一种基于数字孪生的三维可视化编辑系统的制作方法

本发明属于三维可视化，尤其涉及一种基于数字孪生的三维可视化编辑系统。

背景技术：

1、三维可视化是用于显示、描述和理解地下及地面诸多地质现象特征的一种工具，广泛应用于地质和地球物理学的所有领域。三维可视是描绘和理解模型的一种手段，是数据体的一种表征形式。它能够利用大量数据，检查资料的连续性，辨认资料真伪，发现和提出有用异常，为分析、理解及重复数据提供了有用工具，对多学科的交流协作起到桥梁作用；然而，现有基于数字孪生的三维可视化编辑系统建模方法一般使用点云数据直接拟合成nurbs面片，对数据的完整性和准确性要求较高，且需要人工进行大量操作，难以实现自动化、流程化建模；同时，三维数字孪生场景的构建方式主要使用代码开发，在有新场景需求时又需要重新开发，需要耗费较大的人力。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

3、(1)现有基于数字孪生的三维可视化编辑系统建模方法一般使用点云数据直接拟合成nurbs面片，对数据的完整性和准确性要求较高，且需要人工进行大量操作，难以实现自动化、流程化建模。

4、(2)三维数字孪生场景的构建方式主要使用代码开发，在有新场景需求时又需要重新开发，需要耗费较大的人力。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于数字孪生的三维可视化编辑系统。

2、本发明是这样实现的，一种基于数字孪生的三维可视化编辑系统包括：

3、实体数据采集模块、主控模块、建模模块、场景生成模块、渲染模块、编辑模块、存储模块、显示模块；

4、实体数据采集模块，与主控模块连接，能够通过摄像设备采集实体影像数据；所述实体数据采集模块优选索尼hdr-cx450设备；

5、所述实体数据采集模块采集方法：

6、配置索尼hdr-cx450设备摄像参数，通过索尼hdr-cx450设备采集实体影像；

7、将实体影像像素序列中一点的值用该点的一个邻域中各像素点值的中值代替，让周围像素的值接近真实值，消除孤立的噪声点；

8、主控模块，与实体数据采集模块、建模模块、场景生成模块、渲染模块、编辑模块、存储模块、显示模块连接，所述主控芯片优选英特尔(intel)i7-13700kf；

9、建模模块，与主控模块连接，能够构建数字孪生体三维模型；

10、所述建模模块建模方法：

11、对目标实体点云数据进行优化处理；提取目标实体点云数据中的特征断面特征点；对特征断面特征点进行拟合，得到目标实体外轮廓特征曲线；根据轮廓特征曲线创建曲面，得到目标实体的数字孪生模型；

12、场景生成模块，与主控模块连接，能够生成三维数字孪生场景；

13、渲染模块，与主控模块连接，能够对模型和场景进行着色渲染；

14、所述渲染模块渲染方法如下：

15、获取为场景创建的各个虚拟物体的虚拟物体模型；

16、将每一个虚拟物体模型在局部坐标系中的坐标向量转换为在相机坐标系中的坐标向量；

17、创建所述场景的视锥体，根据各个虚拟物体模型在相机坐标系中的坐标向量以及所述视锥体，获得将位于所述视锥体内的各个虚拟物体模型；

18、将位于所述视锥体内的各个虚拟物体模型，按照距离相机位置由远及近顺序依次进行着色渲染，以显示所述场景；

19、所述将每一个虚拟物体模型在局部坐标系中的坐标向量转换为相机坐标系中的坐标向量包括：将每一个虚拟物体模型在局部坐标系中的坐标向量与模型矩阵，经过模型变换，获得在所述世界坐标系中的坐标向量；将每一个虚拟物体模型在所述世界坐标系中的坐标向量与视图矩阵，经过视图变换，获得在相机坐标系中的坐标向量；

20、所述创建所述场景的视锥体，根据各个虚拟物体模型在相机坐标系中的坐标向量以及所述视锥体，获得将位于所述视锥体内的各个虚拟物体模型包括：创建所述场景的视锥体，并获得所述视锥体的投影矩阵；将每一个虚拟物体模型在相机坐标系中坐标向量与所述投影矩阵，进行投影变换，获得所述虚拟物体模型的裁剪坐标向量；根据所述裁剪坐标向量，获得位于所述视锥体内的虚拟物体模型；所述将位于所述视锥体内的各个虚拟物体模型，按照距离相机位置由远及近顺序依次进行着色渲染，以显示所述场景包括：根据所述裁剪坐标向量，获得位于所述视锥体内的各个虚拟物体模型距离相机位置的由远及近的顺序；将位于所述视锥体内的各个虚拟物体模型，按照距离相机位置由远及近顺序依次进行着色渲染，以显示所述场景；

