一种基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台

摘要

本发明涉及一种基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台。快速、准确地煤场库存量盘点对于电厂进行成本核算和科学管理具有重要意义。本发明基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台的特点是：3D煤场实现流程是通过综合盘煤仪扫描的点云数据和日进销煤数据，生成符合煤场实际的三维网格数据，利用Unity3D三维渲染技术生成煤场三维立体图，再根据电厂DCS系统实时存取煤数据进行修正，以提高所绘的网格图与实际煤场形状的拟合精度，同时给出煤场存煤量的体积结果，动态修改网格图形状，并利用web技术实现网络在线3D煤场实时更新。本发明具有实时快速、经济成本低、盘煤精度高、界面直观明了的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及数字化煤场技术领域，尤其是涉及一种基于Unity3D的圆形煤场三维智能 可视化展示平台。

背景技术

煤耗是火力发电厂的一项重要生产指标，燃料成本约占发电成本的70％～80％。为了准 确核算发电成本，发电厂一股在月末对煤场库存量进行盘点。尤其在电厂用煤紧张的情况 下，须根据电厂的计划负荷准确预测现有煤场存煤量的可用时间。因此，快速、准确地煤 场库存量盘点对于电厂进行成本核算、经济效益评估和科学管理具有重要意义。

目前火力发电厂普遍使用激光盘煤仪在月末对整个煤场进行扫描，得到三维坐标信息， 但是拟合生成的三维存煤状态图不形象，并且对点云数据的处理不够科学，导致得到的图 形准确度不高，在实际使用中意义不大。而且由于电厂在每天的配煤决策中，需要根据现 场的存煤图设计当日的配煤方案，所以有必要获取每日的存煤立体图。如果单纯使用激光 盘煤仪，会花费很多时间和物力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结合三维点云数据插 值和计算机视觉修正方法的设计方案，这种方法首先对三维点云数据进行插值，根据插值 运算结果进行三维网格点绘图，再根据电厂DCS系统的数据进行修正，以提高所绘的网格 图与实际煤场形状的拟合精度，同时它可以立即给出煤场存煤量的体积结果，动态修改网 格图形状的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视 化展示平台的特点在于：3D煤场实现流程是通过综合盘煤仪扫描的点云数据和日进销煤数 据，生成符合煤场实际的三维网格数据，利用Unity3D三维渲染技术生成煤场三维立体图， 再根据电厂DCS系统实时存取煤数据进行修正，以提高所绘的网格图与实际煤场形状的拟 合精度，同时给出煤场存煤量的体积结果，动态修改网格图形状，并利用web技术实现网 络在线3D煤场实时更新。

作为优选，本发明对于电厂已有的激光盘煤仪系统，须分析其工作原理，将盘煤仪所 得数据转换为常规三维坐标系；这是因为煤堆表面不规则，即使扫描步距一定，最后得到 的仍是无规则的随机分布的三维散乱数据点集。

作为优选，本发明3D煤场可视化就是对无规则的随机分布的点云数据进行径向基函数 法插值运算，形成曲线或曲面，并用图形表示出来。

作为优选，本发明采用Delaunay三角剖分算法对采样数据进行网格化处理，Delaunay 算法能将采样数据进行合理地剖分，并连接成三角形网格，该算法能使剖分得到的所有三 角形的最小内角之和最大，使任一三角形外接圆中均不包含点集中的其他点，各三角形尽 可能接近于等边三角形，避免了狭长三角形的存在，从而得到三维网格；网格化是将点云 的空间三维坐标点集按照相应的算法拟合成互不交叉的三角形网；采样数据网格化后，生 成网格化的三维立体图，为下一步生成煤堆三维立体图做准备。

