基于OpenGL 技術(shù)的煤場3D 動態(tài)展示

張?zhí)m慶，柯 波，楊柏依，董 鵬，夏 陽

（1.華能萊蕪發(fā)電有限公司，山東 濟南 271102；2.北京能為科技股份有限公司，北京 100071）

0 引言

對于煤炭料場行業(yè)來說，大型散料場需要智能化無人運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化是必須實現(xiàn)的功能。數(shù)據(jù)可視化可根據(jù)數(shù)據(jù)的特征、性質(zhì)等屬性，通過圖形圖像等合適的方式，將數(shù)據(jù)直觀地、有概念性地展示出來，幫助大家更好地、更清晰地理解數(shù)據(jù)，掌握數(shù)據(jù)中的有用信息。使用基于OpenGL 技術(shù)實現(xiàn)了煤場的3D 展示與煤場的數(shù)字化展示。通過激光掃描儀將煤場進行掃描形成點云數(shù)據(jù)，然后建立三維模型，再使用OpenGL 技術(shù)與Unity3D 技術(shù)實現(xiàn)三維可視。由于點云數(shù)據(jù)量巨大，提出優(yōu)化建模方式極大提高了建模的效率，并且優(yōu)化了三維展示效果。

1 煤場三維數(shù)據(jù)

1.1 激光掃描儀料場掃描

三維掃描是三維成像過程中最重要的一步。堆料臂前端安裝一臺高精度激光掃描儀，取料臂前端兩側(cè)分別安裝一臺高精度激光掃描儀，可以實現(xiàn)堆料取料時對當前工作料堆的實時清晰扇形掃描。煤堆的點云數(shù)據(jù)就是通過安裝在堆取料機［1］上的激光掃描設備掃描采集的，采集后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信錄入后臺數(shù)據(jù)庫。主要硬件為SICK LD-LRS3611型號的激光掃描儀，安裝位置與掃描原理如圖1所示。

圖1 激光掃描儀掃描煤場過程

1.2 料場掃描原理

掃描儀發(fā)射幾束激光進行掃描，射線碰撞的地方會寫入數(shù)據(jù)，然后通過掃描儀在空間的移動和旋轉(zhuǎn)掃描整個料場的輪廓。激光掃描儀掃描完料堆輪廓后，需要快速、準確地采集和整理工作料堆的掃描數(shù)據(jù)。激光掃描儀通過以太網(wǎng)將收集到的堆數(shù)據(jù)發(fā)送到集中控制服務器。激光掃描儀掃描出點工作原理如圖2 所示。

圖2 激光掃描儀掃描出點

2 模型建立與優(yōu)化

2.1 建模算法

先定義三維點結(jié)構(gòu)，以點結(jié)構(gòu)為基礎，由每3 個點構(gòu)造一個三角面片結(jié)構(gòu)，然后再定義一個三角面片鏈表結(jié)構(gòu)用于存儲一系列的三角面片，并在此鏈表中存儲三角面片的公共屬性，如顏色、透明度等，這樣一個有數(shù)據(jù)的三角面片鏈表結(jié)構(gòu)就表示了一個三維模型，鏈表中存儲的三角面片公共屬性也就是模型的屬性。三維模型構(gòu)建過程為：三維點→三角面片→三維模型［2］，如圖3 所示。

圖3 三維模型構(gòu)建過程

圖4 所示流程僅為為幾個點面的程序流程，獲取到以A 點為基礎，以X 軸與Z 軸方向最大擴展距離的三維點鏈表。三維煤場的點面數(shù)據(jù)上千個，大規(guī)模的點云數(shù)據(jù)在處理時會涉及多重循環(huán)，會導致頻繁迭代處理，嚴重影響服務器的性能。再者，由于激光掃描測量收集的數(shù)據(jù)密度特別高，并且這些點由于堆取料機的抖動和距離變化而分布不規(guī)則，并且所有這些離散點都被用于構(gòu)建三維模型，進一步增加了系統(tǒng)的復雜性，這將占用更多的計算資源，并且不利于后續(xù)的實時計算處理。為此，引入了模型優(yōu)化算法。

圖4 煤場點云數(shù)據(jù)點處理流程

2.2 模型優(yōu)化

首先是對內(nèi)存優(yōu)化［3］。設置OpenGL 系統(tǒng)上的專屬內(nèi)存區(qū)域，將局部內(nèi)存區(qū)域映射到全局內(nèi)存的區(qū)段，這個內(nèi)存區(qū)域是一個工作項私有的區(qū)域。工作項私有內(nèi)存中定義的變量對其他工作項不可見。工作項在處理單元上運行，有其自己的私有內(nèi)存。工作項在一個計算單元上運行，與該組中的工作項共享一個局部內(nèi)存區(qū)域。由此來減少對計算機硬件性能的消耗。

其次是通過高斯濾波算法對煤堆顯示效果進行優(yōu)化，實現(xiàn)三維圖像處理與成像軟件的自動糾錯、降噪處理功能，對明顯的噪聲數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)能夠自動過濾，形成直觀、平滑、完整的模型數(shù)據(jù)，進而生成更加美觀與直觀的模型效果。

再次，通過高斯濾波對圖像進行平滑以消除噪聲，然后計算二階導數(shù)，并通過二階導數(shù)的過零來確定邊緣。在計算中，將復雜的卷積轉(zhuǎn)換為乘積運算，降低運算量和計算復雜度。

3 模型動態(tài)顯示

通過對數(shù)據(jù)點云的采集到對數(shù)據(jù)建模處理以及優(yōu)化效果所得到模型進行實時渲染，共有兩種渲染方式。

3.1 OpenGL 渲染

首先，對點云數(shù)據(jù)中的點線面順序值的節(jié)點和點線面狀態(tài)屬性的節(jié)點分別進行樹形結(jié)構(gòu)的建立。

然后，兩個樹形結(jié)構(gòu)建立完成后，首先對節(jié)點樹形結(jié)構(gòu)的葉子節(jié)點進行排序工作，由根節(jié)點開始遍歷，依次渲染實體節(jié)點；然后再根據(jù)狀態(tài)樹的樹形結(jié)構(gòu)，應用該渲染葉子節(jié)點對應的OpenGL 狀態(tài)屬性，達到某種OpenGL 狀態(tài)之后，進行渲染葉子節(jié)點網(wǎng)格數(shù)據(jù)的提交渲染［4］。

圖5 OpenGL 渲染樹結(jié)構(gòu)

3.2 Unity3D 渲染

Unity3D 渲染模型是直接導入渲染，但在使用的過程中不能實時渲染，因此導入渲染是不可行的。于是使用了動態(tài)加載，使用能動態(tài)生成U3D 支持的渲染模式，并設計了動態(tài)繪制Mesh 函數(shù)，通過讀取與解析已生成點源模型信息的方式獲取模型信息，動態(tài)為Mesh 的點線面賦值。實時生成可視化3 維模型的效果［5］，實現(xiàn)技術(shù)流程如圖6 所示，某電廠的實時效果如圖7 所示。

圖6 Unity3D 渲染流程

圖7 Unity3D 渲染效果

4 結(jié)語

系統(tǒng)已經(jīng)在某電廠進行了實施，并獲得了不錯的成效。實現(xiàn)了煤場的三維展示，并且實現(xiàn)了動態(tài)刷新數(shù)據(jù)，煤場的分區(qū)數(shù)據(jù)可在三維展示圖上進行展示，在堆取料機無人值守過程中將數(shù)據(jù)直觀地展示出來，幫助大家更好地清晰理解煤場現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)，并掌握煤場數(shù)據(jù)中的有用信息。