基于虛擬現(xiàn)實的多支路地下管線三維可視化研究

王民強(qiáng)

（北京力佳圖科技有限公司，北京 100096）

0.引言

隨著虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立多支路地下管線的可視化分析模型，通過對多支路地下管線分布，進(jìn)行多支路地下管線的優(yōu)化鋪設(shè)控制，提高多支路地下管線鋪設(shè)和運維管理的可靠性，相關(guān)的多支路地下管線可視化生成技術(shù)研究受到人們的極大關(guān)注。在對多支路地下管線的運維控制中，建立管線的三維可視化動態(tài)分析模型，通過數(shù)字圖像分析和視景仿真重構(gòu)，提高管線自動化檢測的準(zhǔn)確性[1]。

對多支路地下管線三維可視化研究是建立在對系統(tǒng)的三維模塊化重構(gòu)和視景仿真基礎(chǔ)上，集合多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計，進(jìn)行視景重構(gòu)[2,3]，文獻(xiàn)[4]中提出結(jié)合Vega Prime進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)設(shè)計方法，采用3DStudio MAX軟件進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)仿真設(shè)計，提高了三維可視化的辨識能力，但該方法的系統(tǒng)開銷較大，穩(wěn)定性不好。文獻(xiàn)[5]中提出虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)的管線三維可視化方法，在多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的三維設(shè)計中，結(jié)合3D信息重構(gòu)和VR仿真技術(shù)，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化的虛擬視景仿真，用該方法進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)的穩(wěn)定性不高，可靠性不好。

針對上述問題，本文提出基于虛擬現(xiàn)實的多支路地下管線三維可視化方法。首先進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，然后采用LightWave3D可視化分析軟件構(gòu)建多支路地下管線的分布模型，基于場景渲染和幀補償方法，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化重構(gòu)和視景仿真過程中的誤差補償控制，提高虛擬化視景仿真的逼真度，最后進(jìn)行實驗測試分析，展示了本文方法在提高多支路地下管線三維可視化重構(gòu)能力方面的優(yōu)越性能。

1.總體設(shè)計構(gòu)架與組件模塊分析

1.1 三維可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)構(gòu)架

為了實現(xiàn)對多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架分析。構(gòu)建多支路地下管線三維可視化數(shù)據(jù)庫，采用LightWave3D可視化分析軟件構(gòu)建多支路地下管線的分布模型，在嵌入式的BS總線控制模型下，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化的圖像特征分析和底層ACCESS數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用視景仿真技術(shù)進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的視景模擬，采用3D信息重構(gòu)的方法，通過PCI總線調(diào)度和交叉編譯控制，在Creator的Terrain菜單模塊中建立多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的工程文件配置模型，通過建立多支路地下管線三維可視化的模糊相關(guān)性特征分布結(jié)構(gòu)模型，采用特征信息融合的方法，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化自動生成。在多支路地下管線三維可視化的視景仿真和動態(tài)視景圖像重建，采用顯著圖模型分析方法進(jìn)行多支路地下管線三維可視化虛擬擬合，采用動態(tài)參數(shù)模擬和三維可視化重組，建立模糊透射關(guān)系分布集，結(jié)合模板匹配和區(qū)域重組，建立多支路地下管線三維可視化的源圖像，使用Vega Prime編輯器進(jìn)行多支路地下管線三維可視化程序加載，將多支路地下管線模型進(jìn)行多維特征檢測提取，創(chuàng)建GeneratorFFT和ObserverCentered兩個類實例進(jìn)行多支路地下管線三維可視化渲染，總體結(jié)構(gòu)模型（如圖1所示）：

圖1 多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)模型，采用物聯(lián)網(wǎng)直接通過網(wǎng)絡(luò)接口與網(wǎng)絡(luò)相連，在多支路地下管線的擴(kuò)展模型中，通過iSCSI技術(shù)實現(xiàn)與服務(wù)器、存儲設(shè)備的擴(kuò)展，在應(yīng)用軟件將多支路地下管線三維可視化中的各類存儲設(shè)備進(jìn)行分塊組合控制，通過云平臺直接訪問數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)，由此，構(gòu)建多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