作为优选，本发明煤场三维立体虚拟展示平台采用了Flash和Unity 3D的综合技术基 于B/S架构跨操作系统平台设计，展示平台系统分为元数据模型、数据库、Unity3D服务、 应用层和表现层5层结构；数据库通过文件集合来对系统关键数据进行存储，在平台中分 为场景数据库和业务数据库；场景数据库的元数据包括建模、材质和动作，业务数据库的 元数据包括坐标和煤场参数信息；Unity 3D服务主要指系统的运行逻辑，包括模型的放大 缩小、旋转平移、视角转换和动作触发；应用层主要指系统的业务逻辑，在Unity3D服务 提供接口的基础上，进行场景展示等业务数据操作，为表现层提供实时展示信息，在应用 层通过对三维图形的剖分以及拟合，从而得到圆形煤场展开之后二维存煤轮廓图；表现层 包括用户界面和特效处理，特效处理包括动画效果和模型特效。

作为优选，本发明B/S结构主要利用了成熟的浏览器技术，结合浏览器的多种Script 语言和ActiveX技术，用通用浏览器实现了原来需要复杂专用软件才能实现的强大功能， 节约了开发成本；Web可视化使在浏览器中实现在线实时查看煤场三维立体图，并提供友好 的可视化交互界面，辅助煤计划生产，设计的技术主要包括网络实施架构，服务器后端数 据处理技术，以及客户端交互技术。

作为优选，本发明为尽可能提高圆形煤场三维可视化精度，需要充分利用电厂当前可 以采集的煤场存取煤数据，煤场存取煤数据包括盘煤仪数据、日存取煤量数据、人工丈量 数据、皮带秤数据和视频数据。

作为优选，本发明点云数据指的是在二维平面上或三维空间中，无规则的随机分布的 数据，其可视化就是对点云数据进行插值或拟合，形成曲线或曲面，并用图形和图像表示 出来的技术；由激光测距仪和地图星得来的显然是点云数据，这些数据不能用于图像复现 和图形拟合，所以要进行插值运算；主要的插值算法包括与距离成反比的加权算法、径向 基函数插值法和有限元法，对数据的插值来说，径向基函数法插值效果最好，径向基函数 法插值运算的具体算法如下：

设在二维平面上有n个点(x_i，y_i)，i＝1，2，…n)，并有Z_i＝f(x_i，y_i)；插值问题就是要构造一 个连续的函数F(x，y)，使其在(x_k，y_k)，(k＝1，2，…n)点的函数值为Z_k即Z_k＝F(x_k，y_k)(k＝1，2，…n)；

径向基函数是由单个变量的函数构成的，一个点(x，y)的这种基函数形式往往是 h_k(x，y)＝h(d_k)，这里的d_k表示由点(x，y)至第k个数据点的距离；

$F(x,y)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_k{h}_k(x,y)+\underset{k=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_k{q}_k(x,y)$

式中，q_k(x，y)是一个多项式基，其阶次小于m，系数a_k，b_k应满足下面的联立方程组：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_j{h}_j(x_i,y_i)+\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_j{q}_j(x_i,y_i)=f_i,(i=\mathrm{1,2},...n)$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i{q}_i(x_i,y_i)=0,(j=\mathrm{1,2},...m)$

上式中的前面n个方程式满足了插值要求，而后面m个方程式则保证了多项式精度， 两式中共有m+n个方程式，联立求解，即可得出待定系数。

作为优选，本发明三维渲染的具体步骤如下：

输入：平面上n个点的坐标(x_i，y_i)，(i＝1，2，…n)，该点集记为S；

输出：n个点的三角剖分链表T＝(P₁，P₂，P_i)→(P₂，P_i，P_j→…(P_n-2，P_n-1，P_n)；

边扩展算法是整个算法的核心，将其设计成一个独立的子程序，参数P₁、P₂、P₃为带扩 展三角形的三个顶点，为带扩展边；

步骤1：查看P₁点的边表若其有且使用次数ncount大于等于2，则返回；

步骤2：循环点链表PointList，找满足条件的点P₄，依次从PointList中取结点P：

1)判断P点是否为边的端点，若是，则转步骤2，否则继续；

2)判断P点与P₃点是否分别位于边两侧，若不是，则转步骤2，否则继续；

3)查看P点的边表E_P，看边表中是否有P₁、P₂点，即是否有P₁∈L_P或P₂∈L_P， 若有，且其中之一的边使用次数ncount为2，则转步骤2，否则继续；

4)计算点P与点P₁、P₂所成的角度值∠P₁PP₂，若有cos(∠P₁PP₂)＜cos(∠P₁P′P₂)， 其中P′为上一次找到的点，则更新此值，且记录P点的索引号；

