一种面向数字化工厂的三维实时快速显示方法及系统

本发明涉及数字化工厂，具体涉及一种面向数字化工厂的三维实时快速显示方法及系统。

背景技术：

1、我国正在从制造大国走向制造强国，近年来我国正在对传统制造业积极改造升级，传统工厂向智能工厂转变必须经历数智化转型道路，而工厂数字化也是其重要组成部分。数字化工厂(digital factory，df)以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。为了反映真实的物理工厂，数字化工厂模型需要与物理工厂装备一一对应，这就导致数字化工厂拥有大量的机械cad模型，使得三维场景内的数据量骤增，进而影响数字化工厂的虚实联动和流畅展示。

2、目前现有的一些优化方法尽管对各自所针对的三维场景有一定的效果，但对于数字化工厂这种复杂度高且具有一定机械特征的场景，这些优化方法并不能很好的相互配合来提高场景的流畅度，甚至在优化过程中因欠缺对数字化工厂场景的特点进行考虑而导致程序出错或运行效果不佳，无法达到数字化工厂场景的基本要求。

3、同时，由于国内开源社区在该领域的技术交流和资源共享尚处于起步阶段，这导致了整体编程技术的相对滞后。在渲染优化算法方面，国内的三维可视化软件多未进行深入研究，往往仅依赖高配置硬件来实现较好的渲染效率，这对较低配置的计算机设备并不友好。

4、另外，实时流畅渲染前沿技术往往集中在游戏领域，而相较之下，工业领域在这类优化技术发展方面表现出一定程度的滞后。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向数字化工厂的三维实时快速显示方法，旨在解决现有数字化工厂联动和展示效果差，渲染效果不佳，适用范围小的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种面向数字化工厂的三维实时快速显示方法，包括以下步骤：

3、s1、建立面向数字化工厂的实时展示关键框架；

4、s2、根据所述实时展示关键框架对数字化工厂机械cad模型的进行轻量化处理；

5、s3、通过三维渲染模型对所述数字化工厂机械cad模型实时剔除与可见性集生成；

6、s4、基于批处理与gpu实例化的渲染调用优化；

7、s5、将所述优化的图像数据遍历提交并实时显示。

8、优选的，所述s1具体包括以下子步骤：

9、分析总结机械cad模型特征；

10、根据所述机械cad模型特征阐述数字化工厂实时展示关键框架。

11、优选的，所述s2具体包括以下子步骤：

12、s21、对所述数字化工厂机械cad模型的冗余信息的顶点信息进行提取，依次比较所述顶点信息的x、y、z坐标轴的大小并进行排序，将位置信息相同的顶点抛弃，并更新其对应的索引信息，最终将顶点焊接生成新的顶点集合；其中，所述冗余信息还包括法线大小、纹理坐标和索引值；

13、s22、根据所述顶点集合对特有细节特征进行处理；

14、s23、基于边坍缩的模型对所述特有细节特征进行简化处理；

15、s24、对所述边坍缩的模型的细节层次的生成；

16、s25、基于gpu的细节层次的选择。

17、优选的，所述s22具体包括以下子步骤：

18、s221、从区域的点集合中随机取最少构成模型特征的点集；

19、s222、对选取的顶点进行拟合生成几何特征；

20、s223、选取未被处理的顶点与生成的几何特征进行位置比较，若该顶点在几何特征上，则表明该顶点处于这个几何特征上，可以将其加入，否则只将其标记为已被处理；

21、s224、若拟合的所述几何特征内的顶点数大于预设的阈值，即可认为得到了正确的几何特征，否则重复迭代步骤s222-s223；

22、s225、若在完成一定的处理次数后，仍未找到正确的几何特征，则将该区域划分为其它特征。

23、优选的，所述s23具体包括以下子步骤：

24、s231、通过所述边坍缩的模型建立基础关系；

25、s232、计算最优候选折叠点；

26、s233、迭代边坍陷简化操作。

27、优选的，所述s25具体包括以下步骤：

28、s251、对要渲染的模型数据建立缓冲区对象；

29、s252、对所述缓冲区对象进行几何着色生成多个存储流；

30、s253、对多个所述存储流分别输出多个缓冲对象；

31、s254、判断输出多个所述缓冲对象是否为空，是，则返回执行s251；否，则完成真正渲染模型。

32、优选的，在所述s3具体包括以下子步骤：

33、s31、基于八叉树的视锥剔除；

34、s32、基于像素大小的剔除；

35、s33、基于遮挡查询的遮挡剔除。

36、优选的，所述s4具体包括以下步骤：

37、s41、对场景内静态模型进行批处理，对材质相同的网格模型提取有效的顶点信息；

38、s42、对渲染效果简单且数据量小的动态模型进行批处理；

39、s43、对于场景内那些复杂且数量多的动态模型，利用gpu实例化来进行处理，对于实例化物体进行存储。

40、优选的，在所述s41中，所述批处理包括静态批处理和动态批处理。

41、第二方面，本发明提供一种面向数字化工厂的三维实时快速显示系统，包括：

42、建立框架模块，用于建立面向数字化工厂的实时展示关键框架；

43、处理模块，用于根据所述实时展示关键框架对数字化工厂机械cad模型的进行轻量化处理；

44、剔除和生成模块，用于通过三维渲染模型对所述数字化工厂机械cad模型实时剔除与可见性集生成；

45、优化模块，用于基于批处理与gpu实例化的渲染调用优化；

46、显示模块，用于将所述优化的图像数据遍历提交并实时显示。

47、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过建立面向数字化工厂的实时展示关键框架；根据所述实时展示关键框架对数字化工厂机械cad模型的进行轻量化处理；通过三维渲染模型对所述数字化工厂机械cad模型实时剔除与可见性集生成；基于批处理与gpu实例化的渲染调用优化；将所述优化的图像数据遍历提交并实时显示。这样分析总结机械cad模型特征，结合数字化工厂的特点，提出数字化工厂实时展示的关键技术框架；使用简化算法对网格模型的细节特征进行简化，以达到减少数据量的目的，以及使用相关算法使其自动生成适应数字化工厂实时展示要求的细节层次，并且能够对其进行实时快速处理；然后对数字化工厂进行场景空间划分，建立一定程度的数据结构，利用划分后的空间结构对场景内的三维模型进行可见性分析及分类，剔除掉不可见模型，保留可见模型；最后，根据数字化工厂内网格模型的不同，分类使用静/动态批处理技术和实例化技术，并对批量队列中不可见模型进行剔除，对渲染队列进行优化设计；提高数字化工厂的三维实时快速显示效果，适用范围广。