离岸型风力发电厂实时三维可视化系统的设计与实现

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三维场景重建是计算机视觉中的一个重要研究方向。然而,静态三维重建不能很好的直观风车等运动情况,常规动态三维重建需要的户外作业和成本较高,其中大多数的重建工作都是通过特定的现场无人机视频流,或者是卫星图像、深度图像,又或者是Kinect、Li DAR(激光雷达)等获得的点云数据来进行三维重建。其中包括通过多视角图像提取特征点,对多视图中的特征点进行匹配,构建基础矩阵等恢复相机参数,从而得到场景的三维结构以及动作捕捉,又或者无人机对现场照片或者视频流进行实时三维重建或者VR技术进行三维场景搭建,这种方法也仅仅只适用于白天,夜晚动态场景的建立依靠红外夜视呈现的效果并不好。所以,以最少的成本代价对项目成本高昂的海上风力发电站进行动态三维重建,以达到良好的视觉效果是非常具有研究价值和意义的。本文设计的风力发电厂的动态可视化仿真系统,以数据融合为核心,展现出的视觉效果既不受昼夜与天气的影响,又具有动态三维重建的实时性。通过建立地理三维模型、水体模型、风力发电站三维模型实现场景静态的三维重建,通过发电站信息、气象信息、AIS信息等数据对该系统进行动态驱动,从而实现场景的恢复重建,并为系统配备多项功能设计,使得视觉效果更好,恢复的场景信息更直观。通过有效仿真,达到该可视化系统的设计需求。本文主要工作内容如下:(1)场景还原。完成了可视化系统实时数据的采集与处理,利用Arc GIS对真实地形的灰度图进行数据转换,得到地理模型数据集,根据地理数据集,在可视化系统中对陆地模型进行重建。结合几何模型的建模技术和基于图像的建模与绘制技术,在3DMax软件构建风车模型和船舶模型。根据坐标信息整合场景,利用场景渲染和多种重建技术实现可视化细节,从而构建起完整的风电厂动态三维景象。(2)数据驱动。集成并存储风电厂实时采集的多类别数据,搭建Photon Socket实现服务器到客户终端的信息数据传输框架,并对船舶信息识别系统的编码完成预处理,根据编码信息对船舶进行了驱动和姿态模拟。针对驱动风车模型的数据失真或失效情况,提出了将风车真实运动参数、风电站气象数据、天气预报气象数据、短时预测气象数据融合的方法,同时根据这些数据的优先级驱动风车。其中,对气象数据进行了风速风向转换处理,对历史气象数据进行了模型训练,得到短时预测风速、风向。(3)功能设计与系统发布。利用Unity3D软件对风电场可视化进行了二次开发,为可视化系统设计了登录验证,还设计了碰撞检测、天气预报、雨雪系统、二维动态地图等功能。系统功能中还包含丰富的交互性设计,主要增添了二维小地图与自定义缩放、漫游镜头的键鼠控制与镜头的视角切换、船舶和风车等三维物体交互信息提示、天气信息面板显示、场景切换、雨雪粒子系统播放控制等交互功能设计。将可视化系统发布成应用程序,并配置服务器应用于云端服务器,用户PC端可以执行应用程序,通过登录可视化系统浏览风力发电站场景。本文的离岸型风力发电厂实时可视化系统的构建主要分为三大步骤,分别是场景恢复、动态驱动以及功能交互,实现的过程中利用了多种建模技术、数据处理技术以及渲染优化技术,极大程度的恢复了与风力发电厂区域相似的虚拟场景。
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