5)转到步骤2。

步骤3：若记录到点P的索引号，则继续，否则返回；

步骤4：P点为找到的点P₄，将以P₁、P₂、P₄为顶点的三角形Δ_i加入到三角形链表T中， 三角形计数TriCount累加1；

步骤5：分别更新P₁、P₂、P₄的边表以P₁点的边表更新为例：

1)遍历P₁点的边表若有或则将其相应的边使用次数ncount 加1，否则将P₂点或P₄点加入到P₁的边表中，且将边使用次数ncount初始化为1；

2)遍历P₁点的边表若所有结点的边使用次数ncount都为2，则将P₁点从 点链PointList中剔除；

3)用同样的方法更新P₂点和P₄点；

在煤场存煤量测量系统中，要求只测量煤堆表面轮廓的少数特征点，然后应用这些点 云的三维数据点拟合出煤堆的表面轮廓，并在计算机上显示出来，这就要求知道这些点的 空间拓扑关系，用空间连续拼接的三角形面片表征实际的曲面，然后在每一个三角形面片 上插值，以获得精确的描述；所以，应用此方法可以很好地拟合出煤场表面的形状，并求 出整个煤场的存煤量。

作为优选，本发明用户与浏览器交互时，用户的基本操作主要有：

①放大：放大图形的局部，以利于观察煤堆的细节；

②缩小：缩小图形，以利于把握煤堆整体；

③旋转：以煤场中心为原点，绕Y轴和Z轴旋转，以利于从各个方向、各个角度观察 煤场；

④平移：沿屏幕X方向或Y方向平行移动图像，以利于选取观察目标；

⑤归中：将图像回归于初始位置，即位于屏幕的中央，方便用户使用；

⑥消隐：提供了两种网格，立体网格和消隐后的网格，消隐后的网格更有立体感，利 于观察；

⑦全场绘制：读入中间输入文件后，从菜单或工具栏选此功能后，开始动态地绘制煤 堆图形；

⑧体积计算：绘制完毕后，以对话框的形式在屏幕客户区的下方提供煤场的存煤量；

⑨局部点修改：为了更好地反映煤场图像的细节，提供了局部点修改的功能，使得用 户能根据现场的实际情况，灵活地修改图形。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：在大型露天煤场存煤量测量中，对激 光扫描采集到的三维不规则数据的显示方法进行了研究，提出了一种结合三维点云数据插 值和计算机视觉修正方法的设计方案，这种方法首先对三维点云数据进行插值，根据插值 运算结果进行三维网格点绘图，再根据电厂DCS系统的数据进行修正，以提高所绘的网格 图与实际煤场形状的拟合精度，同时它可以立即给出煤场存煤量的体积结果，动态修改网 格图形状。科学计算可视化指的是运用计算机图形学和图象处理技术将科学计算过程中的 数据及计算结果的数据转换为图象，在屏幕上显示出来并进行交互处理理论、方法和技术， 它涉及到三维数据场的可视化，计算过程的交互控制和引导，图形生成和图象处理的并行 算法，面向图形的程序设计环境，以及虚拟现实技术等。

