基于高精度水下三维重建技术的虚实融合实验平台的制作方法

本发明涉及三维重建，具体为基于高精度水下三维重建技术的虚实融合实验平台。

背景技术：

1、水下缆控无人潜水器在执行深海作业时，通常需要借助三维重建技术在岸基控制室构建作业环境的虚拟模型，以辅助操作人员进行机械臂抓取等精细操作。现有的水下三维重建系统通常采用将前端采集的稠密光学或声学点云数据直接通过脐带缆回传至岸基进行渲染的架构。然而，脐带缆的通信上行带宽有限且存在固有的传输延迟，高频面级点云数据的持续回传容易引起通信链路拥塞，导致岸基渲染的虚拟场景出现数据滞后。

2、此外，水下作业环境往往伴随复杂的动态变化。当潜水器的推进器工作或机械臂执行动作时，会引起局部流场的变化，进而导致海底底质扬起及作业区地形形变。传统的实时重建算法多依赖纯几何数据的叠加或前端持续刷新，难以应对此类动态流体力学扰动。受限于带宽限制与算法单一性，岸基端的重构模型无法及时同步水下环境的真实物理形变，造成岸基虚实融合画面产生几何失真。在此情况下，操作人员依据滞后且失真的虚拟模型进行作业规划时，无法获得准确的空间位置反馈与防碰参考边界，增加了水下机械执行机构与环境发生碰撞的风险，影响了潜水器的作业安全。

3、因此，本发明提出基于高精度水下三维重建技术的虚实融合实验平台，来解决现有技术的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于高精度水下三维重建技术的虚实融合实验平台，解决了现有水下虚实融合系统因脐带缆通信带宽受限以及难以应对机械作业引发的动态流场扰动，导致岸基三维重建模型产生数据滞后与几何失真，无法为操作人员提供准确的防碰参考的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于高精度水下三维重建技术的虚实融合实验平台包括：

3、水下边缘计算节点，设置于缆控无人潜水器内；

4、岸基渲染与控制节点，配置于控制室中；

5、脐带缆通信链路，承载水下边缘计算节点与岸基渲染与控制节点之间的数据传输；

6、初始网格重建模块，配置于水下边缘计算节点，用于同步采集光学三维点云与声呐点云进行配准，基于配准后的点云生成初始三维网格；

7、机理前馈推演模块，以同构算法实例分别配置于两个节点，用于根据流体速度向量场对初始三维网格施加位移约束生成预测网格；水下边缘计算节点侧用于生成预测网格及网格状态哈希签名，岸基渲染与控制节点侧用于基于相同指令和流体力学模型参数同步复算预测网格；

8、稀疏残差提取模块，配置于水下边缘计算节点，用于基于主从液压机械臂的运动学参数生成动态机械臂包络体积，剔除落入动态机械臂包络体积内的点云，计算有效点云与预测网格的法向距离生成残差集；

9、参数闭环标定模块，配置于岸基渲染与控制节点，用于核对网格状态哈希签名的一致性，利用残差集包含的空间梯度差异计算并更新流体力学模型参数后反馈至机理前馈推演模块；

10、自适应渲染模块，配置于岸基渲染与控制节点，用于提取残差集中的波动记录计算局部几何置信度，依据局部几何置信度调整操作目标的碰撞检测包络盒半径并生成虚实融合画面。

11、优选的，所述初始网格重建模块具体用于：

12、通过双目光学摄像机提取光学三维点云，通过多波束成像声呐获取声呐点云；

13、利用外参矩阵对两类点云执行空间刚体变换，统一至同一参考坐标系下形成全局点云并进行体素降采样滤波；

14、估计降采样后全局点云的法向量，调用泊松曲面重建算法提取等值面生成所述初始三维网格。

15、优选的，所述机理前馈推演模块根据流体速度向量场对初始三维网格施加位移约束生成预测网格的具体过程为：

16、获取推进器转速与主从液压机械臂的关节角速度，求解局部流体速度向量场；

17、计算所述初始三维网格各顶点表面承受的流体剪切应力，将流体剪切应力大于底质临界启动屈服应力的连续空间区域确定为物理扰动区；

18、计算物理扰动区内各顶点对应的局部动压力，将其结合预设底质柔顺系数转化为法向位移约束；

19、利用拉普拉斯坐标映射方法对施加法向位移约束的初始三维网格进行形变求解，生成所述预测网格。

20、优选的，所述水下边缘计算节点侧的机理前馈推演模块生成网格状态哈希签名的具体过程为：

21、将物理扰动区内预测网格的顶点坐标除以预设空间容差常数执行空间量化处理；

22、将量化后的顶点坐标序列与预测网格的三角面片索引序列、计算周期编号、初始网格版本号、机械执行指令序号、流体力学模型参数版本号及空间容差常数拼接为一维数据字符串；

