CN117078812B - 一种轨道交通列车三维动画仿真方法、存储介质及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通列车三维动画仿真方法、存储介质及设备，该方法包括：根据轨道交通线路的点线面数据获取轨道交通线路矢量图，并测量各地铁站地理位置和站间位置；将轨道交通线路矢量地图传入面向WebGIS端开发者的地图引擎的Map类，并给定初始坐标、地图容器，构建轨道交通数字孪生地图，构建轨道交通列车运行场景；在轨道交通列车运行场景中根据轨道交通列车在轨道上运行的实时速度、各地铁站地理位置、站间位置进行轨道交通列车仿真线性动画；在轨道交通列车运行场景中初始化物理世界；对初始化世界进行仿真计算，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中。该方法能准确模拟轨道交通列车行驶过程中的物理特性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通三维模型仿真动画领域，具体地，涉及一种轨道交通列车三维动画仿真方法、存储介质及设备。
背景技术
目前在轨道交通数字孪生地图中仿真模拟列车运行状态的处理步骤分为四步：
步骤1、利用建模工具创建三维列车模型；
步骤2、使用三维渲染库构建列车运行场景，保证三维列车模型、列车运行场景与物理世界准确映射；
步骤3、创建地铁轨道，将三维列车模型放在轨道起点并与轨道匹配；
步骤4、制作仿真模拟动画：
a)、首先使用动画引擎或编程技术插值计算三维列车模型在地铁轨道上的位置和方向，手动更新三维列车模型的位置和旋转角度，实现三维列车模型沿着地铁轨道移动；
b)、然后编程控制时间、距离和速度来模拟轨道交通列车的运动过程，呈现出轨道交通列车行驶过程中的真实物理特性；
c)、最后采用循环更新办法来控制动画的每一帧更新，如requestAnimationFrame()函数或定时器。
上述方法中存在的缺陷如下：
1.插值计算三维列车模型在地铁轨道上位置、方向以及编程控制时间、距离和速度的技术复杂，学习门槛高，不利于现有技术的推广应用；
2.仿真动画是通过人为手动更新三维列车模型的位置和旋转角度，无法准确呈现出轨道交通列车在运行过程中受重力、惯性、摩擦力等物理特性影响的真实效果；
3.在仿真动画制作过程中，手动更新三维列车模型的位置和旋转角度非常消耗计算机性能和计算资源，影响动画制作的整体工作效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种轨道交通列车三维动画仿真方法、存储介质及设备，解决现有技术难以准确模拟轨道交通列车行驶过程中的物理特性以及编程过程复杂、计算机资源消耗量大的问题。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种轨道交通列车三维动画仿真方法，具体包括如下步骤：
步骤1、基于地铁站、轨道、轨道交通列车的CAD图纸和BIM数据，创建地铁站模型、轨道模型和列车模型；
步骤2、通过WebSocket获取轨道交通列车在轨道上运行的实时速度；
步骤3、根据轨道交通线路的点线面数据获取轨道交通线路矢量地图，并在WGS-84坐标系下测量各地铁站地理位置和站间位置；
步骤4、将轨道交通线路矢量地图传入面向WebGIS端开发者的地图引擎的Map类，并给定初始坐标、地图容器，构建轨道交通数字孪生地图；
步骤5、在构建的轨道交通数字孪生地图中构建轨道交通列车运行场景；
步骤6、在轨道交通列车运行场景中根据轨道交通列车在轨道上运行的实时速度、各地铁站地理位置、站间位置进行轨道交通列车仿真线性动画；
步骤7、在构建的轨道交通列车运行场景中通过物理引擎初始化物理世界；
步骤8、对初始化世界进行仿真计算，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中。
进一步地，步骤1的具体过程为：基于地铁站、轨道、列车的CAD图纸和BIM数据，使用WGS-84坐标系采用标准右手坐标系进行手工建模，并将轨道模型、列车模型的初始坐标设置为（0,0,0），将建模完成的地铁站模型、轨道模型、列车模型导出为GLTF格式的模型。
进一步地，步骤3中根据轨道交通线路的点线面数据获取轨道交通线路矢量地图的具体过程为：使用矢量地图服务发布工具Mapmost Studio将轨道交通线路的点线面数据转为矢量地图切片Vector Tiles，将矢量地图切片Vector Tiles组合得到轨道交通线路矢量地图。
