CN118037962A - 一种实验设备的轻量化三维模型构建方法、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实验设备的轻量化三维模型构建方法、系统及介质;涉及三维建模技术领域;基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理;基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行区域渲染;基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型;本发明在传统的三维模型数据可视化技术的基础上进行了算法优化和创新,融合了实时遮挡数据裁剪方法、四叉树结构的细节层次模型和数据动态装载技术,快速地显示和分析海量真三维数据,以接近人们自然观察方式的表现具有丰富几何细节和相片质感的三维模型,具有与现实世界逼近的视觉体验和空间感知。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模技术领域,具体涉及一种实验设备的轻量化三维模型构建方法、系统及介质。
背景技术
目前,在虚拟现实和数字化建模领域,客观真实地反映现实世界中的实验设备的三维模型,往往具备单体化、实体化、结构化和语义化的综合特征。这些模型通过整合三维几何数据、倾斜摄影数据以及全景图像数据,构建了可以进行空间量算和综合分析的泛三维模型。这种集成多种模型优势的三维数据成果,为设备管理和操作提供了直观的视觉表达。
通过三维模型,管理人员能够对设备进行可视化表达,从而形成对设备位置、外观及其所有关键参数的直观认识。然而,实验设备的真三维模型通常数据量巨大,给传统的三维渲染技术带来了挑战。这些技术难以高效处理和流畅渲染如此庞大的三维场景。渲染速度慢:随着三维模型的数据量增加,渲染时间呈现指数级增长,导致渲染速度变慢,难以满足实时渲染的需求。
显示效果不佳:由于模型数据量大,传统的三维渲染技术无法充分利用GPU的计算能力,导致渲染出来的效果不尽人意,无法满足高精度、高保真度的需求。
数据处理难度大:实验设备的真三维模型数据通常来自不同的来源,并且包含大量的复杂属性数据,需要对这些数据进行处理和整合,以便于进行渲染和分析。但是,传统的数据处理技术难以满足如此大规模的数据处理需求。
可视化交互性差:随着数据量的增加,用户在进行三维模型的交互操作时,往往会出现卡顿、延迟等问题,影响用户体验,这也是传统三维渲染技术的一个缺陷。
现有的三维模型轻量化处理方法无法应用于实验设备的三维模型构建中,且耗费内存大,时间长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:现有的三维模型轻量化处理方法无法应用于实验设备的三维模型构建中,且耗费内存大,时间长,本发明目的在于提供一种实验设备的轻量化三维模型构建方法、系统及介质;在现有的三维模型轻量化处理方法上进行方法上的改进,融合了实时遮挡数据裁剪方法、四叉树结构的细节层次(LOD)模型和数据动态装载技术,快速地显示和分析海量真三维数据,以接近人们自然观察方式的表现具有丰富几何细节和相片质感的三维模型,具有与现实世界逼近的视觉体验和空间感知。
本发明通过下述技术方案实现:
本方案提供一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,包括:
步骤一:获取实验设备的建模数据,并对建模数据进行预处理;所述建模数据包括图像数据;
步骤二:基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理;
步骤三:基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行区域渲染;
步骤四:基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型。
目前,传统的三维模型轻量化处理方法在应用于实验设备的三维模型构建时面临挑战。这些方法往往消耗大量内存,处理时间长,难以适应实验设备三维模型数据量大的特点。由于真三维模型的数据量庞大,传统的三维渲染技术难以高效渲染如此复杂的场景。本发明提出一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,通过算法创新融合实时遮挡裁剪、四叉树LOD模型及动态数据装载技术,实现了对大规模真三维数据的迅速展示与分析,呈现了高细节、照片级真实感的三维模型,提供了逼真的视觉体验和空间感知,近似于人们直观观察现实世界的方式。
进一步优化方案为,所述对建模数据进行预处理包括:
根据用户的操作习惯和历史数据,预测用户视点的移动轨迹,为后续遮挡测试提供先验知识。将大型实验设备场景分割为多个子区域,并为每个子区域建立层次结构的包围盒(空间凸壳范围),以简化遮挡测试的计算复杂度。在用户视点沿特定路径移动时,优先选择临近设备障碍物作为潜在的遮挡物。对于被遮挡的区域,降低渲染优先级或直接跳过渲染,从而减少计算资源消耗。
进一步优化方案为,所述对建模数据进行预处理,还包括:制作定位文件和建立模型的LOD。
进一步优化方案为,所述基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理,包括方法:
利用多个遮挡物对预处理后的图像数据进行可见性测试,识别出图像中的场景区域是否出现全部遮挡或部分遮挡,并识别出图像中所有视点的周边大型遮挡物;所述大型遮挡物表示在实验设备三维模型构建过程中,在垂直于观察方向平面上投影面积的占比超过预设阈值的遮挡物;具体的该预设阈值可以根据实际情形设定为0.1%至50%之间、5%至30%,或10%至20%;这样的遮挡物由于其较大的面积占比,会对实验设备场景的其他部分产生明显的遮挡效果,从而在轻量化模型构建过程中需要特别处理以优化模型的准确性和可视化效果。
重复进行层次结构的可见性测试,将动态遮挡目标数组进行剔除处理:
对于评估动态遮挡目标数组中的每个对象,评估当前对象在可见性测试中的遮挡效果;若当前对象在连续N次可见性测试中未产生遮挡效果,或遮挡效果低于遮挡阈值时,则将当前对象从动态遮挡目标数组中剔除;
对各动态遮挡目标数组进行筛选,移除不符合条件的动态遮挡目标数组。根据剔除后的动态遮挡目标数组,优化实验设备的轻量化三维模型,减少不必要的计算和渲染资源消耗。
进一步优化方案为,所述基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,包括方法:
配置投影参数和金字塔处理级别,随着视点位置的移动对建模数据进行重采样,并建立金字塔根据建模数据得到中间数据;
修改中间数据:设置背景数据,基于背景数据对中间数据进行勾边融合;
将修改后的中间数据打包生成系统加载包数据格式;
基于第一细节的层次表示三维模型中视点周围的区域,基于第二细节的层次表示三维模型中远离视点的区域,其中第一细节的精度大于第二细节的精度。
进一步优化方案为,所述基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行区域渲染,包括方法:
基于视相关的LOD简化方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的模型表示;
将实验设备场景分割成多个大小不同的区域,其中视点周围的区域分割面积大于远离视点的区域;
对所有区域进行渲染。
进一步优化方案为,所述对所有区域进行渲染,包括方法:
T1,对于尺寸在第一区间的区域,默认设置进行第一细节渲染;
对于尺寸在第二区间的区域,默认设置进行第二细节渲染;
对于尺寸在第三区间的区域,默认设置进行第三细节渲染;
其中第一区间、第二区间和第三区间的尺寸依次减小;第一细节渲染、第二细节渲染和第三细节渲染的渲染精度依次减小;
T2,获取观察视角和观察视距,当区域i的观察视距小于第一观察阈值且观察视角覆盖整个区域i时,增加区域i的渲染精度;当区域i的观察视距大于第二观察阈值且观察视角完全不覆盖区域i时,减小区域i的渲染精度;其中第一观察阈值小于第二观察阈值。
进一步优化方案为,还包括:步骤五,基于文件系统存储三维模型。
本方案还提供一种实验设备的轻量化三维模型构建系统,其特征在于,用于实现上述的实验设备的轻量化三维模型构建方法,包括:
预处理模块,用于获取实验设备的建模数据,并对建模数据进行预处理;所述建模数据包括图像数据;
裁剪模块,用于基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理;
表示渲染模块,用于基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行正方形区域的渲染;
描绘输出模块,用于基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型。
本方案还提供一种计算机可读介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行可实现如上述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
本发明提供的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法、系统及介质,在传统的三维模型数据可视化技术的基础上进行了算法优化和创新,融合了实时遮挡数据裁剪方法、四叉树结构的细节层次(LOD)模型和数据动态装载技术,快速地显示和分析海量真三维数据,以接近人们自然观察方式的表现具有丰富几何细节和相片质感的三维模型,具有与现实世界逼近的视觉体验和空间感知。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。在附图中:
图1为实验设备的轻量化三维模型构建方法流程示意图;
图2为实时遮挡数据裁剪方法原理示意图;
图3为三维模型表示及渲染过程原理示意图;
图4为基于分块数据的动态数据页的建立示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
现有的三维模型轻量化处理方法无法应用于实验设备的三维模型构建中,且耗费内存大,时间长;本发明提供以下实施例解决上述技术问题:
实施例1
本实施例提供一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,如图1所示,包括:
步骤一:获取实验设备的建模数据,并对建模数据进行预处理;所述建模数据包括图像数据;
所述对建模数据进行预处理包括:
基于catia模型对建模数据进行数据格式转换,并优化数据结构。
将从catia模型中提取原始的几何数据、拓扑数据、属性数据等处理成以下格式之一或组合:
a.标准三维模型格式:如STL(Stereolithography),OBJ(Wavefront Object),FBX(Filmbox),GLTF(GL Transmission Format)等,这些格式便于在不同建模和渲染软件之间交换数据。
b.中间件格式:如3DM(Rhinoceros 3D),IV(Open Inventor),X3D(Extensible3D)等,这些格式可以提供更高效的数据处理和渲染性能。
优化数据结构包括以下过程:
a.网格简化:减少模型中的三角形面片数量,通过合并顶点、删除不可见面片等方法,降低模型复杂性。
b.LOD(Level of Detail)结构:创建不同细节层次的模型版本,根据观察距离和重要性动态切换。
c.数据压缩:采用数据压缩算法减少模型数据的存储空间,如几何压缩、纹理压缩等。
d.索引优化:优化几何和纹理数据的索引结构,提高数据访问和渲染的效率。
具体的根据用户的操作习惯和历史数据,预测用户视点的移动轨迹,为后续遮挡测试提供先验知识。将大型实验设备场景分割为多个子区域,并为每个子区域建立层次结构的包围盒(空间凸壳范围),以简化遮挡测试的计算复杂度。在用户视点沿特定路径移动时,优先选择临近设备障碍物作为潜在的遮挡物。对于被遮挡的区域,降低渲染优先级或直接跳过渲染,从而减少计算资源消耗。
还包括:制作定位文件和建立模型的LOD;LOD是专门为流式传输和渲染海量3D地理空间数据而设计的,例如倾斜摄影、3D建筑、BIM/CAD、实例化要素集和点云,它定义了一种数据分层结构和一组切片格式,用于渲染数据内容。
步骤二:基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理,包括方法:
利用多个遮挡物对预处理后的图像数据进行可见性测试,识别出图像中的场景区域是否出现全部遮挡或部分遮挡,并识别出图像中所有视点的周边大型遮挡物;所述大型遮挡物表示在实验设备三维模型构建过程中,在垂直于观察方向平面上投影面积的占比超过预设阈值的遮挡物;(具体的该预设阈值可以根据实际情形设定为0.1%至50%之间、5%至30%,或10%至20%;这样的遮挡物由于其较大的面积占比,会对实验设备场景的其他部分产生明显的遮挡效果,从而在轻量化模型构建过程中需要特别处理以优化模型的准确性和可视化效果。)
重复进行层次结构的可见性测试,将动态遮挡目标数组进行剔除处理:
对于评估动态遮挡目标数组中的每个对象,评估当前对象在可见性测试中的遮挡效果;若当前对象在连续N次可见性测试中未产生遮挡效果,或遮挡效果低于遮挡阈值时,则将当前对象从动态遮挡目标数组中剔除;
对各动态遮挡目标数组进行筛选,移除不符合条件的动态遮挡目标数组。根据剔除后的动态遮挡目标数组,优化实验设备的轻量化三维模型,减少不必要的计算和渲染资源消耗。
如图2所示,实时遮挡数据裁剪方法在图形流水线的早期就去掉不可见多边形,以避免对场景中不可见部分不必要的处理,剔除不可见的部分,从而提高渲染效率和图像质量。其核心思想是:首先利用若干遮挡物(根据视点移动的先验知识进行选择)进行简单的可见性测试,以识别场景的某些区域(空间凸壳范围,也即层次结构的包围盒)是否被全部或部分遮挡,然后再进行所有瞬间视点附近的大型遮挡物识别预处理,最后又反复进行一种层次结构的可见性测试,以保证尽量少的、离视点近的动态遮挡目标数组被处理,该方法使用一种KD树来组织多边形数据,充分利用了空间连贯性,同时缓存跨视点的遮挡关系和大型遮挡物,又充分利用了视点移动过程中的时间连贯性,因此对三维模型的实时处理具有较高的效率。
步骤三:基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行区域渲染;如图3所示,包括方法:
配置投影参数和金字塔处理级别,随着视点位置的移动对建模数据进行重采样,并建立金字塔根据建模数据得到中间数据;
修改中间数据:设置背景数据,基于背景数据对中间数据进行勾边融合;
将修改后的中间数据打包生成系统加载包数据格式;
基于第一细节的层次表示三维模型中视点周围的实验设备,基于第二细节的层次表示三维模型中远离视点的区域,其中第一细节的精度大于第二细节的精度。
还包括方法:
基于视相关的LOD简化方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的模型表示;
将实验设备场景分割成多个大小不同的区域,其中视点周围的区域分割面积大于远离视点的区域
所述对所有区域进行渲染,包括方法:
T1,对于尺寸在第一区间的区域,默认设置进行第一细节渲染;第一细节渲染为高细节渲染,使用高质量的光照和阴影计算,以及高分辨率的纹理映射。
对于尺寸在第二区间的区域,默认设置进行第二细节渲染;第二细节渲染为中等细节渲染,使用简化的光照模型和中等分辨率的纹理。
对于尺寸在第三区间的区域,默认设置进行第三细节渲染;第三细节渲染为低细节渲染,采用简化模型或体素化渲染技术,减少面片和纹理的使用。
其中第一区间、第二区间和第三区间的尺寸依次减小;第一细节渲染、第二细节渲染和第三细节渲染的渲染精度依次减小;
T2,获取观察视角和观察视距,当区域i的观察视距小于第一观察阈值且观察视角覆盖整个区域i时,增加区域i的渲染精度;当区域i的观察视距大于第二观察阈值且观察视角完全不覆盖区域i时,减小区域i的渲染精度;其中第一观察阈值小于第二观察阈值。
根据实时渲染需求和硬件性能,自动调整不同区域的渲染参数。算法应考虑帧率、分辨率、硬件能力等因素,以确保流畅的用户体验。实时监测用户交互和系统性能,根据反馈调整渲染策略;当检测到性能瓶颈时,动态降低某些区域的渲染质量,以保证整体渲染效率和用户体验。
视相关的LOD简化方法依据视点的位置和方向合理地选择多分辨率的模型表示,视点周围的区域用高细节的层次表示,远离视点的区域用较粗糙的细节表示;提高绘制率可以通过对四叉树的分割来实现,即将实验设备场景分割成一个个大小不同的区域,近视点分割得大些,远视点分割得小些;渲染这些大小不同的正方形区域,从而达到LOD不同细节层级渲染的目的,有效简化、控制场景的数据复杂度;采用这种方法时,要将原始的模型数据进行处理,经过原始栅格数据→中间成果→包成果数据三个阶段,其中在由原始数据生成中间数据的过程中,需要设置投影参数和处理级别。随着视点的移动进行重采样和建立金字塔;之后,再对中间数据进行修改,主要是勾选,设置背景数据进行融合;最后,再将修改后的中间数据,通过打包生成系统加载的包数据格式。
步骤四:基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型;基于分块数据的动态数据页的建立示意图如图4所示。
步骤五,基于文件系统存储三维模型。
实施例2
本实施例提供一种实验设备的轻量化三维模型构建系统,用于实现上述实施例1的实验设备的轻量化三维模型构建方法,包括:
预处理模块,用于获取实验设备的建模数据,并对建模数据进行预处理;所述建模数据包括图像数据;
裁剪模块,用于基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理;
表示渲染模块,用于基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行正方形区域的渲染;
描绘输出模块,用于基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型。
实施例3
本实施例提供一种计算机可读介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行可实现如实施例1的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,包括:
步骤一:获取实验设备的建模数据,并对建模数据进行预处理;所述建模数据包括图像数据;
步骤二:基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理;
步骤三:基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行区域渲染;
步骤四:基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,所述对建模数据进行预处理,包括方法:基于catia模型对建模数据进行数据格式转换,并优化数据结构。
3.根据权利要求2所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,所述对建模数据进行预处理,还包括:制作定位文件和建立模型的LOD。
