三个阶段，其包括以下内容：
第一阶段为应用阶段，就是模型的生成过程。
第二阶段为几何阶段，即将顶点坐标从模型空间转化为屏幕空间的阶段，这是一个由图形处理器（GPU）主导的阶段。几何阶段将把中央处理器（CPU）在应用阶段发来的图元数据进行进一步处理。
第三阶段为光栅化阶段，该阶段主要是将变换到屏幕空间的图元离散化为片元的过程。将检验屏幕上的某个像素是否被一个三角形网格所覆盖，被覆盖的区域将生成一个片元（Fragment）。
由于并不是所有的像素都会被一个三角形完整地覆盖，有相当多的情况都是一个像素块内只有一部分被三角形覆盖，因此被覆盖的区域被划为片元，片元不是真正意义上的像素，而是包括了很多种状态的集合（譬如屏幕坐标、深度、法线、纹理等），这些状态用于最终计算出每个像素的颜色。最后通过片元着色器给每个片元进行上色，如此便可以得到能在屏幕里显示的模型。
使用着色器将属性中一维数据通过颜色表以及阈值转化为颜色。着色器是一种在图形处理器上运行的程序，它可以对顶点或片元进行自定义的处理，从而实现各种图形效果。本发明使用了两种类型的着色器，分别是顶点着色器和片元着色器。顶点着色器是用于处理顶点数据的着色器，它可以对顶点的位置、颜色、法向量等属性进行变换或计算，并将结果传递给片元着色器。片元着色器是用于处理片元数据的着色器，它可以对每个片元（像素）的颜色、光照、纹理等属性进行计算或采样，并输出最终的颜色值。
如图5所示，本发明将一维数据（如物理量）转化为颜色，并计算光照效果，从而实现对海上风电冲刷坑的网格对象的渲染，具体包括以下步骤：
步骤1.通过加载器加载轻量级模型文件，加载完成后回调函数会返回一个网格对象。
步骤2.通过设置顶点着色器和片元着色器，以及将物理量最大最小值、颜色表、阈值、相机位置等数据以传递变量的形式传入到着色器中。
步骤3.在顶点着色器中，对轻量级模型文件进行处理，得到物理量以及法向量，并将需要展示颜色的物理量以及法向量传输到片元着色器中。
步骤4.在片元着色器中，根据传输的物理量属性计算归一化之后的阈值，对照颜色表，将数据中的每个物理量转化成颜色数值。
步骤5.在得到颜色数值后，根据光照模型使用法线和光源方向的点积，计算三角面上一个点的直接光照颜色，得到最终的颜色。
物理量最大最小是指在一维数据中，物理量的最大值和最小值，用于将物理量的范围映射到颜色表的范围。例如，如果物理量的最大值是100，最小值是0，那么物理量的范围就是[0,100]，如果颜色表的范围是[0,1]，那么物理量的每个值都可以通过除以100得到对应的颜色表的值。物理量最大最小值可以通过统计一维数据中的极值得到，也可以根据实际情况人为设定。
颜色表是指一个颜色数组，用于存储不同的颜色数值，通常是RGB或RGBA格式。颜色表的作用是将物理量转化为颜色，从而实现可视化效果。例如，如果颜色表有10种颜色，分别是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白、灰、黑，那么物理量的每个值都可以根据归一化之后的阈值在颜色表中找到对应的颜色。颜色表可以根据不同的需求和喜好自定义，也可以使用一些常用的颜色表，如彩虹颜色表、灰度颜色表等。
阈值是指一个阈值数组，用于划分物理量的不同区间，从而对应不同的颜色。例如，如果阈值有4个元素，分别是0.1、0.3、0.5、0.7，那么物理量的范围就被划分为5个区间：[0,0.1)、[0.1,0.3)、[0.3,0.5)、[0.5,0.7)、[0.7,1]。每个区间都可以在颜色表中找到对应的颜色。阈值可以根据实际情况人为设定，也可以使用一些常用的方法，如等距划分、等频划分等。
光照模型是指一种数学模型，用于计算光照射到物体表面时产生的光照效果，如高光、阴影等。光照模型通常包括两部分：直接光照和间接光照。直接光照是指光源直接照射到物体表面产生的光照效果；间接光照是指光源经过其他物体或空气反射或折射后再照射到物体表面产生的光照效果。光照模型可以提高渲染的真实感和立体感，它假设物体表面完全漫反射，并且忽略间接光照，其计算公式如下：
其中是反射光强度，/>是入射光强度，/>是法向量，/>是入射角度。
本发明在海上风电场景中添加环境效果的一种具体实施例：