本发明的内容主要包括：(1)对于电厂已有的盘煤仪系统，须分析其工作原理，将盘 煤仪所得数据转换为常规三维坐标系。(2)研究了传统的曲面图形显示的主要方法，针对 散乱数据的曲面显示提出了解决方案，给出了散乱数据的插值方法。(3)通过Delaunay三 角剖分，生成网格化的三维立体图，为煤堆三维立体图的生成打好了基础。(4)应用以上 理论，提出了煤场盘煤的实用方案，同时根据电厂DCS系统的数据进行更新，最后基于 Unity 3D编制了煤场三维图形显示软件。本发明在激光盘煤仪数据的基础上，利用激光扫 描整个煤场得到点云数据，通过把煤场划分为均匀的方格，利用点云数据的插值算法得到 插值，再通过图像拟合技术修正插值，借助Unity3D技术复现出整个煤场的三维立体图， 根据电厂DCS系统的实时存取煤数据，对存煤图进行实时更新，在经济成本和精度要求上 都能得到相应的保证。

附图说明

图1为圆形煤场三维智能可视化展示平台技术方案示意图，其中，(a)表示数据处理示 意图，(b)表示插值运算示意图，(c)表示3D渲染示意图，(d)表示Web可视化示意图。

图2为基于Unity3D的三维显示平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的 解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

针对当前电厂技术背景与需求，3D煤场的主要任务是将电厂存煤情况可视化的显示， 3D煤场实现流程是通过综合盘煤仪扫描的点云数据和日进销煤等数据，生成符合煤场实际 的三维网格数据，利用Unity3D等三维渲染技术生成煤场三维立体图，并利用web技术实 现网络在线3D煤场，为电厂提供实现决策支撑。

为尽可能提高3D煤场可视化精度，需要充分利用当前可以采集的煤场存煤数据，主要 包括盘煤仪数据、日存取煤量数据、人工丈量数据、皮带秤数据和视频数据。从现有技术 上看，上述几个数据源中，盘煤仪的数据是最为精确的，但是由于盘煤仪每次盘点耗时较 长，不宜频繁使用；日存取煤总量则是与生产量直接对应，精度较高，但是由于缺乏煤场 取煤位置信息，难以直接生成煤场立体图；皮带秤的数据则由于测量误差较大，仅作为参 考与辅助；视频数据则是，煤场进行直接取样，需要复杂建模，方可提取有用数据；人工 丈量是当前常用的方法，但是由于人为因素，丈量误差较大，可作为辅助数据。

如图1所示，图1为圆形煤场三维智能可视化展示平台技术方案示意图，具体实施方 案如下。

(1)激光盘煤仪数据预处理。

由于不论是塔式的还是手持式的盘煤仪都有多个测量基点，而每一个测量基点得到的 数据点集都是在以本测量基点为坐标原点的坐标系中，所以必先有一个坐标变换的过程。 激光盘煤仪是利用二维高频率激光扫描仪对料场的表面进行高频率断面扫描获得高密度的 断面数据，结合行程测量器获得的料场长度和回程测量器获得的扫描仪偏转角度数据，实 现料场体积的计算、料场三维模型的显示。由计算机控制转台带动激光测距系统按一定的 顺序对煤场表面扫描，同时计算每个测点在煤场中的三维坐标。由于煤场表面非规则，即 使扫描步距一定，最后得到的仍是三维散乱数据点集。图形显示及体积计算部分的关键在 于曲面拟合，曲线拟合的基础是准确的数据插值。

(2)点云数据的插值运算。

点云数据指的是在二维平面上或三维空间中，无规则的随机分布的数据。其可视化就 是对点云数据进行插值或拟合，形成曲线或曲面并用图形和图像表示出来的技术。由激光 测距仪和地图星得来的显然是点云数据，这些数据不能用于图像复现和图形拟合，所以要 进行插值运算。主要的插值算法有：与距离成反比的加权算法、径向基函数插值法、有限 元法等。对数据的插值来说，径向基函数法插值效果最好，图1(b)为经过插值后得到的立 体图。具体算法如下：