进一步地，步骤5的具体过程为：将列车模型、地铁站模型、轨道模型、各地铁站真实地理位置作为实例化列车运行场景的参数，输入面向WebGIS端开发者的地图引擎的ModelLayer类中，构建出轨道交通列车运行场景。
进一步地，步骤7的具体过程为：将物理引擎中的World类实例化生成物理世界，设置物理世界的参数：重力参数、轨道材质对象、轨道材质对象的轨道材质、摩擦系数、反弹程度；通过物理引擎的Body类创建轨道交通列车模型的物理实体、地铁站模型的物理实体、轨道模型的物理实体，并添加到物理世界中。
进一步地，步骤8的具体过程为：在物理世界设置场景更新的时间步长，在每个时间步长内，当现实世界轨道交通列车的运行状态发生变化时，调用更新函数Worldp.step()计算轨道交通列车的运动状态，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中。
进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的轨道交通列车三维动画仿真方法。
进一步地，本发明还提供了一种电子设备，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，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的轨道交通列车三维动画仿真方法。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明通过构建轨道交通数字孪生地图，将轨道交通列车运行动画仿真与真实地理环境相结合，增强场景的真实地理属性；
（2）本发明创建了列车运行场景、物理世界两个维度的三维空间，将列车运行和真实物理空间分开设置，将状态计算和场景更新分开，同时两个空间通过轨道交通列车运行状态关联，在提高动画性能的同时，还有利于体现物理空间环境变化对列车运行的影响；
（3）利用物理引擎模拟轨道交通列车运行的真实物理特性，涉及重力、摩擦力等现实存在的物理因素，大大提高轨道交通列车动画仿真的真实性；
（4）该方法提供了通过可视化界面调整参数的方法，操作流程清晰可见，不要求掌握编程技术，降低了技术学习门槛，使得轨道交通列车三维动画仿真方法具有较高的灵活性和可定制性，便于推广。
附图说明
图1为本发明轨道交通列车三维动画仿真方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
如图1为本发明轨道交通列车三维动画仿真方法的流程图，该轨道交通列车三维动画仿真方法具体包括如下步骤：
步骤1、基于地铁站、轨道、轨道交通列车的CAD图纸和BIM数据，创建地铁站模型、轨道模型和列车模型；具体地，基于地铁站、轨道、列车的CAD图纸和BIM数据，使用WGS-84坐标系采用标准右手坐标系进行手工建模，并将轨道模型、列车模型的初始坐标设置为（0,0,0），将建模完成的地铁站模型、轨道模型、列车模型导出为GLTF格式的模型，GLTF（GraphicsLibrary Transmission Format）是一种用于传输和加载3D模型和场景的开放标准文件格式，是使用JSON进行数据序列化的二进制文件格式，可以轻松实现高效且互动性强的列车仿真动画，且GLTF格式的模型中轨道交通列车和地铁站单体文件不超过10MB，地铁站模型、轨道模型、列车模型的贴图尺寸均为512×512。本发明中标准右手坐标系是把右手放在原点的位置，使大拇指、食指和中指互成直角，大拇指指向x轴正方向，食指指向y轴正方向，中指指向z轴正方向。
步骤2、通过WebSocket获取轨道交通列车在轨道上运行的实时速度，转为JSON格式，方便轨道交通列车时刻数据快速、简洁、易读、易解析的传输。
步骤3、根据轨道交通线路的点线面数据获取轨道交通线路矢量地图，用于向乘客展示城市轨道交通***的路线和站点信息，路线通常用不同的颜色和线条表示，标注每个站点的名称和位置，并在WGS-84坐标系下测量各地铁站地理位置和站间位置。具体地，使用矢量地图服务发布工具Mapmost Studio将轨道交通线路的点线面数据转为矢量地图切片Vector Tiles，将矢量地图切片Vector Tiles组合得到轨道交通线路矢量地图。
步骤4、将轨道交通线路矢量地图传入面向WebGIS端开发者的地图引擎MapmostSDK for WebGL的Map类，并给定初始坐标[0,0,0]和地图容器，其中，地图容器是一个“id”属性为“container”的HTML语言定义的DOM元素，构建轨道交通数字孪生地图，还原场景的真实地理环境，融合三维GIS技术的同时增加场景真实性。面向WebGIS端开发者的地图引擎Mapmost SDK for WebGL，除了能够加载渲染标准的地图服务和数据之外，还能实现三维空间坐标系和二维地理坐标系的无缝融合，多应用于三维可视化渲染、时空数据表达、数字孪生场景构建等业务领域，可直接在各种Web浏览器上运行，无需安装插件。