本发明通过在海上风电冲刷坑中添加环境效果，模拟真实环境中的视觉效果，提高三维展示的真实感。本发明通过虚景孪生模型实现环境效果的添加，所述环境效果包括海底海床元素、天空元素、海面元素。
虚景孪生模型用于改变海上风电冲刷坑的表面外观，可以增加海上风电冲刷坑的细节和真实感，其具体处理步骤如下：
步骤1.创建一个纹理对象，它是用于存储和管理纹理数据的容器。
步骤2.加载一个纹理图像，它是用于提供纹理数据的图片文件。
步骤3.将纹理图像的数据传递给纹理对象，使其成为纹理对象的内容。
步骤4.创建一个传递变量，它是用于向片元着色器传递数据的变量。
步骤5.设置传递变量的值为纹理对象，使其成为片元着色器的输入。
步骤6.绘制一个物体，并将纹理对象的内容根据纹理坐标应用到物体表面，使其成为物体表面的外观。
纹理坐标是一种用来描述几何体表面上某个点与纹理图片上某个像素之间的对应关系的坐标。通常，纹理坐标使用两个分量（s和t）来表示，它们的取值范围通常是从0.0到1.0。
海底海床元素为海底波纹，其是一种常见的自然现象，它可以增强海上风电冲刷坑的真实感和美观性，实现海底波纹效果的一种方法是使用海底沙滩贴图与光斑贴图。海底沙滩贴图是一种用于模拟海底沙滩的颜色和细节的纹理贴图，它可以通过映射不同的颜色和光照信息来增加海底的真实感。光斑贴图是一种用于模拟水面光斑的变化和运动的纹理贴图，它可以通过映射不同的透明度和偏移量信息来增加水面的动态感。
因此本发明在海上风电冲刷坑中添加坑滩周围的沙滩及水波映射，可以实现近海海底因为海面波动而使得海底光斑不断移动的效果。实现的具体步骤如下：
步骤1.根据海底的形状和位置，创建一个平面几何体，用于模拟海底的地形和纹理。创建两个纹理对象，一个用于存储海底沙滩贴图，另一个用于存储水波贴图。
步骤2.加载一张海滩贴图和一张水波贴图存储到对应的纹理对象中。
步骤3.在顶点着色器中，计算平面对象在世界空间位置，并传递片元着色器。同时将纹理坐标作为一个变量输出，以便在片元着色器中使用。
步骤4.绘制平面对象，在片元着色器中，使用二维纹理函数（texture2D），并根据平面对象的X、Y坐标从纹理对象中采样像素值。因为需要同时有海滩和水波的效果，因此需要将两个颜色进行叠加，作为片元的最终颜色。
步骤5.为了模拟水波波动的效果，在计算纹理坐标时加上一个偏移量，在本发明中使用的是每秒移动0.01个纹理坐标。通过在渲染时改变映射水波贴图每一帧的X、Y坐标，来实现水波变化的效果。
天空元素为天空盒，其可以增强海上风电冲刷坑的背景和氛围，它可以模拟出无限远处的环境效果，增强海上风电冲刷坑的真实感和逼真度。天空盒使用立方体纹理贴图来表示六个方向（正、负x，正、负y，正、负z）上的纹理图片。立方体纹理贴图是一种用于模拟无限远的天空或环境的纹理贴图，它可以通过映射不同的向量来增加海上风电冲刷坑的真实感和美观性。具体实现天空盒的方法如下：
步骤1.创建一个立方体纹理对象，用于存储和管理六个表示天空或环境的二维纹理图像。
步骤2.加载一组天空盒图片，图片的大小和格式需要一致。并且要按照Web图形库（WebGL）的要求进行绑定到纹理对象中，图片的顺序是：右、左、上、下、前、后。
步骤3.创建一个长宽高都为2的立方体模型，它的顶点坐标为在[-1，-1，-1]与[1，1，1]的范围内，并且和立方体贴图的坐标系一致。本发明使用一个缓冲区对象来存储顶点数据，并且绑定到一个顶点数组对象中。
步骤4.创建一个着色器程序，它包括一个顶点着色器和一个片元着色器。顶点着色器需要接收顶点位置和纹理坐标作为属性，并且传递给片元着色器。
步骤5.计算视图投影矩阵，并求其逆矩阵。其中，视图投影矩阵由投影矩阵和视图矩阵相乘得到，投影矩阵由透视函数或正交函数生成，视图矩阵由相机位置、目标位置和上方向生成。
步骤6.绘制矩形对象，并将立方体纹理贴图应用到矩形表面。其中，使用视图投影矩阵的逆来获取相机看向矩形每一个像素的向量，并用该向量作为立方体纹理贴图的采样坐标。最后，得到一个包围海上风电冲刷坑的天空盒效果。
海面元素为水面反射，其是一种常见的自然现象，它指的是水面上因为风力或其他因素而产生的波纹，同时水面上反射出周围环境的光线。
