CN115761120A - 三维散点数据动态渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维散点数据动态渲染方法，包括：构建具有属性特征的三维数据集，将被模拟物体表示为三维空间中的闭合曲面方程F(X,Y,Z)，闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},(X,Y,Z)表示为该属性点P的空间位置坐标，A表示该属性点P的属性数据；单个数据文件描述为D{T,P_i},T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序构成时间序列数据集；基于三维数据集和时间序列数据集对所述闭合曲面上的点进行渲染。本发明通过闭合曲面方程描述实体及其内部结构，构建具有属性特征的三维数据集以描述实体内部每个坐标点的空间及属性信息，并向目标用户提供平面及立体动态可视化渲染功能。

Description

三维散点数据动态渲染方法

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，尤其涉及一种三维散点数据动态渲染方法。

背景技术

随着计算机软、硬件突飞猛进的发展，利用散点数据进行渲染技术近年来得到了众多的关注和快速发展，在各行各业得到了广泛的应用。

通过计算机来模拟渲染空间实体或物理过程能够很直观地展示相关细节及区别。其中，二维的渲染方法已经成熟。能将散点数据通过颜色等渲染为连续的二维曲面图像，如专利CN115062564A提出了一种基于云平台的地表二维水动力模拟实现方法，该方法能够很好地模拟渲染二维水动力演进过程。随着数据采集技术、模拟技术的不断发展以及用户对空间数据的需求不断增加，拥有空间特征的三维数据逐渐成为主流数据形式。但是，三维渲染，尤其是三维模型模拟结果的渲染，还存在很多的问题。此外，当前研究成果多为针对某一单一实体或实际过程的模拟渲染，且大多聚焦于物理仿真效果的改进，形式单一。如专利CN105006009A提出一种2D水体模拟方法，基于互动形式结合用户输入的力，使得水流体运动模拟更加真实；专利CN115115794A提出一种基于GIS***对水陆无缝一体化三维展示的处理方法，主要针对水利行业的GIS***缺少水下三维展示的痛点进行改进以解决水下区域三维展示的难题。因此，在现有技术背景下，探索出一种多形式、可通用的三维散点数据可视化方法就具有一定的现实意义。让用户能更加直观地查看三维数据的特点，尤其是剖面数据的时空变化，是当前重要的需求，特别对于三维机理模型而言，是其不可或缺的一环。

综上，如何通过闭合曲面方程描述实体及其内部结构，构建具有属性特征的三维数据集以描述实体内部每个坐标点的空间及属性信息，并向目标用户提供平面及立体动态可视化渲染功能，仍然是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种三维散点数据动态渲染方法，用以解决现有技术中还不能实现通过闭合曲面方程描述实体及其内部结构，构建具有属性特征的三维数据集以描述实体内部每个坐标点的空间及属性信息，并向目标用户提供平面及立体动态可视化渲染功能的问题。

本发明提供一种三维散点数据动态渲染方法，包括：

构建具有属性特征的三维数据集，将被模拟物体表示为三维空间中的闭合曲面方程F(X,Y,Z)，所述闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},其中，(X,Y,Z)表示为该属性点P的空间位置坐标，A表示该属性点P的属性数据；

单个数据文件描述为D{T,P_i},其中，T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序构成时间序列数据集；

基于所述三维数据集和所述时间序列数据集对所述闭合曲面上的点进行渲染。

根据本发明提供的一种三维散点数据动态渲染方法，检测模型训练过程中，所述对所述闭合曲面上的点进行渲染，具体包括：

使用数学方法对所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)在边界条件下进行求解得到处于该闭合曲面上的所有属性点集P_S,通过匹配时间序列数据集获得闭合曲面上的点具有时间顺序的属性数据，基于预设的第一属性值颜色映射规则将所述具有时间顺序的属性数据进行映射渲染。

根据本发明提供的一种三维散点数据动态渲染方法，还包括用户按需进行剖面渲染，具体包括：

接收用户通过输入设备绘制的平面线，通过数学计算将所述平面线映射为三维空间中的参考平面F’(X,Y,Z)，将所述参考平面与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到交平面f(X,Y,Z),遍历所述三维数据集并代入所述交平面方程求解获得需要渲染的所有属性点集P_S ¹,基于预设的第二属性值颜色映射规则将所述所有属性点集P_S ¹进行映射渲染。

