面向电网培训业务的变电站三维仿真系统数据库建模系统的制作方法

本发明涉及数据库建模技术领域，具体涉及一种面向电网培训业务的变电站三维仿真系统数据库建模系统。

背景技术：

现阶段对变电站员工培训工作主要通过师傅授课、ppt展示、运行设备的外观展示等方式实现，新员工变电站实际操作及异常处理没有直观的认识，同时现阶段供员工实操的培训平台也相对较少，难以满足当前以及未来员工对培训工作的需求。目前，对变电运维员工的培训，存在以下问题：1、未经培训的员工，不具备操作资格，无法参加倒闸操作培训。仅仅通过观看师父操作，无法达到培训效果；2、新建培训变电站耗时长、费用昂贵，占地面积大，经济性较差，且难以覆盖所有设备类型；3、异常处理在日常工作中占据十分重要的位置，且一旦发生，需要员工快速正确处理。而往往日常工作中无法模拟异常场景对员工培训，导致培训效果较差。

因此，亟需建立一个面向电网培训业务的变电站三维仿真系统数据库建模系统，以解决上述技术问题

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种面向电网培训业务的变电站三维仿真系统数据库建模系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种面向电网培训业务的变电站三维仿真系统数据库建模系统，该建模系统包括：

场景三维模型构建模块，用于构建变电站三维场景模型；

电力设备模型构建模块，用于构建电力设备的三维仿真模型；

虚拟角色模型构建模块，用于构建虚拟角色模型；

模型库管理模块，用于存储所述场景三维模型构建模块、电力设备模型构建模块和虚拟角色模型构建模块构建的模型数据；

三维可视化平台，用于从所述模型库管理模块调取所需要的模型数据并进行显示。

在一种可选的实施方式中，所述场景三维模型构建模块包括：激光点云数据采集单元、激光点云数据处理单元和模型构建单元；

所述激光点云数据采集单元，用于基于移动三维激光扫描系统，对变电站内部设备和外部结构进行三维扫描，获取所述变电站内部设备和外部结构信息的激光点云数据，其中，所述激光点云数据包括：激光点数坐标；

所述激光点云数据处理单元，对所述激光点云数据进行去噪、索引、配准、压缩、曲面拟合，得到处理后的激光点云数据；

所述模型构建单元，基于处理后的激光点云数据，构建变电站三维场景模型。

在一种可选的实施方式中，所述电力设备模型构建模块包括：图像采集单元、图像处理单元、特征提取单元、立体匹配单元和三维模型构建单元；

所述图像采集单元，用于从多角度、全方位采集待建模电力设备的多张图像，并将采集到的图像传输到所述图像处理单元；

所述图像处理单元，用于对接收到的图像进行处理；

所述特征提取单元，用于从处理后的图像中提取各图像的特征点；

所述立体匹配单元，用于将各图像的特征点转换为三维特征点，并计算得到各图像的深度图像；

所述三维模型构建单元，基于得到的各图像的深度图像，得到所述待建模电力设备各三维特征点的三维空间坐标，即得到待建模电力设备的三维仿真模型。

在一种可选的实施方式中，所述虚拟角色模型构建模块包括：原画构建单元、表面模型制作单元和骨骼模型构建单元；

所述原画构建单元，用于构建虚拟角色的原画；

所述表面模型制作单元，根据构建的原画的大小、尺寸和整体结构，利用3dmax软件创建虚拟角色的基本人体结构，并对所述基本人体结构进行贴图处理，得到虚拟角色表面模型；

所述骨骼模型构建单元，用于将所述虚拟角色表面模型划分为多个虚拟角色块，确定各虚拟角色块的关节点，根据得到的关节点确定各虚拟角色块的骨骼，进而得到虚拟角色的骨骼模型。

在一种可选的实施方式中，所述图像处理单元包括：图像降噪子单元和边缘检测子单元；

所述图像降噪子单元，用于对接收到的图像进行灰度化转换，并对灰度化后的图像进行降噪操作；

所述边缘检测子单元，用于对降噪后的图像进行边缘检测，得到只包含电力设备信息的子图像。

在一种可选的实施方式中，所述的对灰度化后的图像进行降噪操作，具体是：

(1)在nsct域上对灰度化的图像进行稀疏分解，得到分解后的高频子带系数和低频子带系数；

(2)利用下式对高频子带系数进行修正，得到修正后的高频子带系数；

式中，g'k,s(i,j)是修正后的k尺度，第s个高频子带、位置为(i,j)上的高频子带系数，gk,s(i,j)是修正前的k尺度，第s个高频子带、位置为(i,j)上的高频子带系数，maxgk,s是k尺度，第s个高频子带上的高频子带系数的最大值，α为幅度调节因子，其取值范围为[0.735,1],β是增益强度调节因子，其取值范围为[20,50]，γ是曲线形状调节因子，其取值大于1；

(3)将修正后的高频子带系数和低频子带系数进行nsct逆变换，即可得到降噪后的图像。

本发明的有益效果为：本发明通过构建变电站三维场景模型、电力设备的三维仿真模型和虚拟角色模型，进而通过三维可视化平台进行显示。该建模系统能够真实地还原变电站场景以及变电站内各电力设备，为后续电网培训业务的开展奠定了基础。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种变电站三维仿真系统数据库建模系统的框架结构图；

