基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法与流程

1.本发明涉及三维场景构建技术领域，具体涉及一种基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法。


背景技术：

2.大部分三维场景是包含多个设备（组件）的复杂场景，为了反映真实世界的动态变化，需要能够实时改变场景中各个设备的设备状态。三维组态是一种在三维坐标系中，将多个三维模型（支持obj、gltf等格式）通过相对位置和方向的调整，形成独特的空间关系，从而组合成为一个复杂三维场景的方法。三维组态通常由建模人员通过组态工具在三维坐标系中进行组态，组态后的三维场景作为一个整体模型文件进行加载并使用。而动态三维组态则通常需要非建模人员或由应用程序按照组件在业务坐标系（物理坐标系）的坐标，对每个三维组件的位置和方向进行参数化配置，组态后的三维场景由应用程序根据组态参数动态加载和使用。
3.上述现有的三维组态方法存在以下缺陷和不足：三维组态的核心是定义每个三维组件在三维坐标系中的位置，但三维坐标系的位置定义与业务坐标系不同，非专业建模人员难以理解，造成业务人员难以掌握模型组态工作。而且即使业务人员已经掌握三维组态的操作，静态的手工组态也有局限性。场景中的细节变化和调整，需要建模人员或业务人员不断的用人工操作的方式重新进行组态以构建场景，维护成本高，对于存在上千个以上三维组件的场景，静态组态带来的维护量几乎无法承受。


技术实现要素：

4.本发明以降低动态三维组态的难度，提高组态后的三维场景的动态加载和使用的便捷性为目的，提供了一种基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法。
5.为达此目的，本发明采用以下技术方案：提供一种基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法，包括步骤：s1，在真实场景中定义若干个可以将设备串连起来的虚拟参考线或参考面；s2，建立真实场景与三维场景空间映射关系；s3，根据步骤s2建立的所述映射关系，确定步骤s1虚拟的所述参考线或所述参考面在三维场景下的位置，并对所述参考线对应的处于三维场景内的以及所述参考面对应的处于三维场景内的进行降维s4，录入位置变动后的各设备或拟加入所述参考线或所述参考面中的设备在步骤s3降维后剩余的坐标维度上的第一坐标值，应用程序根据步骤s2建立的所述映射关系将用户录入的所述第一坐标值从业务坐标系映射为三维坐标系下的第二坐标值；
s5，所述应用程序根据所述第二坐标值，将对应设备变更或加入到三维场景中的对应位置处，完成对三维场景的动态组态。
6.作为优选，步骤s2中建立的空间映射关系通过以下公式（1）表达：公式（1）中，分别表示所述设备在真实场景中的直角坐标系下的x轴方向上的数值、y轴方向上的数值和z轴方向上的数值；分别表示三维场景原点参照物在真实场景下的直角坐标系下的x轴方向上的数值、y轴方向上的数值和z轴方向上的数值；表示三维场景建模比例；分别表示所述设备在三维场景下的直角坐标系下的x轴方向上的数值、y轴方向上的数值和z轴方向上的数值。
7.作为优选，满足以下约束条件以实现对所述的一维降维：串连在同一条所述中的各设备的三维坐标中同轴对应且坐标值均相同的坐标值数量至少为2个，同轴对应但坐标值并不完全相同的坐标维度为一维降维后剩余的坐标维度。
8.作为优选，满足以下约束条件以实现对所述的二维降维：布设在所述上的各设备的三维坐标中同轴对应且坐标值均相同的坐标值数量至少为1个，同轴对应但坐标值不完全相同的坐标维度为二维降维后剩余的坐标维度。
9.本发明具有以下有益效果：1、通过参考线或参考面将三维场景降维到便于动态组态的一维或二维场景，非专业建模的业务人员在业务管理平台中只要录入设备在降维后剩余的坐标维度上的坐标值即可，无需关注该设备在三维场景下的坐标，甚至不需要懂得三维空间是什么概念，应用程序根据事先建立的真实场景与三维场景的空间映射关系，将业务人员录入的坐标转换为三维坐标系中布设在对应参考线或参考面上的坐标，大幅降低了三维组件动态组态的难度。
