CN116757000B - 基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法、***及设备 - Google Patents
基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法、***及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法、***及设备，属于三维可视化技术领域。所述方法包括：将孪生模型导入到三维引擎中，设置用以模拟太阳光的平行光；根据当前日期时间求出太阳直射点纬度；基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间；计算太阳倾斜角和太阳高度角；将求出的太阳倾斜角和太阳高度角在三维引擎中分别设置为平行光的x轴旋转值和平行光的y轴旋转值；对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果。本发明能够实现三维场景与现实场景的光照情况相吻合，实时模拟出真实的太阳光效果，增强了整个场景的实时性与沉浸感。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法、***及设备，属于三维可视化技术领域。
背景技术
目前，数字孪生技术的使用范围越来越广泛，在孪生场景展示中，几乎都会用到阳光元素来照亮整个场景。对于场景中的阳光元素，现有的制作方案是在三维引擎中采用固定的平行光来模拟阳光，然后在三维场景中进行渲染模拟。采用这种模拟方式渲染出来的阳光效果因没有对接到实时数据，导致场景画面中阳光的位置和角度并不会根据实际时间进行切换变化，无法实时展示孪生场景的阳光效果，影响了整个画面的实时性与沉浸感。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法、***及设备，该方法能够将场景光照效果与现实光照效果同步，在场景中实时模拟出真实的太阳光效果，增加整个场景的实时性与沉浸感。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法，包括以下步骤：
将孪生模型导入到三维引擎中，设置用以模拟太阳光的平行光；
根据当前日期时间求出太阳直射点纬度；
基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间；
计算太阳倾斜角和太阳高度角；
将求出的太阳倾斜角和太阳高度角在三维引擎中分别设置为平行光的x轴旋转值和平行光的y轴旋转值；
对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果。
进一步地，所述根据当前日期时间求出太阳直射点纬度，具体包括：
若当前日期时间为春分到秋分，即3月21日至9月23日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为秋分到冬至，即9月23日至12月22日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为冬至到次年春分，即12月22日至次年3月21日，太阳直射点纬度为：
；
式中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14。
进一步地，所述基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间，具体包括：
通过经纬度查询网站获取孪生场景所在地理位置的纬度；
将太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度代入下式，求出当日昼长：
；
其中，h为当日昼长，φ为孪生场景所在地理位置的纬度，δ为太阳直射点纬度，π为3.14；
将当日昼长带入下式，求出日出时间：
；
然后将日出时间与当日昼长带入下式，求出日落时间：
。
进一步地，所述计算太阳倾斜角和太阳高度角，包括：
计算太阳倾斜角：将孪生场景的纬度与太阳直射点的纬度带入下式，求出当前太阳倾斜角：
；
计算太阳高度角：将当日昼长带入下式，求出每分钟的太阳高度角：
；
将获取到的当前时间、每分钟的太阳高度角b以及日出时间s1代入下式，求出当前太阳高度角：
；
其中，c为当前太阳高度角，hour为当前小时数，minute为当前分钟数，s1为日出时间。
第二方面，本发明提供一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的***，其特殊之处在于，包括：
模型导入模块，用以将孪生模型导入到三维引擎中，设置用以模拟太阳光的平行光；
太阳直射点纬度获取模块，用以根据当前日期时间求出太阳直射点纬度；
第一计算模块，用以基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间；
第二计算模块，用以计算太阳倾斜角和太阳高度角；
赋值模块，用以将求出的太阳倾斜角和太阳高度角在三维引擎中分别设置为平行光的x轴旋转值和平行光的y轴旋转值；
场景渲染模块，用以用以对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果。
进一步地，所述太阳直射点纬度获取模块具体用于：
若当前日期时间为春分到秋分，即3月21日至9月23日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为秋分到冬至，即9月23日至12月22日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为冬至到次年春分，即12月22日至次年3月21日，太阳直射点纬度为：
；
式中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14。
进一步地，所述第一计算模块具体用于：
