CN209640854U - 可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，主要由数据端、数据预处理端、控制端、交互端和像素矩阵沙盘组成；所述的控制端包括显示计算模块和工控模块；所述的像素矩阵沙盘主要由若干个显示单元和底座；所述的数据端分别与数据预处理端、显示计算模块相连接；所述的交互端与显示计算模块相连接；所述的显示计算模块还分别与工控模块、像素单元相连接；所述的工控模块还与升降杆相连接。本实用新型可以进行人机交互，实时根据终端中对影像浏览的操作完成显示范围及显示级别的调整，能真实模拟地理场景。

Description

可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统

技术领域

本实用新型涉及一种电子沙盘，特别是一种可进行人机交互，且显示范围、比例尺可控的能真实模拟地理场景的像素矩阵沙盘系统。

背景技术

电子沙盘是在矢量地图数据与显示子系统的支撑下，把虚拟现实的理论和技术应用到环境仿真领域所形成的技术系统，是认识区域地形替代实地考察的有力工具。随着电子地图、地理信息技术、虚拟现实技术的发展，电子沙盘的应用已经逐渐渗透到人们生活中的各个领域。

传统物理沙盘，即利用泥沙等工业素材通过传统方法浇筑堆积而起的地理场景，它以实物三维的形式来表现地形地貌，能够细腻、逼真地再现地貌形态的高低起伏，能较好地显示地物地貌之间相互关系和位置，具备比二维平面地图更为明显的实用性和观赏性。但是缺点是占地面积大，制作工艺复杂，部署携带不方便，表现内容固定并且难以实时更新。

在2013年12月25日公开的发明专利（公开号为CN103473981A）中，披露了一种电子沙盘系统及方法，其内容摘要如下；“本发明涉及一种沙盘，特别是一种立体感强、形象直观，能逼真模拟各种地形和城市环境的电子沙盘及其方法。本发明的一种电子沙盘系统，包括场景构建模块、计算模块、控制模块和演示模块。其中，演示模块包括一个由多个柱状显示单元组成的显示矩阵，柱状显示单元的顶部平面和各侧面均为显示屏幕，通过柱状显示单元的升降模拟地形和地物的形状，通过柱状显示单元的显示屏幕模拟地形和地物的色彩和纹理。本发明显示效果逼真，立体感强，能同时对三维场景的形状和纹理进行细致的描述，操作灵活，能动态调整沙盘设计方案，并实现实时同步显示，更新方便并且可扩展性强。” 该发明摒弃了传统物理沙盘实体的表现形式，是以地形数据为基础，结合计算机图形图像技术生成3D地形，通过柱状显示单元的升降模拟地形和地物的形状，通过柱状显示单元的显示屏幕模拟地形和地物的色彩和纹理，信息量相对传统物理沙盘更丰富。但是缺点在于缺乏人机交互，构建的地形或地物为事先计算预设的结果，无法实现实时更改显示比例尺或显示范围联动地控制电子沙盘的相应变化，且在比例尺大的情况下精细的模型构建效率较低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的电子沙盘的交互程度低、三维地理场景沙盘构建难以动态变化、精细模型构建效率低等问题，提供了一种可进行人机交互，且显示范围、比例尺可控的能真实模拟地理场景的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，主要由数据端、数据预处理端、控制端、交互端和像素矩阵沙盘组成；所述的数据端包括至少一个用于接收并存储与影像融合后的带有光谱信息的LiDAR点云数据以及存储经过数据预处理端处理完成后的栅格化数据的数据库服务器；所述的数据预处理端包括至少一个应用服务器；所述的应用服务器用于对输入的LiDAR点云数据进行一系列自动化的预处理操作，在导入沙盘系统前预先处理好数据，能够提高后续沙盘构建的效率；所述的控制端主要用于将数据端存储的栅格化数据按照交互端设定的显示级别和显示范围在像素矩阵沙盘上进行三维地理场景构建，其包括显示计算模块和工控模块；所述的像素矩阵沙盘主要由若干个显示单元和底座；每一个显示单元由像素单元及升降杆组成，像素单元安装在升降杆的顶端，升降杆的底端安装在底座上；所述的数据端与数据预处理端通过数据线Ⅰ相连接，进行数据双向传输；所述的数据端还与控制端的显示计算模块通过数据线Ⅱ相连接；所述的交互端与控制端的显示计算模块通过数据线Ⅲ相连接；所述的显示计算模块还分别与工控模块、像素矩阵沙盘的像素单元相连接；所述的工控模块还与像素矩阵沙盘的升降杆相连接；控制端的显示计算模块实时获取交互端当前的显示级别和显示范围，计算在像素矩阵沙盘显示的栅格化数据的范围和等级，获取每个栅格单元的RGB值和高程值，将RGB值信息发送到像素矩阵沙盘对应的像素单元中，将高程值信息发送至工控装置来控制调整像素矩阵沙盘的升降杆的高度。

