一种基于数字孪生技术的数字空间描述方法及系统与流程

本发明公开了一种基于数字孪生技术的数字空间描述方法及系统，涉及数字孪生与三维渲染。

背景技术：

1、随着数字孪生技术的发展，数字空间的构建通常依赖于标准的三维渲染引擎来处理物理空间传回的跨模态实时动态数据。然而，现有技术在进行数据同步时，主要通过引擎的标准应用层api接口接收并处理数据，缺乏将上层逻辑节点与底层物理内存位置参数直接映射的机制。这种传统的数据流转模式需要经历漫长的业务指令解析与解释执行阶段，导致逻辑层与物理显存之间存在难以逾越的通信壁垒。

2、在处理高频的局部数据更新需求时，现有系统的更新链路暴露出更为严重的性能瓶颈。具体而言，当外部感知数据发生微小变化时，由于系统未能建立基于快照数据的轻量级差分比对机制，引擎往往不得不对整个空间模型的场景树执行耗时的全树遍历，才能寻址到对应的目标空间要素。这种将局部状态刷新与全局节点搜索相绑定的处理方式，使得每一次动态数据的涌入都会引发大规模的无效计算与渲染管线排队，极易造成画面掉帧与高延迟。

3、综上，现有基于数字孪生技术的空间描述与渲染机制存在底层硬件穿透能力弱、数据寻址与对比更新低效的核心缺陷。由于过度依赖冗长的解释执行管线以及低效的全树遍历逻辑，现有架构无法在海量感知数据涌入时实现显存级别的快速覆写，致使其在应对高频次、极低延迟的局部空间动态热重载任务时，始终面临着难以突破的算力损耗与同步延迟瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于数字孪生技术的数字空间描述方法及系统，其核心在于打破了传统图形渲染引擎依赖长链路解释执行的性能瓶颈，创新性地将高层级的五维属性模型节点与底层的物理内存位置参数进行硬绑定；当海量高频动态数据涌入时，本方案利用空间索引算法快速锁定目标属性节点，通过与前一渲染帧的快照数据进行精准比对以提取轻量级差异化数据集，并根据所述物理内存位置参数直接计算出目标节点在渲染引擎gpu资源缓冲区中的目标偏移位置，最终利用直接内存访问机制对目标物理显存进行局部增量覆写，从而以直接数据覆写替代传统的全树遍历，实现了绕过引擎业务层的极低延迟热重载，从根本上解决了高频空间状态同步过程中的算力冗余与渲染滞后问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于数字孪生技术的数字空间描述方法，包括如下步骤：

4、s1：获取物理空间的跨模态数据状态，通过时空基准处理，构建标准化空间要素集；

5、s2：基于所述标准化空间要素集构建五维属性模型，所述五维属性模型组织为树状结构，包括逻辑层、物理层、行为层、语义层及关系层；所述行为层与所述语义层作为动态属性节点挂载于所述树状结构的叶节点，实现所述逻辑层与所述物理层的映射解耦；

6、s3：将所述五维属性模型封装为数字空间描述文件，并下发至目标渲染引擎，所述描述文件中的每个属性节点均关联有物理内存位置参数；

7、s4：监听物理空间的实时动态数据，根据所述五维属性模型的路径定位机制，利用空间索引算法锁定目标属性节点；

8、s5：根据所述物理内存位置参数计算所述目标属性节点在所述目标渲染引擎显存中的直接偏移地址，提取差异化数据集，并通过直接内存访问方式对目标显存地址进行局部增量覆写。

9、作为优选地，所述步骤s1中时空基准处理具体包括：

10、提取各跨模态传感器获取的多元局部感知坐标系；采用仿射变换矩阵，将各所述多元局部感知坐标系映射至统一的全局三维坐标系，并汇聚为多源融合数据；基于基准补偿算法对所述多源融合数据进行拓扑位姿校正，生成平滑的多元空间坐标数据。

11、作为优选地，所述步骤s1中获取物理空间的跨模态数据状态还包括时间同步处理，具体包括：

12、以所述目标渲染引擎的系统渲染帧为基准时钟，为不同模态数据设定时间滑动窗口；采用线性插值法对同一时间滑动窗口内的数据进行同步计算，以保证所述标准化空间要素集在同一时刻下的状态一致性。

