基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法、系统及设备与流程

本发明涉及漫游路径优化，尤其涉及一种基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法、系统及设备。

背景技术：

1、三维建筑场景技术是近二十年来迅速突破的前沿技术，将建筑、工程和建设施工三个行业有机结合，准确展示了建筑的虚拟数字化模型；可以辅助设计师、施工人员等将需要建设的建筑可视化，从而识别潜在的设计及操作等难题，甚至可以在工程交付以及监测工程整个生命周期中发挥功能；同时，它融合了机器图形学、人机交互及数据监测等多项技术，通过虚拟数字化模型实现请求用户实时查看以及动态监测场景信息的目的；基于三位建筑场景进行实时漫游，在畅通工程参建各方沟通渠道、畅通设计意图表达及增强施工效果预览方面是最好的表达和辅助手段，辅助建筑设计交底及工程施工效果预览。

2、现有技术一，申请号cn202111608582.8公开了一种建筑三维场景自动构建方法，包括获取遥感影像数据及矢量数据；提取小区区划边界和建筑轮廓数据；基于遥感影像数据及建筑轮廓数据，利用其获得建筑分类预测结果；基于分类预测结果及建筑样本数据获取新增建筑数据；基于新增建筑数据及矢量数据获得建筑轮廓矢量数据，基于其及遥感影像数据生成二维建筑信息模型；基于二维建筑信息模型在三维建筑模型库中进行匹配，获得匹配值满足预设阈值的建筑模型作为三维建筑模型。虽然综合使用遥感影像数据、矢量数据和三维建筑模型库实现了城市级高质量建筑三维场景自动构建，提升了三维场景构建过程中积累的建筑模型数据利用率，增强了建筑模型批量构建的位置匹配精确性。但是数据处理繁琐，过于依赖模型的精准度，导致路径生成率较低。

3、现有技术二，申请号cn202211708777.4公开了一种基于差分进化算法的矿井数字孪生系统漫游路径规划方法，根据矿井内部纵向切面图，采用指定的矿井栅格化密度下的栅格数据模型表示地图环境，将矿井中的可达路径点通过离散方格表示为栅格化矿井可达位置矩阵；确定任务的优化目标和约束条件；使用改进的差分进化算法求解最优矿井数字孪生系统漫游路径规划方案，能够借助差分进化算法全局收敛能力强、稳健性高以及不需要借助问题的特征信息的特点，将固定的差分策略替换为能够从4中差分策略中进行自适应选择，同时添加了多项式变异作为额外的变异方法，提升了算法跳出局部最优的能力。虽然解决了现有技术中漫游路径规划方法容易陷入局部最优解以及收敛速度满的技术问题。但是路径规划过程复杂，导致使用时间成本较高，对操作人员也提出了更好的要求。

4、现有技术三，申请号cn202111151452.6公开了一种用于顾及地形起伏的web端三维场景姿态自适应的路径漫游方法，包括：获取生态空间已有要素图形，生态空间已有要素图形具有连续xy坐标点；利用道格拉斯节点抽吸算法对生态空间已有要素图形进行简化，保留的节点作为自动漫游路径节点；基于自动漫游路径节点，结合三维场景中的地形数据，实时计算漫游行进途中每一帧三维场景的漫游姿态参数；在web端浏览器中对每一帧的三维场景进行实时渲染和刷新，完成沿自动漫游路径节点自动漫游的过程，不依赖手动漫游记录。虽然基于不同生态空间要素即可快捷进行自动漫游浏览且行进全程三维场景画面正常、适时起伏和平滑转弯，提升了web端三维地图的路径自动漫游效果。但是不能结合实际工程应用，且没有实施漫游路径优化。

5、目前，针对三维建筑场景漫游算法多采用人工选径加路径记录的模式，路径手动工作量大、主观性强，并且选径平稳度依赖于人员的手动操作熟练程度，效率低、效果差。因而，本发明提出一种基于起始点、目标点的实施路径优化方法，智能地在三维建筑场景内根据漫游起始点和目标点自动生成一条平稳美观、优化智能的漫游路径；结合实际工程应用，减少手动工作量，同时消除熟练程度带来的手工误差，在已有漫游算法的基础上进一步改进三维建筑场景的漫游路径优化算法，路径生成效率高、定位计算精准，将有效大幅度提升三维场景漫游效果，而当前行业内没有这方面的应用案例。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法、系统及设备，以解决现有技术中路径手动工作量大、主观性强，选径平稳度依赖于人员的手动操作熟练程度，效率低、效果差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法，所述实时漫游路径优化方法，包括：

4、定位漫游起始点和目标点位置信息，在绘制的三维模拟建筑场景中选定漫游的起始点和目标点，分别得到起始点和目标点的三维坐标位置信息；

5、根据得到的三维坐标位置信息，由分段切割法生成从漫游起始点到目标点的全局漫游路径，各分段路径依次经过各个漫游路径关键点，即洞口，最后连接成一条完整、连续的漫游路径；