10.2、针对巨量设备动态组态的场景，由于已经将三维场景降维到一维或二维场景，因此只需要导入或录入设备在降维后的剩余坐标维度上的坐标即可，应用程序通过匹配对应的降维方案，将业务人员录入的业务坐标系下的坐标映射到三维坐标系中，便非常轻易的将设备放入到了三维场景中，不再需要业务人员或者建模人员将设备一个一个往三维场
景里添加。另外，如果组态中的设备需要修改的话，也无需业务人员手动去三维场景中寻找新的设置点位，只需要在平台中修改设备在降维后的业务坐标系的坐标维度下的坐标值即可，大幅降低了三维场景的开发和维护成本。
11.3、本发明提供的动态三维组态方案，与其他静态三维组态方案相比，仅需在建模或开发时在原模型的基础上加上参考线或参考面即可，学习如何在模型中加入参考线或参考面相比较学习如何进行三维建模，学习成本可忽略不计。而且业务人员只需要录入设备在业务场景下的坐标即可，不用关注设备在三维场景中具体怎么放置的问题，应用程序会自动计算如何将业务坐标转换为三维坐标并将设备放置在三维空间的指定位置处，从而实现对三维场景的动态组态。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是一三维场景的示例图；图2是串联若干个设备的布设在三维场景中的示例图；图3是面上有若干个设备的布设在三维场景中的示例图；图4是本发明一实施例提供的基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法的实现步骤图。
具体实施方式
14.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
15.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
16.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
17.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而
言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
18.本发明实施例提供的基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法，通过三维坐标系和业务坐标系的转换、三维坐标系降维和动态组态过程参数化来降低用户进行动态三维组态的学习和使用成本。
19.本实施例提供的基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法包括以下四个技术步骤：一、确定真实场景适用哪种方案（一维降维方案还是二维降维方案）；二、在真实场景与三维场景之间建立空间映射关系，设计坐标转换算法；三、设计降维方案，确定三维空间中的x、y、z中的两个或一个坐标（确定两个则对应一维降维方案，确定一个则对应二维降维方案），剩余未确定的坐标与业务坐标通过编写算法，将业务坐标转换成三维坐标，完成坐标参数化；四、用户输入业务坐标，应用程序使用算法自动将业务坐标转换为三维坐标，然后加载三维模型，呈现三维场景。
20.以下对上述四个技术步骤进行详细说明：步骤一：确定降维方案。根据真实场景的布局（或设计图中的布局），在场景中定义若干可以将设备（组件）串连起来的虚拟参考线或者参考面。真实场景例如为图3中所示的一个长方体形状的区域，所有设备都分布在场景的底部平面，那么就用这个底部平面作为参考面将平面上的各个设备串连起来。若设备在如图2所示的场景中沿一条直线分布，则用一条参考线串连起来。对于同个真实场景，使用多少参考线或者参考面取决于场景内设备的排布方式。对于设备以参考线串连起来的真实场景，对对应的三维场景进行一维降维，而对于设备以参考平面串连的真实场景，对对应的三维场景进行二维降维。
21.步骤二：建立真实场景和三维场景的空间映射关系，在具体阐述如何建立空间映射关系前，首先对将涉及的词汇进行含义解释：三维场景原点参照物，指三维场景建模时选定的三维坐标系原点在真实场景中对应的参照物。例如，对于一个隧道模型，可以选定真实场景中该隧道的入口作为三维场景中的原点的参照物。
22.，指三维场景原点参照物在业务坐标系的x轴的数值，即三维坐标系的原点（x轴）在业务坐标系中（x轴）的映射。对每个三维场景而言，该数值是一个定值。、的含义以此类推，不再赘述。