在本实用新型中，LiDAR点云数据是水平点间距小于1m、垂直精度在15～20cm左右的密集点阵数据，其具有密集且不连续分布的特点，能够很细致的描绘地形和地物，加之与对应影像融合之后的LiDAR点云数据则带有光谱信息，则能够更好的反映各类地物。基于以上LiDAR点云数据在精细三维地理场景构建上的优势，本实用新型将其作为数据源。

数据预处理端的应用服务器对LiDAR点云数据进行一系列自动化的预处理操作主要包括：剔除粗差点，包括极高、极低点、孤立点等；转换成独立直角坐标系；在每一个显示级别下，根据每个栅格单元内能容纳的最大点云数的条件进行点云简化，即每一个显示级别下对应一组点云；对每一个显示级别对应的点云进行栅格化，不包含任何点云数据的栅格单元将通过内插的方法赋值，每组栅格化数据对应一个等级，每个栅格单元记录一个RGB值和高程值。

像素矩阵沙盘主要用于动态构建三维地理场景，可以由m*n个（m和n均为整数）显示单元组成（即像素矩阵），三维表达的精细程度与m*n的值成正比。

作为本实用新型的进一步说明，所述的像素单元为5面像素方体，显示同一种RGB值，RGB值由显示计算模块发送。

作为本实用新型的进一步说明，所述的升降杆为金属可伸缩杆，用于调整像素单元的高度，其高度由工控模块控制。

作为本实用新型的进一步说明，所述的交互端采用PC或者平板电脑或者手机。交互端主要用于浏览点云数据对应的影像，及可实现放大、缩小、平移等基本地图操作，并可将县市级别和显示范围信息发送给显示计算模块。

作为本实用新型的进一步说明，为保证计算效率和显示效率，所述的显示计算模块处理器至少采用Xeon E5-2690 v3。为保证金属可伸缩杆高度控制的精准和高效，所述工控模块采用基于PC总线的以DSP和FPGA作为核心处理器的运动控制器，利用其DSP的高速数据处理能力和FPGA的超强逻辑处理能力，实现功能完善、性能优越的运动控制。

与现有技术相比较，本实用新型具备有益效果：

（1）本实用新型涉及的可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，三维模拟效果逼真，能对三维地理场景进行精细的描绘；

（2）本实用新型调用的是已预先处理好的栅格化数据，计算量小，三维地理场景构建效率高；

（3）本实用新型可通过PC、平板电脑或手机等终端实现人机交互，实时根据终端中对影像浏览的操作完成显示范围及显示级别的调整。

（4）本实用新型运用广泛；可用于研究地形、确定部署、进行规划、指挥调度、研究方案、 展览展示等，可以满足客户的个性化需求。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的结构示意图。

图2是本实用新型一实施例中像素矩阵沙盘的结构示意图。

图3是本实用新型一实施例中像素矩阵沙盘的显示单元结构示意图。

图4是本实用新型一实施例中四个不同大小栅格等级显示范围和位置示意图。

附图标记：1-像素单元，2-升降杆，3-底座。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

实施例1：

一种可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，主要由数据端、数据预处理端、控制端、交互端和像素矩阵沙盘组成（如图1所示）；所述的数据端包括至少一个用于接收并存储与影像融合后的带有光谱信息的LiDAR点云数据以及存储经过数据预处理端处理完成后的栅格化数据的数据库服务器；所述的数据预处理端包括至少一个用于对输入的LiDAR点云数据进行一系列自动化的预处理操作的应用服务器；所述的控制端包括显示计算模块和工控模块；所述的像素矩阵沙盘主要由若干个显示单元和底座3；每一个显示单元由像素单元1及升降杆2组成，像素单元1固定安装在升降杆2的顶端，升降杆2的底端固定安装在底座3上（如图2、3所示）；所述的数据端与数据预处理端通过数据线Ⅰ相连接，进行数据双向传输；所述的数据端的数据输出端还与控制端的显示计算模块的数据输入端通过数据线Ⅱ相连接；所述的交互端的数据输出端与控制端的显示计算模块的数据输入端通过数据线Ⅲ相连接；所述的显示计算模块的数据输出端还分别与工控模块的数据输入端、像素矩阵沙盘的像素单元1相连接；所述的工控模块的控制信号输出端还与像素矩阵沙盘的升降杆2相连接；控制端的显示计算模块实时获取交互端当前的显示级别和显示范围，计算在像素矩阵沙盘显示的栅格化数据的范围和等级，获取每个栅格单元的RGB值和高程值，将RGB值信息发送到像素矩阵沙盘对应的像素单元1中，将高程值信息发送至工控装置来控制调整像素矩阵沙盘的升降杆2的高度。