根据本发明提供的一种三维散点数据动态渲染方法，检测模型训练过程中，所述第一属性值颜色映射规则与所述第二属性值颜色映射规则相同。

根据本发明提供的一种三维散点数据动态渲染方法，检测模型训练过程中，还包括：自动剖面渲染，具体包括：

设置一条与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)存在至少两个交点的空间直线L：

所述两个交点分别表示为P₁(X₁,Y₁,Z₁)、P₂(X₂,Y₂,Z₂)；过点P1作垂直于所述空间直线L的目标参考平面F’(X,Y,Z)，并将所述目标参考平面与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到目标交平面f₁(x,y,z)，遍历所述三维数据集并代入所述目标交平面求解获得需要渲染的目标属性点集P_S ²进行映射渲染；将目标参考平面F’(X,Y,Z)沿向量

方向移动单位坐标获得新目标参考平面并重复上述求解步骤以实现自动迭代更新渲染。

根据本发明提供的一种三维散点数据动态渲染方法，检测模型训练过程中，还包括：提供格式数据化与图表渲染数据导出服务，具体包括：

通过选择任一横剖面将该横剖面中所有属性点数据导出为Excel格式文档或jpg、png图片格式，具有时间序列的数据集按照多个表单或视频文件形式导出。

本发明提供的三维散点数据动态渲染方法，通过构建具有属性特征的三维数据集，将被模拟物体表示为三维空间中的闭合曲面方程F(X,Y,Z)，所述闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},其中，(X,Y,Z)表示为该属性点P的空间位置坐标，A表示该属性点P的属性数据；单个数据文件描述为D{T,P_i},其中，T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序构成时间序列数据集；基于所述三维数据集和所述时间序列数据集对所述闭合曲面上的点进行渲染。本发明通过闭合曲面方程描述实体及其内部结构，构建具有属性特征的三维数据集以描述实体内部每个坐标点的空间及属性信息，并向目标用户提供平面及立体动态可视化渲染功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为本发明提供的三维散点数据动态渲染方法的流程示意图；

图2为本发明提供的总体流程图；

图3为本发明提供的具有属性特征的三维时序数据集结构图；

图4为本发明提供的剖面计算渲染及自动化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术中尚无闭合曲面方程描述实体及其内部结构，构建具有属性特征的三维数据集以描述实体内部每个坐标点的空间及属性信息，并向目标用户提供平面及立体动态可视化渲染功能的问题。下面结合图1描述本发明的三维散点数据动态渲染方法。图1为本发明提供的三维散点数据动态渲染方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤110，构建具有属性特征的三维数据集，将被模拟物体表示为三维空间中的闭合曲面方程F(X,Y,Z)，所述闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},其中，(X,Y,Z)表示为该属性点P的空间位置坐标，A表示该属性点P的属性数据。

具体地，构建被模拟物体的闭合曲面，闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},A为属性点附加的属性数据，可以有多个属性。

步骤120，单个数据文件描述为D{T,P_i},其中，T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序构成时间序列数据集。

具体地，构建时间序列数据集，单个数据文件描述为D{T,P_i},其中，T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序即可构成时间序列数据集。

步骤130，基于所述三维数据集和所述时间序列数据集对所述闭合曲面上的点进行渲染。

具体地，首先进行模拟物体的外曲面的渲染，即基于三维数据集和时间序列数据集对闭合曲面上的点进行渲染。

本发明提供的三维散点数据动态渲染方法，通过构建具有属性特征的三维数据集，将被模拟物体表示为三维空间中的闭合曲面方程F(X,Y,Z)，所述闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},其中，(X,Y,Z)表示为该属性点P的空间位置坐标，A表示该属性点P的属性数据；单个数据文件描述为D{T,P_i},其中，T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序构成时间序列数据集；基于所述三维数据集和所述时间序列数据集对所述闭合曲面上的点进行渲染。本发明通过闭合曲面方程描述实体及其内部结构，构建具有属性特征的三维数据集以描述实体内部每个坐标点的空间及属性信息，并向目标用户提供平面及立体动态可视化渲染功能。