设在二维平面上有n个点(x_i，y_i)，(i＝1，2，…n)，并有Z_i＝f(x_i，y_i)。插值问题就是要构造一 个连续的函数F(x，y)，使其在(x_k，y_k)，(k＝1，2，…n)点的函数值为Z_k即Z_k＝F(x_k，y_k)(k＝1，2，…n)。

径向基函数是由单个变量的函数构成的。一个点(x，y)的这种基函数形式往往是 h_k(x，y)＝h(d_k)，这里的d_k表示由点(x，y）至第k个数据点的距离。

$F(x,y)=\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_k{h}_k(x,y)+\underset{k=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_k{q}_k(x,y)$

式中，q_k(x，y)是一个多项式基，其阶次小于m。系数a_k，b_k应满足下面的联立方程组：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_j{h}_j(x_i,y_i)+\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{b}_j{q}_j(x_i,y_i)=f_i,(i=\mathrm{1,2},...n)$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_i{q}_i(x_i,y_i)=0,(j=\mathrm{1,2},...m)$

上式中的前面n个方程式满足了插值要求，而后面m个方程式则保证了多项式精度。 两式中共有m+n个方程式，联立求解，即可得出待定系数。

(3)三维渲染。

四面体网格模型是一种真三维数据模型，用其来模拟煤堆，不仅方便处理计算，也便 于煤堆立体显示。网格化是将点云的空间三维坐标点集按照相应的算法拟合成互不交叉的 三角形网。采样相互局网格化后可生成网格化的三维立体图，为下步生成煤堆三维立体图 做准备。本实施例采用Delaunay三角剖分算法对采样数据进行网格化处理，Delaunay算法 能将采样数据进行合理地剖分，并连接成三角形网格，该算法能使剖分得到的所有三角形 的最小内角之和最大，是任一三角形外接圆中均不包含点集中的其他点，各三角形尽可能 接近于等边三角形，避免了狭长三角形的存在，因此生成的三维网格也较优。具体实施步 骤如下：

输入：平面上n个点的坐标(x_i，y_i)，(i＝1，2，…n)，该点集记为S。

输出：n个点的三角剖分链表T＝(P₁，P₂，P_i)→(P₂，P_i，P_j)→…(P_n-2，P_n-1，P_n)

边扩展算法是整个算法的核心，将其设计成一个独立的子程序，参数P₁、P₂、P₃为带扩 展三角形的三个顶点，为带扩展边。

步骤1：查看P₁点的边表若其有且使用次数ncount大于等于2，则返回。

步骤2：循环点链表PointList，找满足条件的点P₄。依次从PointList中取结点P：

1)判断P点是否为边的端点，若是转步骤2，否则继续。

2)判断P点与P₃点是否分别位于边两侧，若不是转步骤2，否则继续。

3)查看P点的边表E_P，看边表中是否有P₁、P₂点，即是否有P₁∈L_P或P₂∈L_P。若有，且 其中之一的边使用次数ncount为2，即转步骤2，否则继续。

4)计算点P与点P₁、P₂所成的角度值∠P₁PP₂，若有cos(∠P₁PP₂)＜cos(∠P₁P′P₂)，其中P′为 上一次找到的点，则更新此值且记录P点的索引号。

5)转到步骤2。

步骤3：若记录到点P的索引号，则继续，否则返回。

步骤4：P点为找到的点P₄，将以P₁、P₂、P₄为顶点的三角形Δ_i加入到三角形链表T中， 三角形计数TriCount累加1。

步骤5：分别更新P₁、P₂、P₄的边表以P₁点的边表更新为例：

1)遍历P₁点的边表若有或则将其相应的边使用次数ncount加1， 否则将P₂点或P₄点加入到P₁的边表中，且将边使用次数ncount初始化为1。

2)遍历P₁点的边表若所有结点的边使用次数ncount都为2，则将P₁点从点链 PointList中剔除。

3)用同样的方法更新P₂点和P₄点。

在煤场存煤量测量系统中，要求只测量煤堆表面轮廓的少数特征点，然后应用这些点 云的三维数据点拟合出煤堆的表面轮廓，并在计算机上显示出来。这就要求知道这些点的 空间拓扑关系，用空间连续拼接的三角形面片表征实际的曲面，然后在每一个三角形面片 上插值，以获得精确的描述。所以，应用此方法可以很好地拟合出煤场表面的形状，并求 出整个煤场的存煤量。