6、基于生成的漫游路径继续求解最短路径，采用改进的bellman-ford算法优化漫游路径，对最短漫游路径进行曲线平滑优化，在三维坐标中，采用最小二乘法曲线拟合生成经过关键点的平滑曲线，同时生成的漫游路径的三维几何位置信息并记录；

7、沿着数据生成场景关联的漫游路径视觉文件，根据视觉美学算法，计算出漫游过程中需要展示的场景信息，包括三维几何信息、漫游路径信息和关键点，再进行符合人类视觉美学的漫游场景展示，即进行基于漫游路径视觉文件的场景重建。

8、作为本发明的进一步改进，采用机器学习方法分析用户在三维建筑场景中的点击习惯，以预测起始点和目标点的选择，包括：

9、在三维建筑场景中，记录用户的点击事件，包括起始点和目标点的坐标信息、时间戳、用户的导航路径和鼠标移动轨迹；收集与建筑场景相关的数据，保护场景的布局、空间分布及建筑物特征；

10、从收集到的数据中提取关键特征，保护用户在三维建筑场景中的点击频率、起始点与目标点之间的空间距离、用户的历史选择模式；利用卡方检验选择对预测结果影响显著的特征；

11、选择机器学习模型决策树，将收集的用户数据划分为训练集、验证集和测试集，采用8:1:1的比例；使用训练集对选择的机器学习模型进行训练，并利用验证集调整超参数；使用测试集对训练出的机器学习模型进行评估，计算准确率、查全率集f1分数指标。

12、作为本发明的进一步改进，得到起始点和目标点的三维坐标位置信息，包括：

13、创建漫游路径信息数据堆栈；

14、判断漫游起始点和目标点位置是否合法，当漫游起始点和目标点定位在墙上或者其他固定障碍物时，或者起始点/目标点距离周围障碍物的距离均小于单股人流量的二分之一时被认为无效；

15、确定漫游起始点和目标点后，将漫游起始点添加到路径堆栈中，并标示漫游起始点为已经过点。

16、作为本发明的进一步改进，连接成一条完整、连续的漫游路径，包括：

17、创建漫游路径关键点数据堆栈，并将漫游路径起始点添加到该堆栈中，编号为1，求出目标点基于漫游起始点的方位角，由漫游路径关键点判定法确定该建筑场景中所有关键点，并依次将其编号后添加到关键点堆栈中；在确定关键点时，结合实时监测数据检查是否有新关键点出现，然后将其加入关键点堆栈；

18、沿方位角找到距离漫游起始点最近的关键点，判断两者之间是否通畅，在判断与起始点的通畅性时，及时更新堆栈中的关键点信息，确保路径规划基于最新的信息；若是，绘制漫游起始点到关键点的漫游路径；反之，继续寻找第二近的关键点，以此类推，并标示当前关键点为已经过点；

19、将该分段的漫游路径信息添加到路径堆栈中，并标示此时的关键点为当前本位点，判断本位点与漫游目标点之间是否有墙或障碍物，若仍有障碍物，继续使用迭代分段切割法绘制出本位点到关键点的分段漫游路径，将该分段漫游路径添加到路径堆栈中；反之，则绘制本位点到漫游目标点的分段漫游路径；在分段路径规划过程中，动态评估本位点到目标点之间的新环境，对可能的障碍点进行更新和调整，并绘制出最新的路径；

20、将该分段漫游路径添加到路径堆栈中，完成从漫游起始点到目标点的连续漫游路径，将目标点添加到关键点堆栈中，编号为n；在完成从起始点到目标点的路径后，将新识别的关键点进行标注，作为系统未来路径规划的参考，并形成反馈机制。

21、作为本发明的进一步改进，判断洞口是否符合漫游路径关键点，包括：

22、遍历找到建筑场景中所有洞口的三维坐标位置信息，判断所有洞口是否符合关键点标准，具体标准为当其宽度大于0.55米时，该洞口被判定为符合标准，对其进行编号i+1，反之被过滤，将洞口的中心坐标记录为该关键点的位置信息，并将其添加到关键点堆栈中，最后关键点编号为n-1；

23、沿方位角方向遍历关键点堆栈，找到距离本位点距离最近的关键点，若本位点到关键点之间畅通，绘制本位点到关键点的漫游路径；反之，则选择次近的关键点，以此类推；

24、若本位点到其父本位点外的其他关键点均不畅通，则返回父本位点，选择父本位点次近的关键点寻找路径，以此类推，标示该关键点为已经过点，将本位点到关键点的分段漫游路径添加到路径堆栈中，并标示当前关键点为当前本位点。