23.，指三维场景建模比例，为三维场景坐标的数值单位与业务坐标系的数值单位的比值。
24.以下对建立真实场景与三维场景的空间映射关系的方法进行具体说明：假设，设备a在业务坐标系的坐标位置用a来表示，其中是设备a在业务坐标系下的x轴的数值，是设备a在业务坐标系下的y轴的数据，是设备a在业务坐标系下的z轴的数值。设备a在三维坐标系下的位置坐标用a来表示，
分别为设备a在三维坐标系下的x轴、y轴、z轴的数值。则与之间的映射关系可以通过以下公式（1）表达：公式（1）中，表示业务坐标系中设备a在x轴上相对于三维场景原点参照物的距离，该数值乘以即为三维坐标系中设备a在x轴上相对于三维坐标系原点的距离，也就是设备a在三维坐标系下的x轴的坐标数值。同理可得到，；。
25.对于真实场景与三维场景空间映射关系的建立，举例而言，比如某个真实场景中存在若干个点（每个点代表一个设备在该真实场景中的所处位置），可以选取其中一个点作为该真实场景的起点，设定为起点坐标，以该起点为真实坐标系下的原点，即，然后设定如图1所示的直角坐标系，这样便可以描述设备在真实场景中相对起点坐标的距离去确定设备在真实场景中的位置（例如某个设备在距离起点坐标x轴方向5米，y轴方向3米，z轴方向2米，则该设备的坐标位置为（5米,3米,2米））。按照同样地技术原理，在三维空间内建立直角坐标系，起点坐标假设为，将真实场景以1:1建模的模型放置在三维直角坐标系中，找到真实场景中设定的起点坐标在三维模型上对应的位置，例如某设备在业务坐标系的x轴上的数值为=5，，，则根据坐标映射关系式，求解得到。因此，真实场景下坐标为（5米,3米,2米）的某设备，其在三维空间的坐标为，时，则其在三维空间的坐标为，三维直角坐标系的起点坐标若为且时，则真实场景下的（5米,3米,2米）坐标对应的三维空间的坐标为。
26.步骤三：进行降维。降维方案根据真实场景的不同需求分为一维降维方案和二维降维方案，以下对一维降维方案和二维降维方案的具体实现进行重点说明：1、一维降维方案步骤一中，根据设备在真实场景中实际的分布位置，已经确定了若干条参考线，使得设备沿图2中示例的参考线分布。假设，图2中所示的真实场景是一个长（x）30米，高（y）4米深（z）10米的矩形，现有6个设备平均分布在场景的顶部（即间隔5米分布一个设备），并沿着墙壁安装（即设备在场景中的深度位置是0米或10米），则在该真实场景的顶部设计一条
虚拟的参考线，若深度位置为0米，那么该参考线在该真实场景中的位置表示为从真实场景中的起始坐标位点（0米,4米,0米）连接终止坐标位点（30米,4米,0米）的线段，该参考线可以串连所有的这个6个设备。
27.确定参考线在真实场景中的位置之后，根据步骤二中确定的真实场景与三维场景的空间映射关系找到该条参考线在三维场景中的起点和终点的位置，然后将起点跟终点连接在一起，即可在三维场景中获得与该条参考线具有位置对应关系的。这里需要强调的是，参考线必须为直线，即无论在业务坐标系下或者三维坐标系下，串连在同一条中的各设备的x轴、y轴、z轴的坐标值至少有两个是一样的，要么x轴和y轴的值一样，要么x轴和z轴的值一样，要么y轴和z轴的值一样（即串连在同一条中的各设备的三维坐标中同轴对应且坐标值均相同的坐标值数量至少为2个），这样做的目的是为了对处于三维空间内的进行降维。
28.以下对一维降维的原理进行举例说明：假设有图2中所示的串连在同一条参考线上的设备1-设备6总共6个设备，根据上述的一维降维方法，设备1-设备6中的每个设备在该参考线对应的三维场景下的中的位置坐标在直角坐标系下的x轴、y轴、z轴方向上至少有两个相同且同轴对应，比如设备1在直角坐标系下的坐标为（a,b,c1），设备2在直角坐标系下的坐标为（a,b, c2），
……
，设备6在直角坐标系下的坐标为（a,b, c6），这6个设备在直角坐标系下的x轴和y轴方向上的坐标值是一样的，在z轴方向上的坐标值不同，即满足一维降维时，串连在中的各设备在直角坐标系下的x轴、y轴、z轴方向上的坐标值至少两个相同且同轴对应（设备1-设备6的坐标值a在x轴向上同轴对应，坐标值b在y轴向上同轴对应），由于事先已经确定了设备1-设备6在真实场景中只能沿形状为直线的参考线布设，即设备1-设备6在三维场景中也只能沿形状为直线的布设，该在三维场景的直角坐标系下的x轴向、y轴向、z轴向3中轴向中的至少2个轴向的坐标值是一样的，假设设备1-设备6在直角坐标系下的x轴向、y轴向的坐标值一样，那么业务人员只要获取新增设备或者位
