基于虛擬現實的多支路地下管線三維可視化研究

王民強

（北京力佳圖科技有限公司，北京 100096）

0.引言

隨著虛擬現實仿真技術的發展，采用虛擬現實技術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，進行多支路地下管線的優化鋪設控制，提高多支路地下管線鋪設和運維管理的可靠性，相關的多支路地下管線可視化生成技術研究受到人們的極大關注。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分析模型，通過數字圖像分析和視景仿真重構，提高管線自動化檢測的準確性[1]。

對多支路地下管線三維可視化研究是建立在對系統的三維模塊化重構和視景仿真基礎上，集合多支路地下管線三維可視化系統的嵌入式設計，進行視景重構[2,3]，文獻[4]中提出結合Vega Prime進行多支路地下管線三維可視化系統設計方法，采用3DStudio MAX軟件進行多支路地下管線三維可視化系統仿真設計，提高了三維可視化的辨識能力，但該方法的系統開銷較大，穩定性不好。文獻[5]中提出虛擬現實VR技術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的三維設計中，結合3D信息重構和VR仿真技術，進行多支路地下管線三維可視化的虛擬視景仿真，用該方法進行系統重構的穩定性不高，可靠性不好。

針對上述問題，本文提出基于虛擬現實的多支路地下管線三維可視化方法。首先進行多支路地下管線三維可視化系統的總體結構模型設計，然后采用LightWave3D可視化分析軟件構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，進行多支路地下管線三維可視化重構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能力方面的優越性能。

1.總體設計構架與組件模塊分析

1.1 三維可視化系統總體結構構架

為了實現對多支路地下管線三維可視化系統的優化設計，首先進行系統的總體設計構架分析。構建多支路地下管線三維可視化數據庫，采用LightWave3D可視化分析軟件構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數據庫體系結構設計。采用視景仿真技術進行多支路地下管線三維可視化系統的視景模擬，采用3D信息重構的方法，通過PCI總線調度和交叉編譯控制，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性特征分布結構模型，采用特征信息融合的方法，進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視景圖像重建，采用顯著圖模型分析方法進行多支路地下管線三維可視化虛擬擬合，采用動態參數模擬和三維可視化重組，建立模糊透射關系分布集，結合模板匹配和區域重組，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行多維特征檢測提取，創建GeneratorFFT和ObserverCentered兩個類實例進行多支路地下管線三維可視化渲染，總體結構模型（如圖1所示）：

圖1 多支路地下管線三維可視化系統總體結構模型

根據圖1的總體結構模型，采用物聯網直接通過網絡接口與網絡相連，在多支路地下管線的擴展模型中，通過iSCSI技術實現與服務器、存儲設備的擴展，在應用軟件將多支路地下管線三維可視化中的各類存儲設備進行分塊組合控制，通過云平臺直接訪問數據和業務，由此，構建多支路地下管線三維可視化系統的總體結構。

1.2 系統模塊結構分析

采用總線傳輸控制和嵌入式的調度技術，進行多支路地下管線可視化特征信息重組，在嵌入式ARM系統中建立多支路地下管線可視化傳輸總線，在自適應傳輸控制協議下建立多支路地下管線可視化平臺的內核結構，結合三維虛擬場景的層次化結構分析，進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，構建三層體系結構，進行多支路地下管線可視化重組，采用三層體系結構，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，建立底層數據庫，在定義部件的絞鏈關節，結合管線的頂點層次結構分布，可靈活地加速數據庫的組織、模型生成，三層體系結構（如圖2所示）：

圖2 三維可視化系統的三層體系結構

在多支路地下管線的三維虛擬現實可視化視景仿真中，可以充分利用紋理映射技術，采用Unity3D的可視化重構，進行多支路地下管線三維可視化系統的主機引導控制，設計3D信息重構模塊，采用MultiGen Creator軟件進行多支路地下管線三維可視化系統的實體模型構造，通過Insert Materials tool生成多支路地下管線的等高線模型和規則格網模型。

