电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模方法及系统与流程

1.本公开属于计算机技术领域，尤其涉及电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.考虑到电网的网络化运营和管理，有必要建立一个自动化、信息化、交互化的智能电网系统，三维重建技术在智能电网的可视化管理与运行分析过程中占据着重要地位。输电塔作为电力系统的重要组成部分，对电力系统的安全可靠运行起着至关重要的作用，有必要熟练的掌握输电塔的构建过程，才能更好实施输电塔的基建工作，可视化的三维模型结合动态增长效果就能很直观的展现出输电塔的构建过程。因此，研究输电塔模型的三维重建方法有着重要的实际应用价值。
4.在电力基建工程中，输电塔结构存在镂空、遮挡、特征点少等复杂问题，导致三维重建精度较低。如何重建出高质量的输电塔三维模型一直是智能电网和计算机视觉领域研究中的一个难题。输电塔的三维重建方法大致可分为三种：软件建模方法、图像建模方法以及扫描设备建模方法。目前输电塔模型的构建大多数依赖于第一种方法，该方法需要专业人员使用专业软件进行建模，重建精度高，但其效率低，需要花费大量的时间。图像建模方法需要从不同的角度获取输电塔的图像或视频，然后对图像进行相关处理，利用几何约束条件恢复电塔的三维信息。该方法重建效率高，适用于大范围场景三维重建，但由于输电塔结构复杂，在图像采集过程中容易产生自遮挡和纹理弱等问题，造成三维重建精度较低。扫描设备建模的方法是指利用激光或结构光设备采集输电塔模型的三维点云，该方法重建精度较高，但设备价格昂贵、不便于携带，而且不能获得模型颜色纹理。因此，需要探索一种更好的方式对输电塔模型进行三维重建。
5.输电塔是一种典型的具有特殊结构的条形交错物体，已有一些高质量的重建方法用于输电塔模型的重建。然而，基于现有技术，还没有基于程序快速生成输电塔模型方法的研究。目前输电塔三维模型大多数是依赖于专业建模人员使用专业建模软件手工创建，尽管有人提出了简化的软件建模方法，但工作量还是较大，效率低，难以满足电力系统中输电线路快速数字化建模的需要。基于图像的输电塔重建方法的研究很少报道，huang等人提出了一种基于模型驱动的无人机图像重建方法，利用先验形状和共面约束，对塔体线段进行匹配，通过拟合4个主支腿和4个侧面对塔体进行建模，然后利用mcmc采样器，通过概率估计得到塔头参数。也有对其它线状塔体进行研究的，例如deidda等人通过运动恢复结构(sfm)算法获得点云数据，再利用体素化和骨架提取法对信号塔模型进行重建。kniazd等人针对shukhov塔，在传统的基于图像的三维重建算法中引入深度卷积神经网络来改进密集图像匹配过程，从而提高重建精度。
6.目前大多数对输电塔重建的研究是基于扫描设备激光lidar的重建方法，一些学
者研究发现需要预先建立一个模型库，然后再对点云数据进行分类和识别处理才能获得更高精度的输电塔模型，即模型驱动方法。li等人首次提出了基于模型驱动的方法，把输电塔分为：腿、身和头，然后通过svm分类器来分类头部类型，然而，这种方法只能确定头部类型，不能估计头部参数，造成重建精度降低。chen等人将输电塔分为：倒三角锥下部结构、四棱锥中部结构和复杂的上部结构，采用先验知识和数据驱动方法对中部和下部进行重构，采用先验抽象模板重建上部结构。wu等人根据输电塔点云数据计算点云分布的方向特征，然后捕捉点云模型关键点，利用模型匹配算法选择与点云最匹配的输电塔模型。
7.尽管这些方法取得了一定的成果，但由于输电塔结构存在镂空、遮挡、特征点少等复杂问题，基于图像或扫描设备对输电塔进行三维重建仍是一个巨大的挑战。考虑到需要模型展现一个从无到有，从底部到顶部的动态增长过程，若根据上述方法得到的结果还需要对模型进行后期处理。经过对多种动态处理方法的尝试，发现后期处理的过程并不简单，而且对于重建出的模型增长效果也不是很好。


技术实现要素：

8.为克服上述现有技术的不足，本公开提供了电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模方法及系统，仅通过cad图纸中关键点的3d坐标即可生成输电塔的三维模型。
9.为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
10.第一方面，公开了电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模方法，包括：
11.根据输电塔关键点的坐标计算出塔杆的增长方向，并沿此方向采样出吸引点；
12.利用空间殖民算法构建输电塔的3d骨架，在构建的过程中产生分支节点；
13.基于吸引点和分支节点的约定关系(约定关系具体为影响距离和杀死距离)，并通过引入插值时间因子，形成可视化的输电塔动态增长模型。