图2是本发明实施例提供的场景三维模型构建模块的框架结构图；

图3是本发明实施例提供的电力设备模型构建模块的框架结构图；

图4是本发明实施例提供的虚拟角色模型构建模块的框架结构图。

附图标记：场景三维模型构建模块1、电力设备模型构建模块2、虚拟角色模型构建模块3、模型库管理模块4、三维可视化平台5、激光点云数据采集单元6、激光点云数据处理单元7、模型构建单元8、图像采集单元9、图像处理单元10、特征提取单元11、立体匹配单元12、三维模型构建单元13、原画构建单元14、表面模型制作单元15、骨骼模型构建单元16、图像降噪子单元17、边缘检测子单元18。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1示出了一种面向电网培训业务的变电站三维仿真系统数据库建模系统，该建模系统包括：场景三维模型构建模块1、电力设备模型构建模块2、虚拟角色模型构建模块3、模型库管理模块4和三维可视化平台5。

其中，场景三维模型构建模块1，用于构建变电站三维场景模型；

电力设备模型构建模块2，用于构建电力设备的三维仿真模型；

虚拟角色模型构建模块3，用于构建虚拟角色模型；

模型库管理模块4，用于存储所述场景三维模型构建模块1、电力设备模型构建模块2和虚拟角色模型构建模块3构建的模型数据；

三维可视化平台5，用于从所述模型库管理模块4调取所需要的模型数据并进行显示。

本发明实施例通过构建变电站三维场景模型、电力设备的三维仿真模型和虚拟角色模型，进而通过三维可视化平台进行显示。该建模系统能够真实地还原变电站场景以及变电站内各电力设备，为后续电网培训业务的开展奠定了基础。

参见图2，场景三维模型构建模块1包括：激光点云数据采集单元6、激光点云数据处理单元7和模型构建单元8；

所述激光点云数据采集单元6，用于基于移动三维激光扫描系统，对变电站内部设备和外部结构进行三维扫描，获取所述变电站内部设备和外部结构信息的激光点云数据，其中，所述激光点云数据包括：激光点数坐标。

采用移动三维激光扫描系统，该系统无需gps等辅助技术便可实现室内外三维扫描，实现了在没有gps和复杂惯性导航系统的环境下，仅仅依靠该系统自身配置的简单惯性测量装置，基于slam(实时定位与制图)算法，可以解决大面积、大场景的连续特征匹配，一次可以采集数万平方米面积的区域，实现了厘米级三维数据的获取。

所述激光点云数据处理单元7，对所述激光点云数据进行去噪、索引、配准、压缩、曲面拟合，得到处理后的激光点云数据。

在激光点云数据采集完成后，基于原始轨迹的特征匹配、平差计算优化轨迹精度、基于精准轨迹的点云二次计算和基于测量原理的slam算法，对imu的原始轨迹进行计算。在数据校准整理完毕后，通过软件处理构建出粗略的框架模型，用以配合精细激光点云数据进行修正处理，细节补充。

所述模型构建单元8，基于处理后的激光点云数据，构建变电站三维场景模型。

作为优选，变电站三维场景模型在纹理制作完成后，还需要对该模型进行进一步模型优化、增强模型材质真实质感和场景调校等一系列优化调校工作，提高该模型的三维展示效果。

参见图3，电力设备模型构建模块2包括：图像采集单元9、图像处理单元10、特征提取单元11、立体匹配单元12和三维模型构建单元13；

所述图像采集单元9，用于从多角度、全方位采集待建模电力设备的多张图像，并将采集到的图像传输到所述图像处理单元10；

所述图像处理单元10，用于对接收到的图像进行处理；

所述特征提取单元11，用于从处理后的图像中提取各图像的特征点；

所述立体匹配单元12，用于将各图像的特征点转换为三维特征点，并计算得到各图像的深度图像；

所述三维模型构建单元13，基于得到的各图像的深度图像，得到所述待建模电力设备各三维特征点的三维空间坐标，即得到待建模电力设备的三维仿真模型。

作为优选，图像处理单元10包括图像降噪子单元17和边缘检测子单元18。

其中，所述图像降噪子单元17，用于对接收到的图像进行灰度化转换，并对灰度化后的图像进行降噪操作；

所述边缘检测子单元18，用于对降噪后的图像进行边缘检测，得到只包含电力设备信息的子图像。

作为优选，上述的对灰度化后的图像进行降噪操作，具体是：

(1)在nsct域上对灰度化的图像进行稀疏分解，得到分解后的高频子带系数和低频子带系数；

(2)利用下式对高频子带系数进行修正，得到修正后的高频子带系数；

式中，g'k,s(i,j)是修正后的k尺度，第s个高频子带、位置为(i,j)上的高频子带系数，gk,s(i,j)是修正前的k尺度，第s个高频子带、位置为(i,j)上的高频子带系数，maxgk,s是k尺度，第s个高频子带上的高频子带系数的最大值，α为幅度调节因子，其取值范围为[0.735,1],β是增益强度调节因子，其取值范围为[20,50]，γ是曲线形状调节因子，其取值大于1。作为优选，β＝25。