步骤5、在构建的轨道交通数字孪生地图中构建轨道交通列车运行场景，用于表现轨道交通列车的实时运行状态；具体地，将列车模型、地铁站模型、轨道模型、各地铁站真实地理位置作为实例化列车运行场景的参数，输入Mapmost SDK for WebGL的ModelLayer类中，构建出轨道交通列车运行场景。
步骤6、在轨道交通列车运行场景中根据轨道交通列车在轨道上运行的实时速度、各地铁站地理位置、站间位置进行轨道交通列车仿真线性动画，模拟理想情况下的轨道交通列车在轨道交通线路上的运动状态。
步骤7、在构建的轨道交通列车运行场景中通过物理引擎初始化物理世界，考虑到轨道交通列车运行场景需要大量计算机算力，且浏览器端不支持多线程，因此需要将复杂的列车运动状态的计算过程放在物理世界中，然后将计算结果同步给轨道交通列车运行场景；具体地，将物理引擎中的World类实例化生成物理世界，物理引擎可选用Cannon.js，Cannon.js是一个用于创建三维物理仿真的开源JavaScript引擎，具有一组功能强大的工具和算法，提供简单、高效的方式来模拟真实世界中的多种物理现象，比如刚体运动、碰撞检测、力和约束等功能，能在诸如轨道交通这样的复杂场景下仍能获得良好的性能表现，此外其内置的右手坐标系和三维向量能和WebGL良好的融合。设置物理世界的参数：重力参数、轨道材质对象、轨道材质对象的轨道材质、摩擦系数、反弹程度，本发明中重力参数用于模拟物体受到的重力加速度，重力参数改变物体移动的速度和方向，物理世界重力一般设置为9.82，在空间坐标系中沿Y轴负方向；轨道材质对象的轨道材质设置为Cannon.js中的steel钢制类型，使动画中轨道与真实轨道材质一致，用于模拟真实轨道的刚性；摩擦系数设置为0.3，用于模拟车轮与钢制轨道接触时的真实摩擦力；反弹程度设置为0.1，用于模拟车轮与钢制轨道接触时的真实弹力；通过物理引擎的Body类创建轨道交通列车模型的物理实体、地铁站模型的物理实体、轨道模型的物理实体，并添加到物理世界中，其中，物理实体的参数包含重量mass=1.6、位置position=(0,0,0)、材质=default、形状shape= Connon、Box(1,1,1)。物理世界中的物理实体要和需要和轨道交通列车运行场景中的模型一一对应，因为物理世界本身是不可见的，是一个虚拟的三维空间，它的作用是计算各个物理实体的运动状态，然后将计算结果同步给轨道交通列车运行场景中的模型，完成物理引擎动画的仿真过程。
步骤8、对初始化世界进行仿真计算，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中，补充Mapmost SDK for WebGL地图引擎的物理仿真计算能力，同时将列车运行状态的计算过程与可视化过程解耦，实现功能模块化，便于热插拔；具体地，在物理世界设置场景更新的时间步长，在每个时间步长内，当现实世界轨道交通列车的运行状态发生变化时，调用更新函数Worldp.step()计算轨道交通列车的运动状态，该运动状态包含物理实体在物理世界中的位置和旋转角度，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中，为了保证仿真动画的稳定性和平滑性，可使用固定的时间步长，一般为1/60秒，即动画1秒刷新60次，更新函数Worldp.step()需要在轨道交通列车运行场景每一帧渲染的回调函数中调用，进行轨道交通列车的物理仿真计算，更新列车最新状态，进而渲染运行轨道交通列车运行场景。
本发明轨道交通列车三维动画仿真方法通过物理引擎加载逼真的轨道和列车三维模型，制作具有真实物理特性的轨道交通列车行驶动画，并提供细致的地铁轨道控制和轨道交通列车参数调整方法，以便实现不同场景下轨道交通列车行驶过程的模拟，大大提高轨道交通列车动画仿真的真实性并能够提高工作效率。
在本发明的一个技术方案中，还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行所述的轨道交通列车三维动画仿真方法。
在本发明的另一个技术方案中，还提供了一种电子设备，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，所述处理器执行计算机程序时，实现所述的轨道交通列车三维动画仿真方法。