14.进一步的技术方案，采样出吸引点之后，将吸引点存入吸引点集合中，定义起始分支节点，基于吸引点与起始分支节点之间的关系，将满足该关系的吸引点存入活动吸引点集合中。
15.进一步的技术方案，吸引点与起始分支节点之间的关系：吸引点与起始分支节点之间的距离小于影响距离。
16.进一步的技术方案，如果活动吸引点集合不为空，计算增长方向，获得新分支方向向量。
17.进一步的技术方案，获得新分支方向向量之后，计算新分支节点的位置：
[0018][0019]
其中d
b
表示分支长度，表示新分支方向向量，p
c
表示起始分支节点。
[0020]
进一步的技术方案，从吸引点集合中删除已被占据的吸引点，当所采样出的吸引点均被占据时，就生成了输电塔3d骨架。
[0021]
进一步的技术方案，当满足如下关系时，执行删除：
[0022]
|p
c
‑
p
a
|<d
k
[0023]
其中，吸引点p
a
，起始分支节点p
c
，d
k
表示杀死距离。
[0024]
进一步的技术方案，还包括：在输电塔3d骨架的基础上增加表面网格。
[0025]
进一步的技术方案，基于吸引点和分支节点的约定关系，并通过引入插值时间因
子，形成可视化的输电塔动态增长模型，具体为：
[0026]
对于每个分支段，以每个分支节点为中心创建一个圆作为顶点的分布域，然后在分布域上均匀分布n个顶点，根据这些顶点创建面；
[0027]
在给定插值时间因子t的起点0和终点1之间插值这些顶点的位置，围绕插值节点p
e
构建分支末端的顶点。
[0028]
第二方面，公开了电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模系统，包括：
[0029]
吸引点采样模块，被配置为：根据输电塔关键点的坐标计算出塔杆的增长方向，并沿此方向采样出吸引点；
[0030]
分支节点产生模块，被配置为：利用空间殖民算法构建输电塔的3d骨架，在构建的过程中产生分支节点；
[0031]
模型构建模块，被配置为：基于吸引点和分支节点的约定关系，并通过引入插值时间因子，形成可视化的输电塔动态增长模型。
[0032]
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0033]
针对输电铁塔三维重建研究中软件建模效率低的问题，本发明提出了一种快速的人机交互动态建模方法。该方法只需改变关键点的位置即可改变输电塔模型的形状，实现了简单有效的人机交互功能，而且仅需几十秒钟即可建出输电塔模型，达到了快速数字化建模的需要。并提出了一种通过改变网格顶点数来改变网格形状的表面重建方法，有效地提高了模型的真实感。此外，还引入了插值时间因子，实现了平滑的动态模型生长。实验结果表明，采用快速人机交互动态建模方法可以快速的重建出输电塔的动态增长模型。
[0034]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0035]
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0036]
图1为两个不同类型的叶脉图案；
[0037]
图2为基于空间殖民算法生成的树模型；
[0038]
图3为基于吸引点的概念生成的道路网；
[0039]
图4为空间殖民算法生成树的步骤；
[0040]
图5左:顶点的分布；右:网格顶点连接形成面；
[0041]
图6在unity中生成的输电塔3d骨架
[0042]
图7由不同网格顶点数构成的网格形状；
[0043]
图8网格添加前骨架细节和网格添加后模型细节；
[0044]
图9输电塔的动态增长过程。
具体实施方式
[0045]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0046]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0047]
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0048]
实施例一
[0049]
空间殖民算法被广泛应用于树模型的三维重建。考虑到输电塔模型的分枝结构与树的分枝结构相似，可将空间定殖算法中的分枝生长思想应用于模型的动态增长过程。因此，本发明对空间殖民算法进行了改进，并将其用于规则对称的输电塔模型重建中。
[0050]
改进点1：原空间殖民算法的吸引点是随机分布的，本发明方法中不再随机分布，而是让吸引点按计算出的方向等间距分布。
[0051]
改进点2：原算法在求取增长向量时，是对多个点求和并归一化，如式(3)所示。而本发明计算增长向量的方法如式(7)所示，不再对多个向量进行求和。
[0052]