在海上风电冲刷坑渲染中，水面反射可以增加海上风电冲刷坑的动态感和美感。水面反射效果可以通过计算每个片元上水面法向量和观察向量之间的反射向量，并根据反射向量从立方体贴图中采样纹素来实现。水波效果可以通过使用一张法线贴图来模拟水面上的波纹，并根据法线贴图和光照信息来计算每个片元上的法向量和高光效果来实现。具体实现水面反射和水波效果的过程如下：
步骤1.根据海底的形状和位置，创建一个平面几何体，用于模拟海面的水平面。创建两个纹理对象，一个用于存储法线贴图，另一个用于存储天空盒贴图。
步骤2.加载一张法线贴图图片，并将其传递给法线贴图对象。与上述天空盒步骤类似，将天空盒贴图，并将其传递给天空盒贴图对象。
步骤3.在着色器程序对象中创建一个顶点着色器和一个片元着色器。顶点着色器需要接收顶点位置和纹理坐标作为属性，并且传递给片元着色器。片元着色器需要接收立方体纹理连接三角形和法线贴图连接三角形作为传递变量。在顶点着色器中，计算每个顶点在世界坐标系下的位置和观察向量，并传递给片元着色器。
步骤4.绘制平面对象，反射向量天空盒纹理贴图的采样坐标。同时，使用纹理坐标来采样法线贴图，并根据法线贴图得到每个片元的法向量，使用Web图形库（WebGL）中的反射函数，根据法向量和观察向量计算反射向量，然后通过反射向量计算天空盒贴图的颜色。
步骤5.使用法向量与光照向量，计算每个片元上的法向量和高光效果，最后，海上风电冲刷坑中就具有一个反射天空盒和波动水面的效果。
如图6所示，应用本发明的一种具体实施例：
在具体应用案例中，某海上风电场需要对其风力发电机的基础结构进行检测和维护，以确保其稳定性和安全性。该风电场共有67台风力发电机，其中36台为6.45MW机组，31台为4MW机组，每台风力发电机的基础结构直径为10米，高度为20米，位于水下10米处。由于风力发电机的基础结构受到水流的冲刷作用，可能会产生冲刷坑，影响其结构完整性。为了有效地检测和评估冲刷坑的情况，该风电场可以使用本发明的冲刷坑三维渲染方法，将声呐扫测技术获取的冲刷坑点云数据转化为三维网格数据，并对冲刷坑进行可视化渲染。通过本发明的方法，可以清晰地看到冲刷坑的形状、位置和深度，以及周围地形的高度和特征，并在水面环境实景可视化效果下，更好地理解和感知冲刷坑的真实情况，可参见图6。这样，可以根据可视化效果，判断冲刷坑是否对风力发电机的基础结构造成了危害，是否需要进行修复或加固，并制定相应的措施和方案。
因而使用本发明的冲刷坑三维渲染方法，该风电场可以节省大量的时间和成本。例如，如果使用传统的展示方法，该风电场需要花费大约数天时间来分析和理解每台风力发电机的基础结构周围的地形数据，并且难以获得对真实环境的认知和感知。而使用本发明的冲刷坑三维渲染方法，只需要花费大约几小时就可以将每台风力发电机的基础结构周围的地形数据转化为三维网格数据，并在海上风电冲刷坑中进行可视化渲染，并且可以获得对真实环境的认知和感知。这样，该风电场可以节省大约90%的时间，并且提高了分析和理解的效率和质量。同时，使用本发明的冲刷坑三维渲染方法，该风电场可以减少对水下工程人员或设备的依赖和投入。例如，如果使用传统的检测和维护方法，如潜水员或水下机器人等，该风电场需要花费大约100万元来对每台风力发电机的基础结构进行检测和维护，并且存在一定的安全风险。而使用本发明的冲刷坑三维渲染方法，该风电场只需要花费大约10万元来购买声呐扫测设备，并且不存在安全风险。这样，该风电场可以节省大约90%的成本，并且降低了检测和维护的难度和危险性。
因此本发明将实景数据与仿真图片进行融合，可以完成海上风电冲刷坑的三维渲染，进而可以实现冲刷坑的实景可视化，相比传统只渲染冲刷坑的方案，可以准确获知冲刷坑以及周围环境的真实状况，因而本发明可以准确地分析和评估冲刷坑对桩基承载力和稳定性的影响，以及为防止冲刷坑的出现提供理论依据。
应用本发明方法的一种设备实施例：
一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法。