通过经纬度查询网站获取孪生场景所在地理位置的纬度；
将太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度代入下式，求出当日昼长：
；
其中，h为当日昼长，φ为孪生场景所在地理位置的纬度，δ为太阳直射点纬度，π为3.14；
将当日昼长带入下式，求出日出时间：
；
然后将日出时间与当日昼长带入下式，求出日落时间：
。
进一步地，所述第二计算模块具体用于：
计算太阳倾斜角：将孪生场景的纬度与太阳直射点的纬度带入下式，求出当前太阳倾斜角：
；
计算太阳高度角：将当日昼长带入下式，求出每分钟的太阳高度角：
；
将获取到的当前时间、每分钟的太阳高度角b以及日出时间s1代入下式，求出当前太阳高度角：
；
其中，c为当前太阳高度角，hour为当前小时数，minute为当前分钟数，s1为日出时间。
第三方面，本发明还提供一种计算机设备，包括：
存储器，用以存储计算机程序；
处理器，用以执行所述计算机程序时实现如上所述基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法的步骤。
本发明的发明构思及有益效果如下：
实时获取计算机日期时间与孪生场景的纬度信息，通过计算机计算得出太阳在当前日期的直射点纬度信息，然后通过纬度信息我们可以得出日出日落时间，最后综合所有信息就可以得出太阳在每个时间点的旋转角度，将角度值赋予到三维场景平行光的X轴、Y轴、Z轴旋转值中，随着时间的推移整个场景的光影也会实时变化，从而与现实场景的光照情况相吻合，实时模拟出真实的太阳光效果，增加了整个场景的实时性与沉浸感。
附图说明
图1是实施例一的一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法流程示意图；
图2是实施例二的一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的***结构示意图；
图3是实施例三的一种计算机设备结构示意图；
图4是太阳倾斜角示意图；
图5是太阳高度角示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
为能清楚说明本发明方案的技术特点，下面将通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例一
一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法，包括以下步骤：
步骤1：将三维模型和纹理贴图导入孪生场景模型，然后将构建好的孪生场景模型导入到三维引擎中，在三维引擎中置好用来模拟太阳光的平行光及其模型材质等效果。
步骤2：假设当前日期时间为8月1日，处于春分到秋分之间，则通过以下公式计算出太阳直射点纬度：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期即8月1日与3月21日的相差天数132，π为3.14；将n和π代入式中，求出太阳直射点纬度为18.213109°。
步骤3：通过经纬度查询网站获取孪生场景所在地理位置的纬度为39.916527°；
将太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度代入下式，求出当日昼长为14.147小时：
；
其中，h为当日昼长，φ为孪生场景的纬度，δ为太阳直射点的纬度，π为3.14；
将当日昼长带入下式，求出日出时间为4点55分：
；
然后将日出时间与当日昼长带入下式，求出日落时间为19点04分：
。
步骤4：计算当前的太阳倾斜角和太阳高度角；
将孪生场景的纬度与太阳直射点的纬度带入下式，求出当前的太阳倾斜角为21.7°：
；
计算当日每分钟的太阳高度角：将当日昼长带入下式，求出当日每分钟的太阳高度角b为0.21°：
；
将获取到的当前时间、每分钟的太阳高度角b以及日出时间s1代入下式，以当前时间10：00为例，求得当前的太阳高度角为64.05°
。
其中，c为当前太阳的高度角，hour为当前小时数，minute为当前分钟数，s1为日出时间。
步骤5：将求出的太阳倾斜角在三维引擎中设置为平行光的x轴旋转值也即21.7°；将求出的太阳高度角在三维引擎中设置为平行光的y轴旋转值也即64.05°。
步骤6：对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果。
实施例二
一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的***，包括：
模型导入模块，用以将孪生模型导入到三维引擎中，设置用以模拟太阳光的平行光；
太阳直射点纬度获取模块，用以根据当前日期时间求出太阳直射点纬度；
第一计算模块，用以基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间；
第二计算模块，用以计算太阳倾斜角和太阳高度角；
赋值模块，用以将求出的太阳倾斜角和太阳高度角在三维引擎中分别设置为平行光的x轴旋转值和平行光的y轴旋转值；
场景渲染模块，用以用以对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果。
进一步地，所述太阳直射点纬度获取模块具体用于：
若当前日期时间为春分到秋分，即3月21日至9月23日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为秋分到冬至，即9月23日至12月22日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为冬至到次年春分，即12月22日至次年3月21日，太阳直射点纬度为：
；
式中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14。
进一步地，所述第一计算模块具体用于：
通过经纬度查询网站获取孪生场景所在地理位置的纬度；