空间殖民算法起初是runion等人提出的基于生物驱动生成叶脉图案的一种方法,如图1所示。后来作者将方法从二维空间扩展到三维空间，命名为空间殖民算法，并将算法应用于树模型的构建，如图2所示。也有学者基于算法中引入吸引点的概念，将其应用在城市环境中的道路布局上，如图3所示。
[0053]
空间殖民算法的核心思想是空间资源占据，即分支向未被占用的空间生长，同时避免彼此的路径交叉。具体的步骤如图4所示。首先，在图4(a)中定义了一个封闭包络和一些吸引点，封闭包络表征的是影响树冠最终形状的边界，吸引点表征可被分支增长的空间。吸引点包含影响距离和杀死距离两个参数，影响距离指的是吸引点与分支节点之间的最小距离，以便分支节点向吸引点方向生长。杀死距离是指的是分支节点与将要被移除点的最小距离。然后定义了树的起始生长点，树从起始点向包络方向连接分支，直到其中一个分支达到任意一吸引点的吸引范围，如图4(b)所示。当分支节点与吸引点之间的距离小于影响距离时，把分支节点与吸引点关联起来，如图4(c)中线所示。根据相关联的点的关系计算每个方向向量，对它们进行求和并归一化，如图4(d)
‑
4(e)所示。然后根据新的方向向量添加新的分支段，并检查每个吸引点的删除范围，如图4(f)所示。图4(g)和4(h)分别表示完成一次迭代的结果和下一次迭代的开始。
[0054]
空间殖民算法的数学表达如下：从图4(a)中可以得出
[0055][0056]
其中p
a
表示吸引点，n
a
指的是吸引点的集合。
[0057]
从图4(b)中可以得到
[0058][0059]
其中p
c
表示分支节点，n
c
指的是分支节点的集合。
[0060]
从图4(e)中可以得出
[0061][0062]
其中表示新分支方向向量。
[0063]
从图4(f)中可以得出
[0064][0065]
其中p
c
′
表示新的分支节点，d
b
指的是分支长度。
[0066]
为了防止吸引点重复参与迭代过程，需要从吸引点集合中删除已被占用的吸引点。当分支节点与吸引点的距离小于杀死距离时执行删除，其数学表示如下：
[0067]
d(p
c
,p
a
)<d
k
ꢀꢀ
(5)
[0068]
其中d
k
指的是杀死距离，d(p
c
,p
a
)指的是p
c
与p
a
的距离。
[0069]
到目前为止，完成一次迭代。重复(1)(2)(3)(4)(5)步骤，直到没有吸引点时算法结束。
[0070]
在电力基建项目中，工作人员拿到的往往是纸质版图纸，用其来理解3d物体是非常困难的。为了帮助工作人员快速地了解建筑物的结构，有必要重建出物体的3d模型。而建模过程需要根据纸质版图纸绘制cad二维投影图，然后利用cad投影图合成三维模型。这些操作无疑是一个非常复杂且费时费力的过程。因此，本发明设计了一种快速人机交互的动态建模方法，只需输入输电塔关键点坐标即可快速的重建出输电塔模型。
[0071]
本实施例公开了电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模方法，首先根据关键点的坐标计算出塔杆的增长方向，并沿此方向采样出点，这些点被用来作为空间殖民算法中的吸引点。空间殖民算法在构建输电塔的3d骨架过程中会产生分支，给出了吸引点和分支节点的约定关系(影响距离和杀死距离)，并通过引入插值时间因子，形成可视化的输电塔动态增长模型。最后在unity引擎中验证了该方法在输电塔模型生成中的有效性，本发明提出的方法在智能电网的人机交互系统中仅输入关键点的坐标即可秒级生成百米高的输电塔模型。
[0072]
需要说明的是，当吸引点和分支节点的距离小于影响距离时，向吸引点方向生长；当吸引点与分支节点的距离小于影响距离时，将该吸引点从吸引点集合中删除，影响距离小于吸引距离。
[0073]
具体实施例子中，假设已从cad图纸中获取到了关键点的3d坐标，具体实现思想如下：
[0074]
第一步：将关键点与关键点之间作差并单位化求出塔杆的方向，并沿其方向等间隔采样出吸引点p
a
，这些点将会影响分支段的增长方向，然后将吸引点存入吸引点集合n
a
中。输电塔的3d骨架是由迭代生成的，在每次迭代中，吸引点只能影响最近的分支节点，而分支节点可以受多个吸引点的影响。为了使输电塔模型可以从塔底到塔头增长，定义了起始分支节点p
c
。然后将满足(6)式的吸引点即空间中两个三维点的欧式距离小于影响距离，则存入活动吸引点集合n
k
中。
[0075]
|p
a
‑
p
c
|<d
a
ꢀꢀ
(6)
[0076]
其中d
a
表示影响距离。
[0077]
第二步：如果活动吸引点集合n
k
不为空，计算增长方向
[0078]
[0079]
其中表示新分支方向向量。
[0080]
第三步：计算新分支节点的位置，作为新分支段的起始节点。
[0081][0082]
其中d
b
表示分支长度。
[0083]
第四步：从吸引点集合中删除已被占据的吸引点，当满足如下关系时，执行删除
[0084]
|p
c
‑
p
a
|<d
k
ꢀꢀ
(9)
[0085]
其中d
k
表示杀死距离。