21、编辑模块，与主控模块连接，能够对模型和场景进行文字标注编辑；

22、存储模块，与主控模块连接，能够对模型和场景进行存储；所述存储模块优选西部数据wdbu6y0050bbk；通过电路线与主控模块连接；主控模块将获取的数据传输到存储模块中进行存储；

23、显示模块，与主控模块连接，能够显示模型和场景；所述显示模块优选海信24n3g。

24、进一步，所述建模模块建模方法如下：

25、(1)获取目标实体点云数据；

26、配置扫描设备参数，对扫描设备的设备误差进行标定并建立三维激光扫描设备的误差补偿模型；使用扫描设备对目标实体进行扫描，得到待建模零件的点云数据，并使用误差补偿模型对点云数据进行误差补偿，得到用于建模的目标实体点云数据；

27、(2)构建目标实体的数字孪生模型；

28、对目标实体点云数据进行优化处理；提取目标实体点云数据中的特征断面特征点；对特征断面特征点进行拟合，得到目标实体外轮廓特征曲线；根据轮廓特征曲线创建曲面，得到目标实体的数字孪生模型。

29、进一步，所述对扫描设备的设备误差进行标定并建立三维激光扫描设备的误差补偿模型包括以下步骤：

30、根据待求目标实体的尺寸制造尺寸相同且不发生变形的试验零件；使用三维激光扫描设备对试验零件进行扫描，得到试验零件点云；

31、计算试验零件点云与试验零件cad模型数据的误差，获得三维激光扫描设备的误差修正数据；

32、通过使用三维激光扫描设备多次扫描试验零件得到多组试验零件点云，对通过得到的多组三维激光扫描设备的误差修正数据取平均值，得到三维激光扫描设备的误差补偿模型。

33、进一步，所述使用扫描设备对目标实体进行扫描，得到待建模零件的点云数据，并使用误差补偿模型对点云数据进行误差补偿，得到用于建模的目标实体点云数据包括以下步骤：

34、使用三维激光扫描设备扫描目标实体，取得目标实体的原始点云数据；

35、根据三维激光扫描设备的误差补偿模型对目标实体的原始点云数据进行补偿，取得用于建模的目标实体点云数据。

36、进一步，所述对目标实体点云数据进行优化处理包括以下步骤：

37、去除目标实体点云数据中噪声及孤立点；

38、根据目标实体点云数据的曲率变化优化点云数据：若某一区域内曲率变化值大于设定值λ，则保留该区域内的全部点云数据；若某一区域内曲率变化值小于等于λ，则保留该区域内设定比例部分的点云数据；

39、设置断面提取步长，按步长将优化后的点云数据剖分为数个断面数据集；

40、提取目标实体各直口部分的端面数据集；

41、分别对所有断面数据集的超差数据进行删除，并将数据点按顺时针排序；分别提取所有端面数据集的外轮廓数据，对各端面数据的超差数据进行删除，将数据点按顺时针排序；

42、将排序后的断面数据集和端面数据集构成的数据点集存入元胞数组list1；

43、对元胞数组list1中的数据点集进行分析，判断数据信息情况，得到冗余数据集和数据缺失数据集；

44、判断数据点集缺失的原因，对数据缺失数据集进行插补，得到不存在数据缺失的数据点集；

45、对不存在数据缺失的数据点集和冗余数据集进行knn分类，分类后数据点个数最多的一类即为目标实体轮廓数据点集，保留使用；其他类数据点集为冗余的非目标实体数据点，做删除处理，得到不存在冗余的数据点集；

46、使用高斯滤波器对不存在数据缺失和数据冗余的数据点集进行数据平滑。

47、进一步，所述对元胞数组list1中的数据点集进行分析，判断数据信息情况，得到冗余数据集和数据缺失数据集包括以下步骤：

48、分别对元胞数组list1中的每个数据点集进行临近点数据距离判断：计算数据点集中相邻两点的距离distance，根据目标实体点云数据采集精度设置判定参数δ，若distance>δ，则该数据点集中存在数据缺失，对该数据点集执行判断数据点集缺失的原因步骤，根据相应原因对数据缺失数据集进行插补，得到不存在数据缺失的数据点集，否则，继续执行下步；

49、分别对元胞数组list1中的每个数据点集进行knn聚类分析，对所有数据点分类完成后，若总类别个数为1，则该数据点集不存在冗余，若总类别个数大于1，则该数据点集为冗余数据集，对数组点集执行对不存在数据缺失的数据点集和冗余数据集进行knn分类，分类后数据点个数最多的一类即为目标实体轮廓数据点集，保留使用；其他类数据点集为冗余的非目标实体数据点，做删除处理，得到不存在冗余的数据点集；