13、作为优选地，所述逻辑层与所述物理层映射解耦的实现方式为：

14、将所述物理层定义为所述树状结构的干节点，将所述动态属性节点以索引键值对挂载至所述干节点；在执行局部热重载时，所述目标渲染引擎通过属性节点的节点路径匹配，直接锁定显存的直接偏移地址；通过直接数据覆写替代全树遍历。

15、作为优选地，所述行为层通过有限状态机模型实现空间交互，所述有限状态机模型通过api接口接收业务指令，并基于所述关系层构建的拓扑连接网络，从所述标准化空间要素集中确定受所述业务指令影响的目标空间要素，进而触发所述目标空间要素的虚拟动作或状态流转。

16、作为优选地，所述步骤s4中所述空间索引算法的具体步骤为：

17、采用基于八叉树的空间动态划分算法，根据所述实时动态数据的坐标信息，在空间索引树中执行自顶向下的剪枝搜索，定位与空间外接盒相交的节点，确定受所述实时动态数据影响的目标空间要素。

18、作为优选地，所述步骤s5中提取差异化数据集的具体步骤为：

19、计算目标空间要素当前实时动态特征的偏差值，将所述偏差值与前一渲染帧中的快照数据进行比对；若两者不一致，则提取各自的具体属性字段及新值，生成轻量级偏差包数据作为局部增量覆写的数据源。

20、作为优选地，所述步骤s5中直接内存访问方式具体为：

21、所述目标渲染引擎解析所述轻量级偏差包数据中的路径标识符，根据预存的物理内存对齐参数计算显存物理地址，通过内存拷贝指令将所述差异化数据集直接覆盖至该显存物理地址，跳过解释执行阶段实现属性同步。

22、本发明还提供了一种基于数字孪生技术的数字空间描述系统，用于实现一种基于数字孪生技术的数字空间描述方法，包括：

23、空间数据采集模块，用于获取物理空间的跨模态数据状态，通过时空基准处理，构建标准化空间要素集；

24、模型构建模块，用于基于所述标准化空间要素集构建五维属性模型，所述五维属性模型组织为树状结构，包括逻辑层、物理层、行为层、语义层及关系层；所述行为层与所述语义层作为动态属性节点挂载于所述树状结构的叶节点，实现所述逻辑层与所述物理层的映射解耦；

25、文件生成与分发模块，用于将所述五维属性模型封装为数字空间描述文件，并下发至目标渲染引擎，所述描述文件中的每个属性节点均关联有物理内存位置参数；

26、实时动态监测模块，用于监听物理空间的实时动态数据，根据所述五维属性模型的路径定位机制，利用空间索引算法锁定目标属性节点；

27、内存驱动更新模块，用于根据所述物理内存位置参数计算所述目标属性节点在所述目标渲染引擎显存中的直接偏移地址，提取差异化数据集，并通过直接内存访问方式对目标显存地址进行局部增量覆写。

28、本发明的有益效果：

29、本发明通过将空间属性节点与物理内存位置参数直接绑定，并在数据更新时计算显存的直接偏移地址以进行直接内存访问覆写，绕过了传统渲染引擎冗长的业务解析与解释执行阶段。这种跨越软件层级直接对底层显存进行定点刷新的方式，以直接数据覆写替代了耗时的全场景树状图遍历，从而在面对物理空间高频涌入的实时感知数据时，能够实现极低延迟的局部动态热重载，保障了虚实空间状态的极速、精准同步。

30、本发明在处理物理空间实时动态监测数据时，引入了目标要素当前特征偏差值与前一渲染帧快照数据进行精准比对的机制，仅提取发生状态改变的具体属性字段及其新值。这种基于轻量级偏差包数据的帧间差分更新策略，避免了传统渲染模式下向引擎管线重复提交大量冗余静态数据的弊端，不仅降低了内存拷贝的规模，更在维持多源融合数据拓扑位姿稳定性的同时，大幅减轻了底层硬件的传输压力。

31、本发明所构建的五维属性模型将行为层与语义层作为动态属性节点挂载于树状结构的叶节点，成功实现了系统逻辑层与物理层的映射解耦。这种架构设计配合基于八叉树的空间动态划分与自顶向下的快速剪枝搜索算法，使得系统在通过有限状态机接收业务指令并触发对应空间要素动作时，能够无视庞大复杂的空间基础框架，直接锁定受影响的目标外接盒与要素节点，在维持底层几何结构稳定的前提下，实现了复杂孪生业务逻辑的高效隔离与交互指令的极速响应。