将太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度代入下式，求出当日昼长：
；
其中，h为当日昼长，φ为孪生场景的纬度，δ为太阳直射点的纬度，π为3.14；
将当日昼长带入下式，求出日出时间：
；
然后将日出时间与当日昼长带入下式，求出日落时间：
。
进一步地，所述第二计算模块具体用于：
计算太阳倾斜角：将孪生场景的纬度与太阳直射点的纬度带入下式，求出当前太阳倾斜角：
；
计算太阳高度角：将当日昼长带入下式，求出每分钟的太阳高度角：
；
将获取到的当前时间、每分钟的太阳高度角b以及日出时间s1代入下式，求出当前太阳高度角：
；
其中，c为当前太阳高度角，hour为当前小时数，minute为当前分钟数，s1为日出时间。
实施例三
一种计算机设备，包括：
存储器，用以存储计算机程序；
处理器，用以执行所述计算机程序时实现如上所述基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将孪生模型导入到三维引擎中，设置用以模拟太阳光的平行光；
根据当前日期时间求出太阳直射点纬度；
基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间；
计算太阳倾斜角和太阳高度角；
将求出的太阳倾斜角和太阳高度角在三维引擎中分别设置为平行光的x轴旋转值和平行光的y轴旋转值；
对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果；
所述根据当前日期时间求出太阳直射点纬度，具体包括：
若当前日期时间为春分到秋分，即3月21日至9月23日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为秋分到冬至，即9月23日至12月22日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为冬至到次年春分，即12月22日至次年3月21日，太阳直射点纬度为：
；
式中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
所述基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间，具体包括：
通过经纬度查询网站获取孪生场景所在地理位置的纬度；
将太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度代入下式，求出当日昼长：
；
其中，h为当日昼长，φ为孪生场景所在地理位置的纬度，δ为太阳直射点纬度，π为3.14；
将当日昼长带入下式，求出日出时间：
；
然后将日出时间与当日昼长带入下式，求出日落时间：
；
所述计算太阳倾斜角和太阳高度角，包括：
计算太阳倾斜角：将孪生场景的纬度与太阳直射点的纬度带入下式，求出当前太阳倾斜角：
；
计算太阳高度角：将当日昼长带入下式，求出每分钟的太阳高度角：
；
将获取到的当前时间、每分钟的太阳高度角b以及日出时间s1代入下式，求出当前太阳高度角：
；
其中，c为当前太阳高度角，hour为当前小时数，minute为当前分钟数，s1为日出时间。
2.一种基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的***，其特征在于，包括：
模型导入模块，用以将孪生模型导入到三维引擎中，设置用以模拟太阳光的平行光；
太阳直射点纬度获取模块，用以根据当前日期时间求出太阳直射点纬度；
第一计算模块，用以基于太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度，求出当日昼长、日出时间和日落时间；
第二计算模块，用以计算太阳倾斜角和太阳高度角；
赋值模块，用以将求出的太阳倾斜角和太阳高度角在三维引擎中分别设置为平行光的x轴旋转值和平行光的y轴旋转值；
场景渲染模块，用以对场景进行渲染，***将基于当前日期时间在场景中模拟出实时的阳光效果；
所述太阳直射点纬度获取模块具体用于：
若当前日期时间为春分到秋分，即3月21日至9月23日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为秋分到冬至，即9月23日至12月22日，太阳直射点纬度为：
；
其中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
若当前日期时间为冬至到次年春分，即12月22日至次年3月21日，太阳直射点纬度为：
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式中，δ为太阳直射点纬度，n为当前日期与3月21日的相差天数，π为3.14；
所述第一计算模块具体用于：
通过经纬度查询网站获取孪生场景所在地理位置的纬度；
将太阳直射点纬度和孪生场景所在地理位置的纬度代入下式，求出当日昼长：
；
其中，h为当日昼长，φ为孪生场景所在地理位置的纬度，δ为太阳直射点纬度，π为3.14；
将当日昼长带入下式，求出日出时间：
；
然后将日出时间与当日昼长带入下式，求出日落时间：
；
所述第二计算模块具体用于：
计算太阳倾斜角：将孪生场景的纬度与太阳直射点的纬度带入下式，求出当前太阳倾斜角：
；
计算太阳高度角：将当日昼长带入下式，求出每分钟的太阳高度角：
；
将获取到的当前时间、每分钟的太阳高度角b以及日出时间s1代入下式，求出当前太阳高度角：
；
其中，c为当前太阳高度角，hour为当前小时数，minute为当前分钟数，s1为日出时间。
3.一种计算机设备，其特征在于，包括：
存储器，用以存储计算机程序；
处理器，用以执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述基于三维引擎实时模拟太阳角度变化的方法的步骤。
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