23、调用散列算法对一维数据字符串进行计算，生成定长散列值序列作为所述网格状态哈希签名。

24、优选的，所述稀疏残差提取模块剔除落入动态机械臂包络体积内的点云的具体过程为：

25、实时获取主从液压机械臂的关节角度数据进行正运动学解算，获得机械臂各连杆的空间位姿；

26、沿各连杆中心轴线建立基础几何包围体，向外扩张预设安全裕度形成所述动态机械臂包络体积；

27、将当前获取的声呐点云与动态机械臂包络体积进行空间差集处理，将落入动态机械臂包络体积内部或边界上的声呐点判定为干扰点并剔除，保留剩余的声呐点作为所述有效点云。

28、优选的，所述稀疏残差提取模块生成残差集及数据回传的具体过程为：

29、针对预测网格建立空间索引结构，查找与有效点云距离最近的网格三角面片；

30、对局部法向量夹角符合阈值的有效点云沿网格表面法向方向投影并计算法向距离；

31、当法向距离大于预设几何偏差阈值时，将对应有效点云确定为离散特征点写入所述残差集；

32、当残差集的数据包体积未超过基于当前可用上行带宽确定的动态带宽阈值时，将其与网格状态哈希签名封装为常规残差数据包回传；

33、当超过动态带宽阈值时，触发降维熔断策略，将有效点云转换为稀疏体素八叉树数据封装为熔断数据包回传。

34、优选的，所述参数闭环标定模块核对网格状态哈希签名一致性的具体过程为：

35、接收到常规残差数据包时，读取岸基渲染与控制节点本地缓存的机械执行指令，调用岸基侧机理前馈推演算法实例生成本地预测网格并计算本地散列值；

36、将接收的网格状态哈希签名与本地散列值比对，若比对一致则解包残差集用于参数更新，若比对不一致则丢弃当前残差集并向水下边缘计算节点发送网格关键帧重置指令。

37、优选的，所述流体力学模型参数包括水体-底质耦合等效动态粘滞系数与临界启动屈服应力；

38、所述参数闭环标定模块计算并更新流体力学模型参数的具体过程为：以离散特征点的法向距离平方和的均值构建目标损失函数；

39、分别对水体-底质耦合等效动态粘滞系数与临界启动屈服应力施加微小摄动量，根据重新推演预测网格后引发的目标损失函数变化量近似求得下降梯度；

40、采用梯度下降算法迭代更新所述水体-底质耦合等效动态粘滞系数和所述临界启动屈服应力。

41、优选的，所述自适应渲染模块计算局部几何置信度并调整碰撞检测包络盒半径的具体过程为：

42、根据预设时间窗口内的残差幅值历史记录和残差更新次数，利用时空积分模型计算各网格顶点的所述局部几何置信度；

43、根据操作目标周边的关联网格顶点的局部几何置信度加权平均值计算区域置信度；

44、将操作目标的基础几何检测半径，与最大排斥膨胀系数以及一减去区域置信度的差值三者之间的连乘结果相加，确定为膨胀后的碰撞检测包络盒半径。

45、优选的，所述自适应渲染模块生成虚实融合画面的具体逻辑为：

46、对于局部几何置信度高于设定高阈值的稳态网格区域，调用反照率贴图及粗糙度贴图执行基于物理的高清材质渲染；

47、对于局部几何置信度低于设定高阈值或发生物理扰动的网格区域，切换至声学伪彩线框渲染模式绘制预测网格的拓扑边缘；

48、当因通信带宽防发散保护而接收到稀疏体素八叉树数据时，将对应区域切换至体渲染模式，调用光线步进体素云渲染算法生成体素渲染画面。

49、本发明提供了基于高精度水下三维重建技术的虚实融合实验平台。具备以下有益效果：

50、1、本发明通过在通信链路两端部署同构的机理前馈推演模块，使岸基节点能够同步推演水下场景状态，并利用稀疏残差提取模块仅回传水下有效点云与预测网格比对后的离散特征点。该机制将传统的三维面级数据高频回传转变为点级残差回传，降低了系统对脐带缆上行带宽的依赖，保证了受限带宽条件下的数据实时交互。

51、2、本发明利用参数闭环标定模块，基于网格状态哈希签名核对两端推演环境的一致性，并提取回传残差的空间梯度差异迭代更新流体力学模型参数。该标定机制能够根据实际水域底质反馈在线校准前馈推演模型，在提升岸基模型物理预测精度的同时，减少了后续计算周期内产生的残差数据量，降低了整体通信负荷。

52、3、本发明通过自适应渲染模块建立局部几何置信度与碰撞检测边界的联动机制，针对残差增大的不确定区域动态扩大操作目标的碰撞检测包络盒半径，并配合执行渲染模式降级切换。这种基于数据置信度的防碰范围自适应调整机制，能够防止操作人员因模型几何失真做出空间位置误判，保障了水下动态扰动环境下的机械作业安全性。