在本申请所公开的实施例中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行***、装置或设备使用或与指令执行***、装置或设备结合使用的程序。计算机存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体***、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种轨道交通列车三维动画仿真方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、基于地铁站、轨道、轨道交通列车的CAD图纸和BIM数据，创建地铁站模型、轨道模型和列车模型；
步骤2、通过WebSocket获取轨道交通列车在轨道上运行的实时速度；
步骤3、根据轨道交通线路的点线面数据获取轨道交通线路矢量地图，并在WGS-84坐标系下测量各地铁站地理位置和站间位置；
步骤4、将轨道交通线路矢量地图传入面向WebGIS端开发者的地图引擎的Map类，并给定初始坐标[0,0,0]、地图容器，其中，地图容器是一个“id”属性为“container”的HTML语言定义的DOM元素，构建轨道交通数字孪生地图；
步骤5、在构建的轨道交通数字孪生地图中构建轨道交通列车运行场景；
步骤6、在轨道交通列车运行场景中根据轨道交通列车在轨道上运行的实时速度、各地铁站地理位置、站间位置进行轨道交通列车仿真线性动画；
步骤7、在构建的轨道交通列车运行场景中通过物理引擎初始化物理世界；
步骤8、对初始化世界进行仿真计算，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车三维动画仿真方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：基于地铁站、轨道、列车的CAD图纸和BIM数据，使用WGS-84坐标系采用标准右手坐标系进行手工建模，并将轨道模型、列车模型的初始坐标设置为（0,0,0），将建模完成的地铁站模型、轨道模型、列车模型导出为GLTF格式的模型。
3.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车三维动画仿真方法，其特征在于，步骤3中根据轨道交通线路的点线面数据获取轨道交通线路矢量地图的具体过程为：使用矢量地图服务发布工具Mapmost Studio将轨道交通线路的点线面数据转为矢量地图切片VectorTiles，将矢量地图切片Vector Tiles组合得到轨道交通线路矢量地图。
4.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车三维动画仿真方法，其特征在于，步骤5的具体过程为：将列车模型、地铁站模型、轨道模型、各地铁站真实地理位置作为实例化列车运行场景的参数，输入面向WebGIS端开发者的地图引擎的ModelLayer类中，构建出轨道交通列车运行场景。
5.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车三维动画仿真方法，其特征在于，步骤7的具体过程为：将物理引擎中的World类实例化生成物理世界，设置物理世界的参数：重力参数、轨道材质对象、轨道材质对象的轨道材质、摩擦系数、反弹程度；通过物理引擎的Body类创建轨道交通列车模型的物理实体、地铁站模型的物理实体、轨道模型的物理实体，并添加到物理世界中。
6.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车三维动画仿真方法，其特征在于，步骤8的具体过程为：在物理世界设置场景更新的时间步长，在每个时间步长内，当现实世界轨道交通列车的运行状态发生变化时，调用更新函数Worldp.step()计算轨道交通列车的运动状态，同步更新到轨道交通列车仿真线性动画中。
7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序使计算机执行如权利要求1-6任一项所述的轨道交通列车三维动画仿真方法。
8.一种电子设备，其特征在于，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，所述处理器执行计算机程序时，实现如权利要求1-6任一项所述的轨道交通列车三维动画仿真方法。
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| 城市轨道交通数字孪生技术架构及其应用;辛佐先等;城市轨道交通研究;全文 * |
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