50、对元胞数组list1中的每个数据点集，分别进行临近点数据距离判断和knn聚类分析后，不存在数据缺失和数据冗余的数据点集为符合标准的数据点集，执行使用高斯滤波器对不存在数据缺失和数据冗余的数据点集进行数据平滑。

51、进一步，所述判断数据点集缺失的原因，对数据缺失数据集进行插补，得到不存在数据缺失的数据点集包括以下步骤：

52、所需建模的目标实体第一层直口中含有数个孔特征，若数据点集中的缺失部分为沿轮廓均匀分布，则判断该数据点集缺失原因为孔特征数据缺失，执行下步；若数据点集中缺失部分为不均匀分布，则判断该数据点集缺失为扫描设备引起的缺失，执行下下步；

53、根据数据点集上孔特征周围的数据点曲率对孔特征缺失数据进行插补；

54、根据数据点集周围的其他数据点集相应位置的曲率对扫描设备造成的缺失数据进行插补。

55、进一步，所述提取目标实体点云数据中的特征断面特征点具体如下：

56、沿目标实体轴向对比所有断面数据集中数据点的位置变化，提取其中轴向曲率位置改变的数据集，与端面数据点集一同存为元胞数组list2；

57、分别分析元胞数组list2中每个数据点集中各点位置沿目标实体周向的位置变化，提取其中沿目标实体周向曲率发生改变的数据点，作为特征断面特征点，分别存入元胞数组num中的各数据点集中。

58、进一步，所述场景生成模块生成方法如下：

59、1)场景数据处理；

60、在编辑器中添加场景数据获取节点、场景数据处理节点以及三维模型映射节点；利用所述场景数据获取节点获取实时点位场景数据；利用所述场景数据处理节点处理所述实时点位场景数据；

61、2)对三维模型进行渲染；

62、利用所述三维模型映射节点根据所述场景数据处理节点的处理结果生成三维渲染模板；利用场景渲染器根据所述三维渲染模板创建三维数字孪生场景。

63、进一步，所述利用所述场景数据获取节点获取实时点位场景数据包括：

64、利用所述场景数据获取节点，通过websocket协议获取实时点位场景数据；

65、在所述编辑器中添加模拟场景数据生成节点；

66、利用所述模拟场景数据生成节点生成模拟场景数据；

67、在所述编辑器中添加事件管理节点；

68、利用所述事件管理节点处理事件操作，并将处理结果转化为事件场景数据流；

69、在所述编辑器中添加逻辑运算节点与算术运算节点；

70、利用所述逻辑运算节点对场景数据流进行逻辑运算；

71、利用所述算术运算节点对场景数据流进行算术运算；

72、在所述编辑器中添加基础场景数据类型节点；

73、利用所述基础场景数据类型节点创建配置场景数据。

74、结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

75、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

76、本发明通过建模模块对三维扫描设备进行误差补偿，减小扫描设备的系统误差，进而提高建模精度；通过提取关键截面的关键数据点拟合出目标实体的外轮廓曲线进行建模，便于实现流程化建模，减少计算量，实现快速建模；同时，通过场景生成模块利用预先定义的节点，自由组合节点就可以灵活地配置场景，利用拖拽可以快速构建复杂的三维展示场景，能够极大的提高效率。此外，本技术所提供的技术方案中当节点在配置完成后，场景数据就会在节点间流动，并不断传递新场景数据。新的场景数据生成新的三维渲染模板，场景渲染器解析新的三维渲染模板，就能够实时的渲染三维数字孪生场景，达到实时预览场景效果；本发明通过渲染模块大大提高对模型和场景渲染效果。

77、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

78、本发明通过建模模块对三维扫描设备进行误差补偿，减小扫描设备的系统误差，进而提高建模精度；通过提取关键截面的关键数据点拟合出目标实体的外轮廓曲线进行建模，便于实现流程化建模，减少计算量，实现快速建模；同时，通过场景生成模块利用预先定义的节点，自由组合节点就可以灵活地配置场景，利用拖拽可以快速构建复杂的三维展示场景，能够极大的提高效率。此外，本技术所提供的技术方案中当节点在配置完成后，场景数据就会在节点间流动，并不断传递新场景数据。新的场景数据生成新的三维渲染模板，场景渲染器解析新的三维渲染模板，就能够实时的渲染三维数字孪生场景，达到实时预览场景效果；本发明通过渲染模块大大提高对模型和场景渲染效果。