一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，首先通过采集的地形数据进行预处理，获得地形的灰度高程图，并在此基础上生成地形模型，同时利用曲面细分技术进行优化；然后通过参数化铰刀模型，获得铰刀的主要参数，利用这些参数生成铰刀的包围盒模型；最后利用相机获取到地形模型和铰刀模型的深度信息，并将两者进行布尔运算，得到更新的地形灰度图，重新生成新地形。本发明专利技术能够通过铰刀和地形的深度差值信息，实现地形的实时动态变形，有效提高疏浚作业仿真作业中地形变形的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法
本专利技术属于计算机图形
，具体涉及一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法。
技术介绍
现有技术中通过Unity3D技术对水下地形的仿真，但在铰刀作业时水下地形与铰刀交互，地形会发生变化，如何有效的对地形变形的效果进行实时更新是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中不能实时根据铰刀对地形的作用，实时更新地形的技术问题，提出一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，包括如下步骤：步骤一：水下地形的生成；根据已知的位置信息和对应位置的高程值，生成地形的灰度高程图，进行地形模型的生成，并利用细分曲面技术对生成的地形模型进行优化；步骤二：铰刀轴面模型的建立；根据不同地形土质，确定不同的铰刀轴面模型，参数化铰刀模型，获取铰刀尺寸的主要参数；步骤三：快速更新地形，根据铰刀包围盒切削的深度信息和地形模型的深度信息，确定铰刀切削的位置和切削的深度，通过布尔运算获取到新地形的深度信息，重新生成新地形，实现地形的快速变形。具体地，所述步骤一包括：步骤1a：根据已知的地形数据，对数据进行预处理，通过清洗、插值、灰度归一化，生成地形的灰度高程图；步骤1b：对步骤1a中生成的灰度高程图，其数据是不完整的，只是散点图，无法生成真实地形，因此需要进行数据插值补充数据，补充灰度区域，形成完整的灰度高程图，使数据具有连续性，利用插值后的地形灰度高程图，导入Unity3D中，生成地形的三维模型；所述利用灰度高程图生成地形三维模型的方法为：利用网格表示地形，同时在网格上覆上灰度格中顶点的位置，黑色像素所对应的灰度值为0，代表海拔最低的地方，白色像素所对应的灰度值为255，代表海拔最高的地方，以此生成网格地形。步骤1c：利用Unity3D中的细分曲面技术，优化地形模型的显示效果，增加模型表面的网格精度，提升后期地形变形的效果。具体地，所述步骤二包括：步骤2a：根据铰刀切割介质的不同，将铰刀模型参数化，得到生成铰刀模型的主要参数：刀臂外轮廓线高度H、刀臂内轮廓线高度h、轮毂直径d、刀臂外曲面到轮毂中线的距离D，根据以下公式1确定铰刀的数学模型；由于铰刀运动起来是一个圆台，因此我们采用圆台作为铰刀运动时的模型，根据公式2建立铰刀外轮廓曲线段，公式3为铰刀的隐式曲面方程，最终确立铰刀圆台模型，并利用OBB算法生成圆台的铰刀模型的包围盒。将铰刀分为三种类型：第一种为挖沙及粘土的软土型铰刀，第二种为挖沙及软岩的硬土型，第三种为切削岩石的岩石型铰刀。注：θ为参变量，取值范围在0-150°之间，k1为铰刀介质切削系数，k2为铰刀形状参数，d为轮毂直径，D为刀臂外曲面到轮毂中线的距离，H为刀臂高度，x、y、z为铰刀数学模型空间曲线的三维坐标点。注：R为圆台铰刀模型底面圆半径，r为圆台铰刀模型的上面圆半径。步骤2b：在步骤2a的基础上，k1、k2的取值由土质力学性质来确定，土质越软k的取值越小，由不同的k1、k2值构建不同的铰刀的碰撞包围盒，用于替代铰刀与地形进行交互。具体地，所述步骤三包括：步骤3a：在生成的地形下方从下向上获取地形的深度图作为初始地形高度；当铰刀进行切削时，根据铰刀包围盒的大小和不同的形态，获取铰刀的深度图；步骤3b：在步骤3a的基础上，根据铰刀切削位置的深度以及铰刀的切削位置这两个深度值的差值决定地形变形的位置以及变形的深度；将地形深度值图和铰刀切削深度值图这两张深度图做布尔计算，可以得到新的差值深度图，将其作为渲染材质，生成新地形模型；完成地形的变形，实现地形的实时更新。本专利技术的有益效果在于：本专利技术在离散三维地形生成的基础上，提出了实时更新地形的方法，能够通过铰刀和地形的深度差值信息，实现地形的实时动态变形，能够解决疏浚作业时因为铰刀和地形交互时地形发生变化的问题，能够提高疏浚作业仿真作业中地形变形的效率，能够提高疏浚作业的准确度，实现安全而高效的疏浚。