置变动设备在业务坐标系下的z轴方向上的坐标值，即可根据的坐标映射关系式，将设备在业务坐标系下的z轴坐标映射为三维场景的三维坐标系下的z轴坐标，这个z轴坐标正好落入到该中，由于该上的设备在x轴和y轴向上的坐标值是固定不变的，因此只需要获取真实场景中新增的该设备或位置变动后的该设备在真实场景中的z轴坐标值映射在三维坐标系下的z轴坐标值，即可快速得到新增的该设备或位置改变后的该设备在上的三维坐标。业务人员只需要输入真实场景下新增的该设备或位置变动后的该设备的z轴坐标值即可。因此，当串联在同一条中的各设备在直角坐标系下的x轴、y轴、z轴方向上的坐标值至少两个相同且同轴对应时，即实现了对的一维降维。
29.2、二维降维方案步骤一中，根据设备在真实场景中实际的分布位置，已经确定了若干个参考面，使得不同设备在如图3中所示的同个参考面上分布。假设图3中所示的真实场景为一个长（x）30米，高（y）4米深（z）10米的矩形，现有6个设备随机分布在该同个参考面上。
30.在真实场景中确定参考面后，根据步骤二中确定的真实场景与三维场景的空间映射关系找到该参考面在三维场景中对应的。为了实现对的二维降维，这个需要满足以下条件：布设在上的各设备的三维坐标中同轴对应且坐标值均相同的坐标值数量至少为1个。
31.假设图3中处于同个上的设备1-6的每个设备无论在真实场景还是三维场景中的y轴坐标都是固定不变的，若业务人员需要在真实场景中新增一个设备7到这个参考面上，这个参考面的y轴坐标是事先就确定的，因此业务人员只需要获得设备7在真实场景的业务坐标系下的x轴坐标和z轴坐标输入给应用程序，应用程序根据步骤二中已经建立的真实场景和三维场景的空间映射关系，即可快速计算出设备7在三维场景中的坐标位置，然后加载这个位置，即可将设备7快速添加到三维场景中的指定位置处。
32.步骤四：业务坐标录入。经过上面三个步骤，真实场景和三维场景之间建立起了映射关系。以一维降维方案为例，若三维场景模型通过1:1建模而得，因此可以直接将真实场景尺寸直接去掉单位作为三维坐标使用，通过一维降维后，设备在三维场景中的坐标位置已经被确定了两个维度，所以用户只需要确定位置变动的设备或拟新加入的设备在哪条参
考线上，然后在应用程序或业务管理平台中录入该设备在降维后剩余坐标维度上的坐标值即可。应用程序获得用户录入的坐标值后，与已经确定的两个维度的坐标值组合便形成了该设备在真实场景中的xyz坐标，速度非常快，然后通过建立的真实场景与三维场景的映射关系，便可以快速得到该设备在三维场景中的坐标，然后再将该设备放入到三维场景中坐标为的位置处，最后，应用程序加载位置更新后的三维场景模型，完成对三维场景的动态组态。
33.综上，本发明实施例提供的基于坐标映射降维和参数化配置的三维场景动态组态方法，如图4所示，包括步骤：s1，在真实场景中定义若干个可以将设备串连起来的虚拟参考线或参考面；s2，建立真实场景与三维场景空间映射关系；s3，根据步骤s2建立的映射关系，确定步骤s1虚拟的参考线或参考面在三维场景中的位置，并对参考线对应的处于三维场景内的以及参考面对应的处于三维场景内的进行降维；s4，录入位置变动后的各设备或拟加入参考线或参考面中的设备在步骤s3降维后剩余的坐标维度上的第一坐标值，应用程序根据步骤s2建立的映射关系将用户录入的第一坐标值从业务坐标系映射为三维坐标系下的第二坐标值；s5，应用程序根据第二坐标值，将对应设备变更或加入到三维场景中的对应位置处，完成对三维场景的动态组态。
34.本发明通过对三维坐标系和业务坐标系的转换，同时根据具体业务场景对三维坐标系进行相应的降维操作，让业务人员在降维后的一维或二维层面进行参数化操作，从而降低动态三维组态的难度，达到人人会用的程度，而且参数化也有助于实现应用程序对组态后的三维场景的动态加载和使用。
35.需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本技术说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。