一种组态编辑与实时渲染分离的画面构建交互方法及系统与流程

本发明涉及三维渲染，具体来说，涉及一种组态编辑与实时渲染分离的画面构建交互方法及系统。

背景技术：

1、工业自动化与信息化的深度融合已成为制造业转型升级的核心路径。数据采集与监视控制系统（scada）作为工业过程控制与生产调度的中枢神经平台，其可视化呈现能力与交互效率直接关系到生产运营的管理水平与响应速度。随着生产工艺日趋复杂、设备集群规模持续膨胀以及实时数据维度不断扩展，传统的二维scada组态界面因其抽象化、符号化的平面表达方式，逐渐暴露出空间感知能力薄弱、设备状态呈现维度受限、异常事件空间定位效率低下等固有缺陷。将三维可视化技术引入scada系统，构建具备真实空间临场感的沉浸式三维工业监控场景，已成为提升工业操作员态势感知能力与交互响应效率的关键技术演进方向。

2、然而，现有的三维scada系统在实际工程部署与运行过程中仍面临多重技术挑战。部分现有方案依赖于特定的商业游戏引擎（如unity、unreal engine）或大型三维建模平台，虽然渲染效果优良，但系统架构封闭、跨平台部署能力受限、软件授权与运维成本居高不下，且与工业现场常用的嵌入式设备和工控硬件的兼容性较差。部分方案采用纯web技术栈（如webgl、three.js）实现三维渲染，虽然具备良好的跨平台访问能力，但在面对大规模工业场景下的高并发实时数据交互时，受限于浏览器运行环境的资源约束，渲染性能显著下降、端到端数据延迟增大，难以满足工业监控对实时性与稳定性的严苛要求。

3、此外，三维监控画面的构建过程通常需要专业的三维建模技能和复杂的底层图形编程能力，开发周期冗长、技术门槛较高，现场工程人员难以根据产线改造和设备变更的实际需求自主完成三维画面的快速调整与重新配置。三维图元与实时工业数据之间的绑定关系往往固化在程序代码中，缺乏灵活的脚本化动态映射机制，无法满足多个设备状态量经逻辑运算后协同驱动三维模型复合视觉变化的复杂监控场景需求。

4、具体而言，现有技术中存在以下几个关键技术问题：

5、（1）三维scada场景的快速组态与零代码构建问题：传统三维监控画面的构建依赖于专业的3d建模软件和复杂的底层图形编程，不仅开发效率低下，且画面修改与维护必须由开发人员介入。如何在保留高性能渲染与跨平台优势的前提下，建立一套基于可复用图元库的零代码/低代码三维组态编辑机制，使得运维人员能像搭建二维画面一样通过拖拽与配置快速构建三维监控场景，是亟需解决的首要问题。

6、（2）三维图元属性与实时工业数据的动态映射与脚本交互问题：现有的三维scada绑定机制多为静态的一对一映射（如数值直接驱动旋转角度），缺乏灵活的、基于复杂逻辑判断的映射能力。当工业现场需要根据多个设备状态量的组合逻辑（脚本计算）来控制三维模型的颜色闪烁、可见性切换或组合动画时，静态绑定无法满足要求。

7、（3）编辑态与实时态的架构分离与画面文件轻量化存储问题：在工程实践中，组态编辑环境（编辑态）与在线运行环境（实时态）对系统资源的需求截然不同。若将庞大的原始模型资产直接加载至实时监控节点，将导致巨大的内存开销和启动延迟。因此，需要解决如何设计一种中间格式的画面文件（如cimg格式），将编辑态的模型实例、材质属性、动态绑定脚本及层级关系进行高效序列化存储，并在实时态下实现快速解析与高性能渲染的问题。

8、（4）大规模三维场景下的实时渲染性能与视觉体验平衡问题：三维scada实时态场景往往包含数万甚至数十万个三角面片，若采用全局高精度渲染策略，极易导致画面卡顿、操作延迟，严重影响监控的实时性与流畅度。如何在渲染管线中，结合视距感知的（多细节层次）动态切换技术，在不牺牲关键设备视觉清晰度的前提下，自动优化远景与遮挡物体的渲染负载，实现复杂工业场景下的高帧率交互，是保障系统可用性的关键技术难点。

9、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种组态编辑与实时渲染分离的画面构建交互方法及系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种组态编辑与实时渲染分离的画面构建交互方法，包括：