基于上述实施例，该方法中，所述对所述闭合曲面上的点进行渲染，具体包括：

使用数学方法对所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)在边界条件下进行求解得到处于该闭合曲面上的所有属性点集P_S,通过匹配时间序列数据集获得闭合曲面上的点具有时间顺序的属性数据，基于预设的第一属性值颜色映射规则将所述具有时间顺序的属性数据进行映射渲染。

具体地，对闭合曲面表面的渲染方式即对闭合曲面方程在边界条件下求解得到闭合曲面上的所有属性点集，在通过匹配时间序列数据集获得闭合曲面上的点具有时间顺序的属性数据，基于预设的第一属性值颜色映射规则将所述具有时间顺序的属性数据进行映射渲染。

基于上述实施例，该方法中，还包括用户按需进行剖面渲染，具体包括：

接收用户通过输入设备绘制的平面线，通过数学计算将所述平面线映射为三维空间中的参考平面F’(X,Y,Z)，将所述参考平面与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到交平面f(X,Y,Z),遍历所述三维数据集并代入所述交平面方程求解获得需要渲染的所有属性点集P_S ¹,基于预设的第二属性值颜色映射规则将所述所有属性点集P_S ¹进行映射渲染。

具体地，用户通过鼠标、触摸板等输入设备绘制平面线L(X,Y)，经由数学计算映射为三维空间中的参考平面F’(X,Y,Z)并将其与闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到交平面f(x,y,z)。遍历三维数据集并代入交平面方程求解获得需要渲染的所有属性点集Ps，通过给定标准指定属性值颜色映射规则并将这些点集属性数据进行映射渲染。

基于上述实施例，该方法中，所述第一属性值颜色映射规则与所述第二属性值颜色映射规则相同。

具体地，优选第一属性值颜色映射规则与第二属性值颜色映射规则相同。

基于上述实施例，该方法中，还包括：自动剖面渲染，具体包括：

设置一条与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)存在至少两个交点的空间直线L：

所述两个交点分别表示为P₁(X₁,Y₁,Z₁)、P₂(X₂,Y₂,Z₂)；过点P1作垂直于所述空间直线L的目标参考平面F’(X,Y,Z)，并将所述目标参考平面与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到目标交平面f₁(x,y,z)，遍历所述三维数据集并代入所述目标交平面求解获得需要渲染的目标属性点集P_S ²进行映射渲染；将目标参考平面F’(X,Y,Z)沿向量

方向移动单位坐标获得新目标参考平面并重复上述求解步骤以实现自动迭代更新渲染。

具体地，规定一条与闭合曲面F(X,Y,Z)存在至少两个交点的空间直线L:

两交点描述为P1(X₁,Y₁,Z₁)、P2(X₂,Y₂,Z₂)(其中1＜2)；作过点P1且垂直于该直线的参考平面F’(X,Y,Z)并将其与闭合曲面F(X,Y,Z)联立求解得到交平面f(x,y,z)；遍历三维数据集并代入交平面方程求解获得需要渲染的所有属性点集Ps进行映射渲染；将参考平面F’(X,Y,Z)沿向量

方向移动单位坐标获得新参考平面并重复上述求解步骤以实现自动迭代更新渲染。

基于上述实施例，该方法中，还包括：提供格式数据化与图表渲染数据导出服务，具体包括：

通过选择任一横剖面将该横剖面中所有属性点数据导出为Excel格式文档或jpg、png图片格式，具有时间序列的数据集按照多个表单或视频文件形式导出。

具体地，提供格式化数据与图表渲染数据导出服务，通过选择某一横剖面将该横剖面中所有属性点数据导出为Excel格式文档或jpg、png等图片格式，具有时间序列的数据按照多个表单或视频文件形式导出。

基于上述实施例，图2为本发明提供的总体流程图，如图2所示，一种三维散点数据动态渲染方法。在本实施例中，首先将散点数据处理为三维数据集，并使用数学方法拟合目标实体得到闭合曲面方程，然后遍历读取三维数据集，通过求解对应点坐标在闭合曲面方程的解以界定所属实体表面数据点及属性信息，通过离散点插值方法插值出面，并根据给定标准得到属性信息映射规则进行映射渲染，完成表面渲染后提供浏览视图。图3为本发明提供的具有属性特征的三维时序数据集结构图，图3给出具有属性特征的三维时序数据集组织结构。