应用本发明方法的一种计算机介质实施例：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包括有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备（系统）、计算机程序产品的流程图或/和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图或/和方框图中的每一流程或/和方框以及流程图或/和方框图中的流程或/和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，其特征在于：
包括以下内容：
获取某海上风电冲刷坑的点云数据；
通过先期创建的实景数字模型对点云数据进行剖分，得到冲刷坑网格数据；
利用先期创建的网格转换模型，对冲刷坑网格数据进行处理，生成轻量级模型文件；
根据先期创建的坑滩仿真模型，对轻量级模型文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑；
采用先期创建的虚景孪生模型，在渲染状态冲刷坑的基础上，添加环境元素，得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑，以实现海上风电冲刷坑的三维渲染；
通过实景数字模型得到冲刷坑网格数据的方法如下：
使用德劳内三角剖分算法将点云数据剖分成三角形结构数据；
三角形结构数据包括3列数据，第一列的数据为冲刷坑中心在X方向上的位置数据，第二列的数据为冲刷坑中心在Y方向上的位置数据，第三列的数据为地形的高度数据；
根据位置数据以及高度数据，描绘出若干坐标点；
将若干坐标点进行连接，得到冲刷坑网格数据；
使用德劳内三角剖分算法得到三角形结构数据的方法如下：
步骤21，对点云数据中的散点坐标进行筛选，得到坐标的极大值和极小值；
步骤22，根据坐标的极大值和极小值，创建三角形链表；
步骤23，将点云数据中的散点依次插入三角形链表中，并在三角形链表中找出所述散点的影响三角形；影响三角形为外接圆包括散点的三角形；
步骤24，将影响三角形的公共边删除，并将散点以及影响三角形的全部顶点连接起来，得到连接三角形；
步骤25，检查连接三角形是否满足三角剖分的空圆特性，空圆特性为所述连接三角形的外接圆不包括额外点；
当连接三角形满足三角剖分的空圆特性时，将连接三角形放入三角形链表中；
当连接三角形不满足三角剖分的空圆特性时，交换对角线，得到新形成的连接三角形，并将新形成的连接三角形放入三角形链表中；
步骤26，循环执行步骤23到步骤25，直到所有散点插入完毕，得到赋值完成的三角形链表；
步骤27，将地形的高度数据，输入到赋值完成的三角形链表中，并使用叉乘计算垂直于每个三角面的法向量；
步骤28，将法向量赋值到三角形链表中，得到三角形结构数据；
通过网格转换模型生成轻量级模型文件的方法如下：
步骤31，获取三角形结构数据中的散点以及若干连接三角形；
步骤32，通过赋固定值的方式，将散点的二维坐标信息转化为三维坐标信息，并将三维坐标信息保存到先期建立的坐标几何体中；
步骤33，遍历每个连接三角形，对每个连接三角形的顶点坐标创建索引数据，并将索引数据采用平铺的结构保存到先期建立的索引几何体中；
步骤34，根据散点的属性数据，获取属性数据对应于每个顶点的属性值，并依次保存到先期建立的物理量几何体中，以能与顶点一一对应；
步骤35，将坐标几何体、索引几何体与物理量几何体进行耦合，得到轻量级模型文件；
通过坑滩仿真模型得到渲染状态冲刷坑的方法如下：
步骤41，加载轻量级模型文件；
步骤42，通过先期建立的顶点着色器，对轻量级模型文件进行处理，得到需要展示颜色的物理量以及法向量；
步骤43，利用先期建立的片元着色器，对物理量的属性进行归一化计算得到阈值；
步骤44，将阈值与颜色表进行对照，得到对应物理量的颜色数值；
步骤45，利用先期建立的光照模型，并根据法向量和光源方向，计算海上风电冲刷坑的反射光强度；
步骤46，根据反射光强度以及颜色数值，得到海上风电冲刷坑的最终颜色；
步骤47，根据最终颜色，对轻量级模型文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑；
通过虚景孪生模型添加环境元素的方法如下：
步骤51，创建一个能存储和管理环境元素的纹理对象；
所述环境元素至少包括海床元素、海面元素和天空元素；