附图说明图1是本专利技术的方法流程；图2是生成地形的灰度图；图3是生成的地形模型；图4是曲面细分技术优化后的地形模型；图5是铰刀结构示意图，其中5a显示了三类铰刀的刀臂轮廓线，其中1是软土型铰刀的刀臂轮廓线，2是硬土型铰刀的刀臂轮廓线，3是岩石型铰刀的刀臂轮廓线；5b显示了铰刀外轮廓曲线图，5c显示了铰刀外轮廓旋转曲面图；图6是铰刀包围盒结构示意图，其中6a显示了铰刀的模型图，6b显示了铰刀位于铰刀包围盒内，6c显示了铰刀包围盒的模型结构；图7是铰刀深度信息图；图8是地形更新过程图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作具体的介绍。参照图1所示，一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，包括如下步骤：步骤一：水下地形的生成，根据获取到的位置信息和对应位置的高程值，生成地形的灰度高程图，进行地形模型的生成，并利用曲面细分技术对生成的地形模型进行优化，如图2、3、4；步骤1a：根据已知的地形数据，对数据进行预处理，通过清洗、插值、灰度归一化，生成地形的灰度高程图；步骤1b：对步骤1a中生成的灰度高程图，进行数据插值，补充灰度区域，提供完整的灰度高程图，使数据具有连续性，利用插值后的地形灰度高程图，导入Unity3D中，生成地形的三维模型；步骤1c：利用Unity3D中的细分曲面技术，优化地形模型的显示效果，增加模型表面的网格精度，提升后期地形变形的效果。步骤二：铰刀轴面模型的建立，根据不同地形土质，确定不同的铰刀轴面模型，参数化铰刀模型，获取铰刀尺寸的主要参数如图5；步骤2a：根据铰刀切割介质的不同，将铰刀模型参数化，得到生成铰刀模型的主要参数：刀臂外轮廓线高度H、刀臂内轮廓线高度h、轮毂直径d、刀臂外曲面到轮毂中线的距离D，并利用OBB算法生成圆台的铰刀模型的包围盒。步骤2b：在步骤2a的基础上，k1、k2的取值由土质力学性质来确定，土质越软k的取值越小，由不同的k1、k2值构建不同的铰刀的碰撞包围盒，用于替代铰刀与地形进行交互。步骤三：快速更新地形，根据铰刀包围盒切削的深度信息和地形模型的深度信息，确定铰刀切削的位置和切削的深度，通过布尔运算获取到新地形的深度信息，重新生成新地形，实现地形的快速变形，如图6-8。步骤3a：在生成的地形下方从下向上获取地形的深度图作为初始地形高度；当铰刀进行切削时，根据铰刀包围盒的大小和不同的形态，获取铰刀的深度图；步骤3b：在步骤3a的基础上，根据铰刀切削位置的深度以及铰刀的切削位置这两个深度值的差值决定地形变形的位置以及变形的深度；将地形深度值图和铰刀切削深度值图这两张深度图做布尔计算，可以得到新的差值深本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一：水下地形的生成，根据已知地形的位置信息和对应位置的高程值，生成地形灰度高程图，生成地形三维模型，并利用细分曲面技术对生成的地形三维模型进行优化；/n步骤二：铰刀轴面模型的建立；根据不同地形土质，确定不同的铰刀轴面模型，参数化铰刀模型，获取铰刀尺寸的主要参数；/n步骤三：快速更新地形，根据铰刀包围盒切削的深度信息和地形模型的深度信息，确定铰刀切削的位置和切削的深度，通过布尔运算获取到新地形的深度信息，重新生成新地形，实现地形的快速变形。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：水下地形的生成，根据已知地形的位置信息和对应位置的高程值，生成地形灰度高程图，生成地形三维模型，并利用细分曲面技术对生成的地形三维模型进行优化；
步骤二：铰刀轴面模型的建立；根据不同地形土质，确定不同的铰刀轴面模型，参数化铰刀模型，获取铰刀尺寸的主要参数；
步骤三：快速更新地形，根据铰刀包围盒切削的深度信息和地形模型的深度信息，确定铰刀切削的位置和切削的深度，通过布尔运算获取到新地形的深度信息，重新生成新地形，实现地形的快速变形。


2.根据权利要求1所述的一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤1a：根据已知的地形数据，对数据进行预处理，通过清洗、插值和灰度归一化处理，生成地形的灰度高程图；
步骤1b：对步骤1a中生成的灰度高程图，进行数据插值，补充灰度区域，得到完整的灰度高程图，使数据具有连续性，将完整的地形灰度高程图，导入Unity3D中，生成地形的三维模型；
步骤1c：利用Unity3D中的细分曲面技术，优化地形模型的显示效果，增加模型表面的网格精度，提升后期地形变形的效果。


3.根据权利要求2所述的一种基于铰刀深度与三维地形深度信息更新地形的方法，其特征在于，所述步骤二包括：
步骤2a：根据铰刀切割介质的不同，将铰刀模型参数化，得到生成铰刀模型的主要参数，构建铰刀模型的包围盒；
步骤2b：...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐玮，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32