图4为本发明提供的剖面计算渲染及自动化示意图，如图4所示，对于按需渲染模式，用户通过鼠标、触摸板等输入设备绘制参考平面F’(X,Y,Z)并与曲面方程F(X,Y,Z)求交得到交平面f(x,y,z)，然后遍历读取三维数据集并求解对应点坐标在此交平面上的点以界定所属此交平面数据点及属性信息，通过离散点插值方法插值出面，并根据给定标准得到属性信息映射规则进行映射渲染；对于自动渲染模式，参考平面F’(X,Y,Z)由***提供预设选项，进行上述求交、匹配、插值、渲染步骤后，参考平面向给定方向v(v应当垂直于参考平面)移动单位坐标并重复上述求交、匹配、插值、渲染步骤以实现基于v方向上的动态剖面渲染。

在本实施例中，通过数据导出模块能够将三维数据集导出为表格或经过渲染的图片文件；对于动态渲染过程，提供导出为视频功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种三维散点数据动态渲染方法，其特征在于，包括：

构建具有属性特征的三维数据集，将被模拟物体表示为三维空间中的闭合曲面方程F(X,Y,Z)，所述闭合曲面中的点被描述为属性点P{X,Y,Z,A},其中，(X,Y,Z)表示为该属性点P的空间位置坐标，A表示该属性点P的属性数据；

单个数据文件描述为D{T,P_i},其中，T表示时间，P_i表示第i个属性点，多个数据文件按照时间顺序构成时间序列数据集；

基于所述三维数据集和所述时间序列数据集对所述闭合曲面上的点进行渲染。

2.根据权利要求1所述的三维散点数据动态渲染方法，其特征在于，所述对所述闭合曲面上的点进行渲染，具体包括：

使用数学方法对所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)在边界条件下进行求解得到处于该闭合曲面上的所有属性点集P_S,通过匹配时间序列数据集获得闭合曲面上的点具有时间顺序的属性数据，基于预设的第一属性值颜色映射规则将所述具有时间顺序的属性数据进行映射渲染。

3.根据权利要求2所述的三维散点数据动态渲染方法，其特征在于，还包括用户按需进行剖面渲染，具体包括：

接收用户通过输入设备绘制的平面线，通过数学计算将所述平面线映射为三维空间中的参考平面F’(X,Y,Z)，将所述参考平面与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到交平面f(X,Y,Z),遍历所述三维数据集并代入所述交平面方程求解获得需要渲染的所有属性点集P_S ¹,基于预设的第二属性值颜色映射规则将所述所有属性点集P_S ¹进行映射渲染。

4.根据权利要求3所述的三维散点数据动态渲染方法，其特征在于，所述第一属性值颜色映射规则与所述第二属性值颜色映射规则相同。

5.根据权利要求3所述的三维散点数据动态渲染方法，其特征在于，还包括：自动剖面渲染，具体包括：

设置一条与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)存在至少两个交点的空间直线

所述两个交点分别表示为P₁(X₁,Y₁,Z₁)、P₂(X₂,Y₂,Z₂)；过点P1作垂直于所述空间直线L的目标参考平面F’(X,Y,Z)，并将所述目标参考平面与所述闭合曲面方程F(X,Y,Z)联立求解得到目标交平面f₁(x,y,z)，遍历所述三维数据集并代入所述目标交平面求解获得需要渲染的目标属性点集P_S ²进行映射渲染；将目标参考平面F’(X,Y,Z)沿向量

方向移动单位坐标获得新目标参考平面并重复上述求解步骤以实现自动迭代更新渲染。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的三维散点数据动态渲染方法，其特征在于，还包括：提供格式数据化与图表渲染数据导出服务，具体包括：

通过选择任一横剖面将该横剖面中所有属性点数据导出为Excel格式文档或jpg、png图片格式，具有时间序列的数据集按照多个表单或视频文件形式导出。

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