[0086]
当所采样出的吸引点均被占据时，就生成了输电塔3d骨架。
[0087]
动态平滑增长网格的实现：
[0088]
输电塔的3d骨架只是点与线之间的连接，不能反映模型的真实效果。因此，本节在输电塔3d骨架的基础上增加表面网格，增强模型的真实感。
[0089]
对于每个分支段，以每个分支节点为中心创建一个圆作为顶点的分布域，然后在分布域上均匀分布n个顶点，将根据这些顶点创建面。根据点和面的几何关系，很容易能够得出
[0090]
n
v
＝n(n
b
1)
ꢀꢀ
(10)
[0091]
其中n
v
表示顶点的数量，n
b
表示分支的数量。
[0092]
面n
f
的数量计算方式如下
[0093]
n
f
＝2nn
b
ꢀꢀ
(11)
[0094]
网格顶点的个数决定了分支网格的形状。图5展示了五个网格顶点的布局以及所构成的网格形状。
[0095]
目前，输电塔的模型会以分支段为单位进行增长，这种情况是很糟糕的。为了使模型网格更加平滑的增长，在给定因子t的起点0和终点1之间插值这些顶点的位置，而不是在分支的终点处设置这些顶点，插值时间因子t的计算方式如下
[0096][0097]
其中t
run
是自开始迭代时所经历的时间，t
ite
是迭代时间间隔。
[0098]
围绕插值节点p
e
构建分支末端的顶点，计算方式如下：
[0099][0100]
其中p
start
表示分支的起始节点。
[0101]
实验
[0102]
本发明所提方法是在windows 8笔记本电脑(intel i5
‑
5200 cpu,12g ram,amd radeon m320 gpu)上验证的，编程语言是c#，软件平台是unity引擎。在电力系统中有很多类型的输电塔，且不同类型具有不同的功能。在本次实验中使用的是干式桥塔。
[0103]
空间殖民算法通常用于树的建模，目前还没有学者将其用于规则对称的物体建模中。本发明首次将空间殖民算法用于规则对称的输电塔建模。根据得到的输电塔三维骨架如图6所示。从图6中可以看出，塔杆有规律地增长，且没有向错误的方向增长。结果表明，改进的空间定殖算法可以用于规则对称物体的建模过程中，验证了所提方法的有效性。
[0104]
在网格构建过程中，因为网格顶点的分布域是一个圆，所以网格的形状由网格顶
点的数量所决定，网格顶点数越多，网格形状越接近圆柱体。图7展示了由不同数量的网格顶点构成的网格形状。从图中可以看出，4个网格顶点不能构成3d物体，至少得6个网格顶点才能构成3d物体。本次实验采用10个网格顶点构建输电塔模型网格，如图8所示。a图表示添加网格前的骨架细节，b图表示添加网格后的模型细节。很容易能够看出，在3d骨架的基础上添加网格后，模型的效果更加形象。
[0105]
利用快速人机交互动态建模方法得到的输电塔动态增长模型如图9所示，从图中可以看出，实现了模型从塔底连续增长到塔头的动态增长效果。而且生成整个输电塔模型只需要40秒左右，达到了电力系统中快速数字化建模的需求。
[0106]
本发明改进了空间殖民算法使其应用于规则对称的物体建模中；生成表面网格的精练方法，增强了视觉效果。引入插值时间因子使其模型具有平滑动态增长的效果。
[0107]
实施例二
[0108]
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
[0109]
实施例三
[0110]
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
[0111]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
[0112]
实施例四
[0113]
本实施例的目的是提供了电力系统中输电塔的快速人机交互动态建模系统，包括：
[0114]
吸引点采样模块，被配置为：根据输电塔关键点的坐标计算出塔杆的增长方向，并沿此方向采样出吸引点；
[0115]
分支节点产生模块，被配置为：利用空间殖民算法构建输电塔的3d骨架，在构建的过程中产生分支节点；
[0116]
模型构建模块，被配置为：基于吸引点和分支节点的约定关系，并通过引入插值时间因子，形成可视化的输电塔动态增长模型。
[0117]
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
[0118]
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0119]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0120]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范
围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。