25、作为本发明的进一步改进，采用改进的bellman-ford算法优化漫游路径，包括：

26、创建路径关键点的距离数组dis，关键点堆栈中元素个数为n，则数组长度为n，数组各元素代表漫游路径起始点到编号关键点的距离，dis[1]＝0；

27、根据步骤s2中计算出的漫游路径，初始化dis数组，即数组各元素为s2中漫游起始点到各关键点的距离，无连接的节点赋值为∞；

28、选定数组中元素最小的节点m，找到该节点的所有出路节点i，比较dis[i]和dis[m]+dis[m→i]的大小，若前者更大，将数组内对应的元素更新为dis[m]+dis[m→i]；反之保持原来的数值；重复该步骤，遍历数组内所有节点，求解漫游路径最短值，并记录最短漫游路径。

29、作为本发明的进一步改进，生成漫游路径的三维几何位置信息，包括：

30、提取关键点堆栈中的位置信息作为漫游路径的观测点(xi,yi,zi)，假设存在某理论函数f＝f((x,y),w)，使得关键点堆栈中所有观测点都无线接近该理论函数；

31、定义目标函数为观测点到理论函数值的差值平方和，对于n组观测点，其优化目标为

32、在平滑漫游路径的同时，因模拟建筑内部存在墙和其他阻碍物，古存在一定约束条件，具体约束条件为：2d[(x,y)→障碍物]≥0.55，求解得出约束条件下优化目标的理论函数，得到拟合的平滑曲线漫游路径。

33、作为本发明的进一步改进，平滑曲线优化，包括：

34、在三维建筑场景中部署多种传感器，保护激光雷达、摄像头及深度传感器等，实时采集建筑内部的环境数据；使用计算机视觉进行障碍物的识别，识别出墙、家具及设备不同类型的障碍物；建立障碍物类型数据库，对采集到的障碍物信息进行分类，判断其种类、形状与大致尺寸；将现场障碍物背景与动态环境整合，实时更新障碍物位置及类别；

35、按照预设周期实时监测环境并记录障碍物位置的变化，使用无人机对建筑变化进行持续跟踪；将此监测数据输入到系统中；根据识别到的障碍物类型，动态调整优化过程中的约束条件，设置不同类型的障碍物对路径的影响：对墙壁和大型物体设置更严格的安全距离；对椅子、桌子小型物体，则可设置较小的安全距离；

36、实时计算用户与障碍物之间的安全距离，依据用户当前的速度、运动方向以及障碍物的类型动态监控安全性；依据当前环境状态，调整路径生成的安全边界条件，确保用户在漫游过程中保持安全；在漫游路径规划中在bellman-ford算法中添加动态约束检测，每当检测到新障碍物或障碍物发生变化时，重新评估涉及该障碍物的关键点的约束条件；采用递归或迭代方式，实时更新路径，确保路径安全性与通畅性；根据用户的实时反馈及障碍物数据，在用户接近障碍物时，利用重新生成的路径算法即时调整用户的漫游路径，避免潜在风险；在用户面临转弯或避障的情况下，通过算法推荐最优的安全路径，并在漫游界面上实时展示。

37、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

38、一种基于三维建筑场景的实时漫游路径优化系统，其应用于所述的基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法，所述基于三维建筑场景的实时漫游路径优化系统包括：

39、场景建模与数据输入模块，负责绘制和构建三维模拟建筑场景，包括建筑物、道路、洞口元素的建模；

40、路径规划模块，负责接收起始点和目标点的三维坐标位置信息，使用分段切割法生成从起始点到目标点的全局漫游路径，包括确定并连接各个漫游路径关键点；

41、路径优化模块，负责接收路径规划模块生成的全局漫游路径，采用改进的bellman-ford算法对路径进行优化，寻找最短路径，使用最小二乘法对最短路径进行曲线平滑优化，生成平滑且符合实际的漫游路径，记录并保存优化后的漫游路径的三维几何位置信息；

42、视觉处理与展示模块，负责根据优化后的漫游路径和三维场景数据，生成场景关联的漫游路径视觉文件，并进行场景重建，将漫游路径与三维场景结合，以符合人类视觉美学的方式展示漫游过程。

43、为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：一种电子设备，包括处理器、以及与所述处理器耦接的存储器，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令；所述处理器执行所述存储器存储的所述程序指令时实现所述的基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法。

44、本发明整个基于三维建筑场景的实时漫游路径优化方法，通过四个步骤的协同作用，实现了高效、准确、优雅的漫游路径规划。不仅提高了用户在三维建筑场景中的漫游体验，还推动了技术在虚拟现实(vr)、增强现实(ar)及建筑可视化等领域的应用，促进了更多直观与交互并存的新型应用场景的探索。整体上，这种方法可以极大地改善建筑规划、设计与展示的动态交互方式，为用户提供高质量的视觉和操作体验。