4、对获取的三维模型文件进行解析和轻量化处理，生成标准化的三维图元，并通过预设的多级层次结构对三维图元进行组织管理，得到三维图元库；

5、将三维图元库中的三维图元实例化至三维场景中，并对三维图元实例进行调整，建立设备属性与三维图元实例属性之间的动态属性映射关系，以完成三维画面的组态编辑；

6、将组态编辑完成的三维画面中的三维图元实例进行序列化处理，并将处理结果保存为预设格式的画面描述文件；

7、读取预设格式的画面描述文件，解析并还原三维场景中的三维图元实例及其属性配置，以完成三维画面的初始化渲染；

8、初始化渲染完成后，订阅三维画面绑定的全部设备变量集合，对实时数据库中相关变量值发生变化时自动执行对应三维图元实例的动态属性脚本重计算，并根据计算结果更新三维图元实例的视觉属性；

9、在实时态运行过程中，对经动态属性触发动画效果或绑定的设备变量产生告警状态的三维图元实例的多细节层次渲染等级进行调整；

10、等级调整完成后，响应三维图元实例的点击操作，并根据该三维图元实例预先配置的设备绑定关系，从实时数据库中检索并呈现该设备绑定的运行参数与状态信息。

11、根据本发明的另一个方面，还提供了一种组态编辑与实时渲染分离的画面构建交互系统，该系统包括：

12、图元库构建模块，用于对获取的三维模型文件进行解析和轻量化处理，生成标准化的三维图元，并通过预设的多级层次结构对三维图元进行组织管理，得到三维图元库；

13、画面组态编辑模块，用于将三维图元库中的三维图元实例化至三维场景中，并对三维图元实例进行调整，建立设备属性与三维图元实例属性之间的动态属性映射关系，以完成三维画面的组态编辑；

14、组态文件导出存储模块，用于将组态编辑完成的三维画面中的三维图元实例进行序列化处理，并将处理结果保存为预设格式的画面描述文件；

15、实时场景解析渲染模块，用于读取预设格式的画面描述文件，解析并还原三维场景中的三维图元实例及其属性配置，以完成三维画面的初始化渲染；

16、数据订阅与动态属性更新模块，用于初始化渲染完成后，订阅三维画面绑定的全部设备变量集合，对实时数据库中相关变量值发生变化时自动执行对应三维图元实例的动态属性脚本重计算，并根据计算结果更新三维图元实例的视觉属性；

17、多细节层次渲染调度模块，用于在实时态运行过程中，对经动态属性触发动画效果或绑定的设备变量产生告警状态的三维图元实例的多细节层次渲染等级进行调整；

18、图元交互与设备信息展示模块，用于等级调整完成后，响应三维图元实例的点击操作，并根据该三维图元实例预先配置的设备绑定关系，从实时数据库中检索并呈现该设备绑定的运行参数与状态信息。

19、本发明的有益效果为：

20、1、本发明构建组态编辑态与实时渲染态分离的双模态架构，通过预设格式画面描述文件完成组态数据序列化存储与解析，实现组态配置与运行环境彻底解耦。组态画面可独立编辑、修改与部署，不依赖实时监控节点运行逻辑，有效降低现场工控机资源开销与运维复杂度。同时系统基于开放式图形库搭建，支持多操作系统与嵌入式平台部署，摆脱商业引擎、专用bim生态及行业紧耦合架构的限制，具备良好的跨平台能力与技术自主可控性。

21、2、本发明通过外部模型轻量化、标准化、层级化处理，搭建通用三维图元库，摆脱传统方案依赖专业建模软件、行业专属组件的局限。依托图元库支持拖拽式、配置化低代码画面搭建，工程人员无需专业建模能力即可快速完成三维场景构建，大幅提升画面组态效率，提升模型资源复用率，缩短项目实施周期，普适性与可扩展性更强。

22、3、本发明摒弃传统静态数据绑定、被动查询的方式，采用自定义脚本驱动的动态属性映射机制，支持多设备变量联合运算，可灵活驱动图元颜色、姿态、可见性、动画等多种视觉变化，适配工业复杂联动监控场景。同时通过整画面设备变量集中订阅、增量更新的方式，实现现场数据与三维画面的实时联动，配合图元点击交互信息检索功能，有效提升系统实时响应能力与设备态势感知效率。

23、4、本发明采用视距感知加事件驱动的混合多细节层次动态切换策略，常态下依据相机视距自适应调整模型精度，有效优化大规模场景渲染压力。针对设备告警、重要动画等关键业务事件，可强制提升渲染精度，保证远景关键设备状态清晰不失真，并通过延迟退避机制避免渲染精度抖动。相比传统静态轻量化、固定比例切换方式，本发明兼顾了系统渲染性能与工业监控的业务可靠性。