(3)将修正后的高频子带系数和低频子带系数进行nsct逆变换，即可得到降噪后的图像。

由于受变电站环境、光照、图像采集单元9自身配置以及图像在传输中受噪声感染等因素的影响，在采集待建模电力设备图像时，可能会被噪声污染，因此，需要对采集的图像进行降噪处理，以改善图像质量，便于后续对待建模电力设备的准确建模。在上述实施方式中，首先将采集到的图像进行灰度化处理，然后在nsct域上对灰度化的图像进行系数分解，之后对得到的高频子带系数按照上述进行修正，然后将修正后的高频子带系数和低频子带系数进行nsct逆变换，即可得到降噪后的图像，提升了该图像的图像质量，从而便于后续对该电力设备进行三维建模。其中，采用nsct变换对图像进行多尺度分解，得到不同尺度下的高频子带系数和低频子带系数，从而能够捕捉到图像的奇异点，便于后续对图像进行降噪处理。采用上式高频子带系数进行修正，不仅能够保留原图像中的边缘、细节等信息，还能够有效地去除噪声、抑制伪吉布斯失真。通过调整幅度调节因子、增益强度调节因子和曲线形状调节因子可以很好的对该曲线的幅度值、曲率值等进行调控，避免曲线中出现陡峰和低谷，从而达到好的降噪效果，便于后续对图像中电力设备边缘进行检测，提取电力设备轮廓信息，以利于后续对该电力设备的精准建模，使得到的电力设备模型更贴近于真实。

在一种可选的实施方式中，幅度调节因子α具体取值可通过下式求解得到：

有益效果：在上述实施方式中，利用上式具体确定幅度调节因子的取值，在上式中，考虑了增益强度调节因子、曲线形状调节因子的取值对幅度调节因子α的影响，从而保证幅度调节因子α取值的合理性，也保障了对图像去噪操作的合理性，实现对图像的精确去噪，保证了图像去噪质量。

在一种可选的实施方式中，增益强度调节因子β可根据各尺度、各高频子带系数大小具体确定，其中，关于k尺度，第s个高频子带上的增益强度调节因子βk,s可通过下式自适应确定：

式中，tk,s为k尺度、第s个高频子带的阈值，其大小等于k尺度、第s个高频子带的噪声标准差与该子带系数标准差的比值。

有益效果：在上述实施方式中，利用上式具体确定增益强度调节因子的取值。在上式中，考虑了幅度调节因子α、阈值tk,s的影响，从而能够根据各尺度高频子带系数的取值来具体确定相应尺度上高频子带系数的增益强度调节因子的取值，从而能够根据各尺度、高频子带系数的特点实现自适应去噪，提高了图像去噪操作的灵活性。

参见图4，所述虚拟角色模型构建模块3包括：原画构建单元14、表面模型制作单元15和骨骼模型构建单元16；

所述原画构建单元14，用于构建虚拟角色的原画；

所述表面模型制作单元15，根据构建的原画的大小、尺寸和整体结构，利用3dmax软件创建虚拟角色的基本人体结构，并对所述基本人体结构进行贴图处理，得到虚拟角色表面模型；

所述骨骼模型构建单元16，用于将所述虚拟角色表面模型划分为多个虚拟角色块，确定各虚拟角色块的关节点，根据得到的关节点确定各虚拟角色块的骨骼，进而得到虚拟角色的骨骼模型。

在虚拟角色模型制作前，需要构建虚拟角色的原画。在得到虚拟角色的原画后，首先在3dmax软件中根据原画的大小、尺寸和整体结构创建出虚拟角色的基本人体结构；然后对模型的细节，如五官、手指等进行精细化调整；为了让后续的贴图更好的贴合到3d模型中，并且保证贴图内容位置对应模型位置准确，我们对立体模型进行平面化(拆分uv)；最后在uv上进行贴图，即制作虚拟角色的外层蒙皮模型，并对整体模型进行优化调整，完成虚拟角色的表面模型制作。

虚拟角色表面模型制作完成后，需要进一步建立虚拟角色的骨骼模型。虚拟角色表面模型各分块之间的相邻关系决定了骨骼之间的运动次序。定义各相邻分块之间的公共面为边界。通过对每条边界的点求其平均值确定边界中心点，把计算得到的边界中心点作为块的关节点，分别得到手臂、手掌块、胸部块等虚拟角色块。根据块的平移运动和旋转运动规则，确定最顶块。在确定了最顶块和每个块的关节点数后，可根据关节点建立每个块的骨骼。建立骨骼模型后，我们通过逆向运动学，实现模拟虚拟角色的动作，加强虚拟场景的沉浸感：对骨骼局部进行坐标系定义，确定参数建立方程，得出方程的解后，即可得到模型的动作姿态。由此通过改变某块骨骼的方向，就可以改变模型的动作姿态，达到控制虚拟角色模型运动的目的。

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，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。