(4)Unity 3D虚拟展示。

Unity 3D作为一种三维虚拟现实游戏平台，可以充分、实时的处理大量的三维模型， 其中Unity 3D引擎是其创造高质量3D仿真系统和真实视觉效果的核心技术，对DirectX 和OpenGL拥有高度优化的图形渲染管道。煤场立体虚拟展示平台采用了Flash+Unity 3D 的综合技术基于B/S架构跨操作系统平台设计。如图2所示，展示平台系统分为元数据模 型、数据库、Unity3D服务、应用层和表现层5层结构。具体实施方式如下：

1)Web可视化：主要解决在浏览器中实现在线实时的查看煤场三维立体图，并提供友 好的可视化交互界面，辅助煤计划生产。设计的技术主要包括网络实施架构，服务器后端 数据处理技术，以及客户端交互技术。

2)B/S架构：浏览器/服务器模式是WEB兴起后的一种网络结构模式。这种模式将系统 功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。浏览器通过Web Server同数据库进行数据交互。基于上述优势以及当前煤场技术，3D煤场采用B/S架构， 服务器端生成正确的网格数据，浏览器端渲染并可视化煤场立体图，如图1(d)所示。

3)服务器后台相关技术。

4)浏览器界面交互技术：主要是建立一个友好的可视化界面，便于查看当前煤场存煤 信息。存煤信息查看主要是通过用户与浏览器的交互实现的。而浏览器的交互信息则是包 括三种交互：html与服务器交互、html与unity3D交互以及html与用户交互。

5)用户与浏览器交互：用户的基本操作主要有：①放大：放大图形的局部，以利于观 察煤堆的细节。②缩小：缩小图形，以利于把握煤堆整体。③旋转：以煤场中心为原点， 绕Y轴和Z轴旋转，以利于从各个方向、各个角度观察煤场。④平移：沿屏幕X方向或Y 方向，平行移动图像，以利于选取观察目标。⑤归中：将图像回归于初始位置，即位于屏 幕的中央，方便用户使用。⑥消隐：本专利提供两种网格，立体网格和消隐后的网格，消 隐后的网格更有立体感，利于观察。⑦全场绘制：读入中间输入文件后，从菜单或工具栏 选此功能后，开始动态地绘制煤堆图形。⑧体积计算：绘制完毕后，以对话框的形式在屏 幕客户区的下方提供煤场的存煤量。⑨局部点修改：为了更好地反映煤场图像的细节，本 软件提供了局部点修改的功能，使得用户能根据现场的实际情况，灵活地修改图形。

本发明中的基于Unity3D的圆形煤场三维智能可视化展示平台在大型露天煤场存煤量 测量中，利用Unity3D平台实现火力发电厂圆形煤场存煤情况的可视化显示，为电厂日常 生产提供友好决策支撑。对激光扫描采集到的三维不规则数据的显示方法进行了研究，提 出了一种结合三维点云数据插值和计算机视觉修正方法的设计方案。首先对激光盘煤仪扫 描的三维点云数据进行插值，生成符合煤场实际的三维网格数据，利用Unity3D等三维渲 染技术生成煤场三维立体图，再根据电厂DCS系统实时存取煤数据进行修正，以提高所绘 的网格图与实际煤场形状的拟合精度。同时它可以立即给出煤场存煤量的体积结果，动态 修改网格图形状，利用web技术实现网络在线3D煤场实时更新。与传统的盘煤方法相比， 具有实时快速、经济成本低、盘煤精度高、界面直观明了等技术优势。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名 称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依 据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发 明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种 各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求 书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。