1.2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)分析

采用總線傳輸控制和嵌入式的調(diào)度技術(shù)，進(jìn)行多支路地下管線可視化特征信息重組，在嵌入式ARM系統(tǒng)中建立多支路地下管線可視化傳輸總線，在自適應(yīng)傳輸控制協(xié)議下建立多支路地下管線可視化平臺的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，結(jié)合三維虛擬場景的層次化結(jié)構(gòu)分析，進(jìn)行多支路地下管線的邏輯篩選、分離面裁剪、紋理動畫序列可視化分析，構(gòu)建三層體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)行多支路地下管線可視化重組，采用三層體系結(jié)構(gòu)，將多支路地下管線可視化傳輸總線分為集合層次（Group Level）、對象層次（Object Level）、表面層次（Face Level），通過定義明暗模式，包括平坦、光滑和頂點色彩，建立底層數(shù)據(jù)庫，在定義部件的絞鏈關(guān)節(jié)，結(jié)合管線的頂點層次結(jié)構(gòu)分布，可靈活地加速數(shù)據(jù)庫的組織、模型生成，三層體系結(jié)構(gòu)（如圖2所示）：

圖2 三維可視化系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)

在多支路地下管線的三維虛擬現(xiàn)實可視化視景仿真中，可以充分利用紋理映射技術(shù)，采用Unity3D的可視化重構(gòu)，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的主機(jī)引導(dǎo)控制，設(shè)計3D信息重構(gòu)模塊，采用MultiGen Creator軟件進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的實體模型構(gòu)造，通過Insert Materials tool生成多支路地下管線的等高線模型和規(guī)則格網(wǎng)模型。

2.多支路地下管線三維可視化重構(gòu)算法

在上述構(gòu)建了多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行功能組件分析的基礎(chǔ)上，采用圖像分析技術(shù)，進(jìn)行灰度圖像閾值判斷，采用三維重構(gòu)技術(shù)，建立多支路地下管線三維可視化的虛擬視覺圖像分析模型，得到檢測圖像輸出，如式（1）、式（2）所示：

式（1）、式（2）中，N為地下管線的圖像總像素；M為通道色數(shù)；n1為第i個像素的R通道；n2為第i個像素的G通道；i1和i2為灰度異常圖像數(shù)；I為多幀圖像的連續(xù)檢測特征量；J為檢測到一幀三維可視化圖像，在一個7×7像素特征匹配窗口內(nèi)，通過連續(xù)記錄的多支路地下管線三維可視化特征點，得到點分布模型，如式（3）所示：

式（3）中，N1、N2分別為多支路地下管線三維重構(gòu)特征點；k1、k2分別為物體的標(biāo)記符；R（k1，k2）為自相關(guān)函數(shù)，建立多支路地下管線三維可視化的聯(lián)合概率分布模型，得到多支路地下管線三維可視化的點跟蹤模型，得到多支路地下管線三維可視化的相似度特征量R（k1，k2），如式（4）所示：

式（4）中，F(xiàn)（k1，k2）為相鄰兩個局部極大值點之間點位移參數(shù)；G（k1，k2）為頻譜分界點；θ為經(jīng)驗尺度，設(shè)定多支路地下管線三維可視化的虛擬視覺圖像f，使用濾波器組中的濾波器對任意像素（x，y）進(jìn)行濾波處理，結(jié)合經(jīng)驗尺度函數(shù)和經(jīng)驗小波函數(shù)，得帶寬分布值用A=｛Ai｝Ni=1表示，在融合圖像的點分布區(qū)域，對傅里葉譜進(jìn)行自適應(yīng)劃分，得到N+1個邊界點，如式（5）、式（6）所示：

式（5）、式（6）中，δ和ε分別為多支路地下管線調(diào)幅-調(diào)頻成分；κ（PBf）為匹配的地下管線子帶掃描圖像；（x，y）為經(jīng)驗小波函數(shù)分布坐標(biāo)；f（s，t）為單幅圖像的列數(shù)；B（x，y）為N+1個邊界點；δB（f）為混頻參數(shù)；s為頻率分布值；t為檢測時間系數(shù)。由此，在相同的分解層中，通過選用SML最大的系數(shù)作為檢測函數(shù)，當(dāng)鄰域（M×M）的中心像素灰度低于它所在鄰域，采用輪廓線檢測方法，進(jìn)行多支路地下管線的可視化渲染，得到銳化值，如式（7）所示：

式（7）中，f（x）為拉普拉斯增強(qiáng)函數(shù)；ω為像素點之間灰度差異；x為后續(xù)迭代變形參數(shù)，通過搜索區(qū)域M×M，結(jié)合虛擬現(xiàn)實重組，得到地下管線的三維可視化輸出灰度值，如式（8）所示：