2.多支路地下管線三維可視化重構算法

在上述構建了多支路地下管線三維可視化系統總體結構，并進行功能組件分析的基礎上，采用圖像分析技術，進行灰度圖像閾值判斷，采用三維重構技術，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；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；I為多幀圖像的連續檢測特征量；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，通過連續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特征點；k1、k2分別為物體的標記符；R（k1，k2）為自相關函數，建立多支路地下管線三維可視化的聯合概率分布模型，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（k1，k2）為相鄰兩個局部極大值點之間點位移參數；G（k1，k2）為頻譜分界點；θ為經驗尺度，設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）進行濾波處理，結合經驗尺度函數和經驗小波函數，得帶寬分布值用A=｛Ai｝Ni=1表示，在融合圖像的點分布區域，對傅里葉譜進行自適應劃分，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幅-調頻成分；κ（PBf）為匹配的地下管線子帶掃描圖像；（x，y）為經驗小波函數分布坐標；f（s，t）為單幅圖像的列數；B（x，y）為N+1個邊界點；δB（f）為混頻參數；s為頻率分布值；t為檢測時間系數。由此，在相同的分解層中，通過選用SML最大的系數作為檢測函數，當鄰域（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）為拉普拉斯增強函數；ω為像素點之間灰度差異；x為后續迭代變形參數，通過搜索區域M×M，結合虛擬現實重組，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）出的重構三維特征；Q為以K（x0，y0）為中心的旋轉不變矩；P為搜索梯度的最大值。由此，進行地下管線的高逼真度虛擬現實仿真模型設計，基于場景渲染和幀補償方法，結合圖像的虛擬現實視景仿真特征分析和邊緣輪廓檢測技術，進行多支路地下管線可視化圖像分析和三維重構。

3.多支路地下管線三維可視化系統實現

采用三維視覺CAD導引方法，構建多支路地下管線三維可視化視景重構控制的智能輔助觀測器，結合專家系統和人機協同的方法，進行多支路地下管線三維可視化視景重構過程中的視覺導引，設計的多支路地下管線三維可視化系統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交互模塊等。通過配置.acf文件，進行多支路地下管線三維可視化視景重構，控制過程中的機器視覺信息感知和引導，在多支路地下管線三維可視化視景重構控制的三維ICAD系統中，進行視覺仿真的設備選型，根據多支路地下管線三維可視化視景重構的選型方案，采用上節的圖像處理技術，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的場景化控制模型，構建多支路地下管線三維可視化系統的靜態處理模塊。通過單元設計的方法實現模塊化開發，采用兼容MPEG-4、H.264、H.265等編碼方式，在lib文件進行多支路地下管線三維可視化系統的在線程序編譯和總線控制，構建3D應用文件，通過編譯不同的ACF文件，采用相對視點跟蹤的方法，進行多支路地下管線三維可視化系統的靜態和動態循環控制。綜上設計，得到多支路地下管線三維可視化重構的實現流程（如圖3所示）：

圖3 多支路地下管線三維可視化重構的實現流程

4.實驗測試

通過仿真實驗驗證本文方法在實現多支路地下管線三維可視化重構的應用性能，采用Creator Terrain Studio（CTS）進行仿真測試，結合全新的GIS技術，構建多支路管線的三維空間分布坐標（如表1所示）：

表1 多支路管線的三維空間分布坐標 單位:m

根據上述參數配置，進行多支路地下管線三維可視化重構，構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導出的.shp格式數據，導入整理過的管線數據，系統自動生成三維地下管線、管點及附屬設施，采用本文方法進行多支路地下管線三維可視化重構，得到虛擬現實仿真圖（如圖5所示）：

圖5 多支路地下管線三維可視化虛擬現實仿真圖

本文方法能在三維可視化的管網數據之上，快速調整管網顏色或材質，實現三維地下管線、管點、附屬設施以及縱橫斷面的三維可視化重構，并由此構建互聯網地下綜合管網系統，讓更多的用戶進行瀏覽和體驗，完美地實現了數據的共享，由此實現了多支路地下管線的數字化、可視化管理。

5.結束語

本文提出基于虛擬現實的多支路地下管線三維可視化方法。根據多支路地下管線三維可視化視景重構的選型方案，構建多支路地下管線三維可視化系統的靜態處理模塊，將管線設計圖紙導入系統中，和現狀管線進行分析檢測，快速調整管網顏色或材質，實現三維地下管線、管點、附屬設施以及縱橫斷面的三維可視化重構，并由此構建互聯網地下綜合管網系。測試得出，本文方法進行可視化仿真的逼真度較高，可視化效果較好。