所述的像素单元1为5面像素方体，显示同一种RGB值。所述的升降杆2为金属可伸缩杆。所述的交互端采用PC或者平板电脑或者手机。

在本实施例中，数据端中的数据库服务器，将其存储的影像融合后的带有光谱信息的LiDAR点云数据(覆盖图幅规格为500mm*500mm)，发送至数据预处理端的应用服务器中，由应用服务器中自动化预处理工具对LiDAR点云数据进行一系列的数据预处理工作，并导出按照显示等级分别存储的多个栅格化数据。显示等级采用基本比例尺，设一个栅格单元边长为1mm，对应点云数据覆盖图幅规格为500mm*500mm，一个显示等级对应一个栅格等级，则栅格等级1（比例尺1:5000）栅格数据规格应为500*500，对应实地规格为2.5km*2.5km；栅格等级2（比例尺1:2000）栅格数据规格应为1250*1250；栅格等级3（比例尺1:1000）栅格数据规格应为2500*2500；栅格等级4（比例尺1:500）栅格数据规格应为5000*5000。每个显示等级下的点云数据完成栅格化后，每个栅格等级的栅格单元都记录了RGB值与高程值。图2中所示的像素矩阵沙盘5由500*500个显示单元和底座组成。而图3所示的显示单元由像素单元和升降杆组成，其中像素单元由5面正方形LED单元构成，一个正方形LED单元规格为4mm*4mm，每一个像素单元显示的是由显示计算模块计算出来的RGB值。根据交互端的不同操作场景，举例说明像素矩阵沙盘动态改变其显示级别和显示范围的效果。

场景1：当人利用交互端浏览该影像数据时，终端浏览器显示范围为500mm*500mm，并无放大操作，则像素矩阵沙盘显示的是栅格等级1的数据，如图4中的等级1。升降杆高度调整至等级1对应范围内的栅格高程值。

场景2：当人利用交互端浏览该影像数据时，终端浏览器显示范围为200mm*200mm，并进行了放大一级显示等级且向WN方向平移若干距离的操作，则像素矩阵沙盘显示的是栅格等级2的数据，显示范围和位置如图4中的等级2。升降杆高度调整至等级2中对应范围内的栅格高程值。

以此类推，栅格等级3和等级4的放大操作或平移操作后的显示范围和位置如图4所示。

虽然上文已经根据各种特定的实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型不限于此，如显示单元的个数越多，即像素矩阵行列值越大，对于三维地理场景的构建来说将更为精细；再如像素单元的规格也不限于4mm；再如显示等级也不限于只有4个等级，可在一定的比例尺范围内继续细分，以达到更多的显示等级。

Claims (4)

1.一种可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，其特征在于：主要由数据端、数据预处理端、控制端、交互端和像素矩阵沙盘组成；

所述的数据端包括至少一个用于接收并存储与影像融合后的带有光谱信息的LiDAR点云数据以及存储经过数据预处理端处理完成后的栅格化数据的数据库服务器；

所述的数据预处理端包括至少一个用于对输入的LiDAR点云数据进行一系列自动化的预处理操作的应用服务器；

所述的控制端包括显示计算模块和工控模块；

所述的像素矩阵沙盘主要由若干个显示单元和底座（3）；每一个显示单元由像素单元（1）及升降杆（2）组成，像素单元（1）固定安装在升降杆（2）的顶端，升降杆（2）的底端固定安装在底座（3）上；

所述的数据端与数据预处理端通过数据线Ⅰ相连接，进行数据双向传输；所述的数据端还与控制端的显示计算模块通过数据线Ⅱ相连接；

所述的交互端与控制端的显示计算模块通过数据线Ⅲ相连接；

所述的显示计算模块还分别与工控模块、像素矩阵沙盘的像素单元（1）相连接；

所述的工控模块还与像素矩阵沙盘的升降杆（2）相连接；

控制端的显示计算模块实时获取交互端当前的显示级别和显示范围，计算在像素矩阵沙盘显示的栅格化数据的范围和等级，获取每个栅格单元的RGB值和高程值，将RGB值信息发送到像素矩阵沙盘对应的像素单元（1）中，将高程值信息发送至工控装置来控制调整像素矩阵沙盘的升降杆（2）的高度。

2.根据权利要求1所述的可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，其特征在于：所述的像素单元（1）为5面像素方体，显示同一种RGB值。

3.根据权利要求1所述的可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，其特征在于：所述的升降杆（2）为金属可伸缩杆。

4.根据权利要求1所述的可人机交互的基于LiDAR点云的像素矩阵沙盘系统，其特征在于：所述的交互端采用PC或者平板电脑或者手机。