式（8）中，Φ（ω）為在任意一個點Q（xi，yi）出的重構(gòu)三維特征；Q為以K（x0，y0）為中心的旋轉(zhuǎn)不變矩；P為搜索梯度的最大值。由此，進(jìn)行地下管線的高逼真度虛擬現(xiàn)實仿真模型設(shè)計，基于場景渲染和幀補償方法，結(jié)合圖像的虛擬現(xiàn)實視景仿真特征分析和邊緣輪廓檢測技術(shù)，進(jìn)行多支路地下管線可視化圖像分析和三維重構(gòu)。

3.多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

采用三維視覺CAD導(dǎo)引方法，構(gòu)建多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)控制的智能輔助觀測器，結(jié)合專家系統(tǒng)和人機(jī)協(xié)同的方法，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)過程中的視覺導(dǎo)引，設(shè)計的多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)包括視覺信息采集模塊、總線交互模塊、程序編譯模塊和人機(jī)交互模塊等。通過配置.acf文件，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)，控制過程中的機(jī)器視覺信息感知和引導(dǎo)，在多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)控制的三維ICAD系統(tǒng)中，進(jìn)行視覺仿真的設(shè)備選型，根據(jù)多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)的選型方案，采用上節(jié)的圖像處理技術(shù)，得到在不同場景下的多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)的場景化控制模型，構(gòu)建多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的靜態(tài)處理模塊。通過單元設(shè)計的方法實現(xiàn)模塊化開發(fā)，采用兼容MPEG-4、H.264、H.265等編碼方式，在lib文件進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的在線程序編譯和總線控制，構(gòu)建3D應(yīng)用文件，通過編譯不同的ACF文件，采用相對視點跟蹤的方法，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)循環(huán)控制。綜上設(shè)計，得到多支路地下管線三維可視化重構(gòu)的實現(xiàn)流程（如圖3所示）：

圖3 多支路地下管線三維可視化重構(gòu)的實現(xiàn)流程

4.實驗測試

通過仿真實驗驗證本文方法在實現(xiàn)多支路地下管線三維可視化重構(gòu)的應(yīng)用性能，采用Creator Terrain Studio（CTS）進(jìn)行仿真測試，結(jié)合全新的GIS技術(shù)，構(gòu)建多支路管線的三維空間分布坐標(biāo)（如表1所示）：

表1 多支路管線的三維空間分布坐標(biāo) 單位:m

根據(jù)上述參數(shù)配置，進(jìn)行多支路地下管線三維可視化重構(gòu)，構(gòu)建地下管線分布場景圖（如圖4所示）：

圖4 地下管線分布場景圖

通過GlobalMapper軟件打開由綜合管網(wǎng)導(dǎo)出的.shp格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)入整理過的管線數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動生成三維地下管線、管點及附屬設(shè)施，采用本文方法進(jìn)行多支路地下管線三維可視化重構(gòu)，得到虛擬現(xiàn)實仿真圖（如圖5所示）：

圖5 多支路地下管線三維可視化虛擬現(xiàn)實仿真圖

本文方法能在三維可視化的管網(wǎng)數(shù)據(jù)之上，快速調(diào)整管網(wǎng)顏色或材質(zhì)，實現(xiàn)三維地下管線、管點、附屬設(shè)施以及縱橫斷面的三維可視化重構(gòu)，并由此構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)地下綜合管網(wǎng)系統(tǒng)，讓更多的用戶進(jìn)行瀏覽和體驗，完美地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，由此實現(xiàn)了多支路地下管線的數(shù)字化、可視化管理。

5.結(jié)束語

本文提出基于虛擬現(xiàn)實的多支路地下管線三維可視化方法。根據(jù)多支路地下管線三維可視化視景重構(gòu)的選型方案，構(gòu)建多支路地下管線三維可視化系統(tǒng)的靜態(tài)處理模塊，將管線設(shè)計圖紙導(dǎo)入系統(tǒng)中，和現(xiàn)狀管線進(jìn)行分析檢測，快速調(diào)整管網(wǎng)顏色或材質(zhì)，實現(xiàn)三維地下管線、管點、附屬設(shè)施以及縱橫斷面的三維可視化重構(gòu)，并由此構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)地下綜合管網(wǎng)系。測試得出，本文方法進(jìn)行可視化仿真的逼真度較高，可視化效果較好。