4.根据权利要求1所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,所述基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理,包括方法:
利用多个遮挡物对预处理后的图像数据进行可见性测试,识别出图像中的场景区域是否出现全部遮挡或部分遮挡,并识别出图像中所有视点的周边大型遮挡物;所述大型遮挡物表示在实验设备三维模型构建过程中,在垂直于观察方向平面上投影面积的占比超过预设阈值的遮挡物;
重复进行层次结构的可见性测试,将动态遮挡目标数组进行剔除处理:
对于评估动态遮挡目标数组中的每个对象,评估当前对象在可见性测试中的遮挡效果;若当前对象在连续N次可见性测试中未产生遮挡效果,或遮挡效果低于遮挡阈值时,则将当前对象从动态遮挡目标数组中剔除;
对各动态遮挡目标数组进行筛选,移除不符合条件的动态遮挡目标数组。根据剔除后的动态遮挡目标数组,优化实验设备的轻量化三维模型,减少不必要的计算和渲染资源消耗。
5.根据权利要求1所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,所述基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,包括方法:
配置投影参数和金字塔处理级别,随着视点位置的移动对建模数据进行重采样,并建立金字塔根据建模数据得到中间数据;
修改中间数据:设置背景数据,基于背景数据对中间数据进行勾边融合;
将修改后的中间数据打包生成系统加载包数据格式;
基于第一细节的层次表示三维模型中视点周围的区域,基于第二细节的层次表示三维模型中远离视点的区域,其中第一细节的精度大于第二细节的精度。
6.根据权利要求5所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,所述基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行区域渲染,包括方法:
基于视相关的LOD简化方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的模型表示;
将实验设备场景分割成多个大小不同的区域,其中视点周围的区域分割面积大于远离视点的区域;
对所有区域进行渲染。
7.根据权利要求6所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,所述对所有区域进行渲染,包括方法:
T1,对于尺寸在第一区间的区域,默认设置进行第一细节渲染;
对于尺寸在第二区间的区域,默认设置进行第二细节渲染;
对于尺寸在第三区间的区域,默认设置进行第三细节渲染;
其中第一区间、第二区间和第三区间的尺寸依次减小;第一细节渲染、第二细节渲染和第三细节渲染的渲染精度依次减小;
T2,获取观察视角和观察视距,当区域i的观察视距小于第一观察阈值且观察视角覆盖整个区域i时,增加区域i的渲染精度;当区域i的观察视距大于第二观察阈值且观察视角完全不覆盖区域i时,减小区域i的渲染精度;其中第一观察阈值小于第二观察阈值。
8.根据权利要求1所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法,其特征在于,还包括:步骤五,基于文件系统存储三维模型。
9.一种实验设备的轻量化三维模型构建系统,其特征在于,用于实现权利要求1-8任意一项所述的实验设备的轻量化三维模型构建方法,包括:
预处理模块,用于获取实验设备的建模数据,并对建模数据进行预处理;所述建模数据包括图像数据;
裁剪模块,用于基于实时遮挡数据裁剪方法对预处理后的图像数据进行裁剪处理;
表示渲染模块,用于基于四叉树结构的多分辨率LOD方法依据视点的位置和方向选择多分辨率的三维模型表示,并对三维模型进行正方形区域的渲染;
描绘输出模块,用于基于数据分层、分块以及数据页动态更新方法对步骤三得到的三维模型进行实时描绘,然后输出三维模型。
10.一种计算机可读介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-8中任意一项所述的一种实验设备的轻量化三维模型构建方法。
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CN202410270788.1A CN118037962A (zh) | 2024-03-11 | 2024-03-11 | 一种实验设备的轻量化三维模型构建方法、系统及介质 |
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