步骤52，加载有关环境元素的纹理图像，并传递给纹理对象，使得纹理图像成为纹理对象的内容；
步骤53，根据纹理图像与渲染状态冲刷坑的对应关系，得到纹理坐标；
步骤54，根据纹理坐标，将纹理对象的内容应用到渲染状态冲刷坑表面，使其成为渲染状态冲刷坑的外部环境。
2.如权利要求1所述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，其特征在于：
通过虚景孪生模型添加海床元素的方法如下：
步骤61，根据海底的形状和位置，获取海床元素；
所述海床元素至少包括海底沙滩贴图和水波贴图；
步骤62，根据海床元素，创建第一纹理对象和第二纹理对象；
第一纹理对象，用于存储海底沙滩贴图；
第二纹理对象，用于存储水波贴图；
步骤63，根据第一纹理对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到第一纹理坐标；
根据第二纹理对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到第二纹理坐标，并设置坐标偏移量，以模拟水波波动；
步骤64，根据第一纹理坐标，从第一纹理对象中采样像素值，得到沙滩颜色信息；
根据第二纹理坐标以及坐标偏移量，从第二纹理对象中采样像素值，得到水波颜色信息；
步骤65，沙滩颜色信息和水波颜色信息进行叠加，作为海床的最终颜色；
步骤66，将海床的最终颜色应用到渲染状态冲刷坑表面，得到具有沙滩和水波效果的冲刷坑。
3.如权利要求1所述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，其特征在于：
通过虚景孪生模型添加天空元素的方法如下：
步骤71，根据海上风电冲刷坑的背景和氛围，设置天空元素；
所述天空元素为天空盒，其包括六个方向上的纹理图片，其用于模拟无限远的天空或环境；
步骤72，将六个方向上的纹理图片输入到先期创建的立方体纹理对象上；
步骤73，根据立方体纹理对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到立方体纹理坐标；
步骤74，根据立方体纹理坐标，将六个方向上的纹理图片应用到渲染状态冲刷坑表面，得到一个具有天空盒效果的冲刷坑。
4.如权利要求1所述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法，其特征在于：
通过虚景孪生模型添加海面元素的方法如下：
步骤81，根据海面上的风力以及光线作用效果，设置海面元素；
海面元素为水面反射效果贴图，其包括法线贴图和天空盒贴图；
步骤82，利用先期创建的法线贴图对象加载法线贴图图片，
利用先期创建的天空盒贴图对象加载天空盒贴图；
步骤83，根据法线贴图对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到法线纹理坐标；
根据天空盒贴图对象与渲染状态冲刷坑的对应关系，计算得到天空盒纹理坐标；
步骤84，根据法线纹理坐标、天空盒纹理坐标，计算得到水面法向量；
步骤85，根据水面法向量和光照方向，计算反射向量，并通过反射向量计算水面反射信息；
步骤86，将水面反射信息应用到渲染状态冲刷坑表面，得到一个能反射天空盒和波动水面的冲刷坑。
5.基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染设备，其特征在于：
采用如权利要求1-4任一所述的基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑三维渲染方法；其包括网格数字模块、网格转换模块、坑滩仿真模块和环境孪生模块；
网格数字模块，用于对点云数据进行剖分，得到冲刷坑网格数据；
网格转换模块，用于对冲刷坑网格数据进行处理，生成轻量级模块文件；
坑滩仿真模块，用于对轻量级模块文件进行着色以及渲染，得到渲染状态冲刷坑；
环境孪生模块，用于在渲染状态冲刷坑的基础上，添加环境元素，得到基于数字孪生仿真的海上风电冲刷坑。
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