[发明专利]一种在复杂三维管网中构建实时可视化流体的方法

权利要求书

1.一种在复杂三维管网中构建实时可视化流体的方法，其特征在于，包括：

步骤A：根据实际工程，利用特殊中点提取方法获取三维管网模型和管网底面中线数据；

步骤B：使用管网底面中线上插值点的垂线与管线墙壁求交的方法，根据不同的管线、路口类型，分别求出各插值点处对应的墙壁交点，使用墙壁交点重构管网底面；

步骤C：利用重构后的管网底面，结合管网模型特性和数值模拟或传感器得到的实时流体深度信息，实时更新流体表面和流体深度，完成管网内流体建模，建模完成后对流体模型进行纹理渲染或颜色填充，以满足不同的可视化需求；

所述步骤A具体包括步骤A1或步骤A2：

步骤A1：根据实际工程图纸，选取图纸中所有管线边界、路口的中点作为管网路径的起点和终点，每条路径仅包含一组起、终点，再标记每条路径中所有管网转折处的插值点，连接路径上的插值点获取管网底面中线，使用基于Sweep方法构建完整的三维管网模型；

步骤A2：采用三维激光扫描法，得到完整管网点云构建管网模型，之后通过交互式方法，按步骤A1中获取中线方法在管网模型中标记的插值点连成中线；

所述步骤B具体包括：

步骤B1：取一条路径中线，设其中线中的插值点按Q₀...Q_i...Q_n排列，其中连续三点的空间底面投影记为Q_i-1(x₁,y₁),Q_i(x₂,y₂),Q_i+1(x₃,y₃)，根据公式按从点Q₁到点Q_n-1的顺序判断路径上的点是否为转折点，非转折点转入步骤B2，转折点转入步骤B3；

步骤B2：在路径投影中，取管网底面中线上的插值点O、H、K、M、S、N、T，依次经过这些插值点的路径称为路径OHKMSNT，点H为非转折点，取点H处垂直于线段OH且平行于空间底面的垂线，垂线与组成管网模型的所有三角形所在平面的交点集Un，根据空间中的点与三角形的位置关系筛选出Un中在管网模型上的交点，分别取Un中距离线OH左右两侧最近的一个交点，即为中线插值点H对应管线墙壁的左交点L₁和右交点R₁；

同理得到：非转折点K对应管线墙壁的左交点L₂和右交点R₂；非转折点S对应管线墙壁的左交点L₃和右交点R₃；

步骤B3：以点M为转折点，由于点M前有连续两个非转折点H、K，点H、K对应的墙壁左交点所在直线L₁L₂必与管线左侧墙壁的底面投影重合，点M后只有一个非转折点S，在线段MS上插入一个非转折点S′，求S′对应的墙壁左、右交点L₃′、R₃′，直线L₃L₃′与管线左侧墙壁底面投影重合，取直线L₁L₂和直线L₃L₃′的底面投影交点记为点L₄，令点L₄的z坐标与点M相同，则点L₄为管线转折点M对应的墙壁左交点，同理能求出点M对应的墙壁右交点R₄；

同理得到：转折点N对应管线墙壁的左交点L₅和右交点R₅；

步骤B4：根据中线数据分析出边界点，在管线边界中点D处，靠近边界点D处取一插值点F，线段FD为管线边界底面中线，在管线边界底面中线FD及其延长线上按步长依次插入靠近点D的点，按直线管线墙壁求交方法求插入点对应的墙壁交点，直到取到最靠近管线边界的墙壁左交点L₆和右交点R₆为止，取到的墙壁交点L₆和R₆存在的误差随插值步长减小而减小；

步骤B5：对共用路口的中点T”的路径按投影的顺时针顺序依次编号为路径1、路径2、路径3，根据路径编号依次确定墙壁投影墙壁交点P₁”、P₂”、P₃”为路口对应的点，按照转折管线墙壁求交的方法，求取路径1左侧墙壁投影和路径3右侧墙壁投影的交点P₁”，同理路径2左侧墙壁投影和路径1右侧墙壁投影的交点P₂”、路径3左侧墙壁投影和路径2右侧墙壁投影的交点P₃”，令点P₁”、P₂”、P₃”的z坐标与点T”相同，记为路口墙壁交点；

步骤B6：在求得所有插值点对应的墙壁交点后，按每条路径由起点至终点，每2个相邻路径点对应的4个墙壁交点为一组底面顶点重构管线底面，在路口处以每个路口对应的墙壁交点构成四边形重构路口底面；

在路径OHKMSNT中，与步骤B5相同的方法求得：路口中点O处对应的墙壁交点P₁、P₂、P₃、P₄及路口中点T对应的墙壁交点P₅、P₆，点P₅、P₆垂直于该路径对侧的墙壁上的点为P₇、P₈；

从起点O开始，以四边形P₂L₁R₁P₃、L₁L₂R₂R₁、L₂L₄R₄R₂、L₄L₃R₃R₄、L₃L₅R₅R₃、L₅P₅P₈R₅重构除路口外的管线底面，在路口中点O和T处，以四边形P₁P₂P₃P₄、P₅P₆P₇P₈重构路口底面，其他路径、路口底面重构同理，当完成所有路径的管线和路口底面重构，即能获得完整的重构管网底面；

所述步骤C具体包括：

步骤C1：通过在现实管网中添加流体深度信息传感器或在虚拟三维管网中数值模拟得到实时流体深度信息，经插值处理，使插值后的流体深度信息点和模型内标记的中线上的插值点一一对应，在动态模拟时实时更新每个路径点的流体深度信息，由于管网底面有时不平行于三维空间底面，不同倾斜角处管网截面都不相同，为保证动态模拟模型统一，按照垂直于管网底面取管网截面，并使用垂直于管网底面的流体深度信息，构建实时动态流体；

步骤C2：根据步骤B6得到的完整管网底面，结合实时流体深度信息和管网模型信息构建实时流体表面；

管网截面主要是由弧形边和直边组成的，弧形边是半圆或半椭圆的一部分，根据其几何特征，求出管网内对应流体深度信息的流体表面坐标；

对于拱形管网，直线管线转入步骤C3，其他位置转入步骤C4；

步骤C3：直线管线的拱顶截面为半径为R'的半圆，通过预处理得到直线管线截面的左端点A'(X₁,Y₁,Z₁),直线管线底面法向量为当点A'沿向量方向移动距离h时，到达截面墙壁最高点B'(X₂,Y₂,Z₂)；

当流体深度H'h时,点B'更新后的流体表面左顶点为点C'(X₃,Y₃,Z₃)，设∠C'B'O'＝θ，通过几何关系求得根据θ和得到点C'的三维坐标；

步骤C4：在转折管线、管线边界和路口位置的拱顶截面一般是长轴为2L'，短轴为2R'的半椭圆(L'R')，P₁'、P₂'为截面对应的一组底面顶点，得到的底面墙壁最高点，设拱顶截面半椭圆坐标公式为x²/L'²+y²/R'²＝1(y0)，x和y分别为拱顶截面半椭圆线上的点距离拱顶截面的底部中心O'的横向距离和纵向高度，令y＝H'-h,求出A'O'和B'O'的距离x(x0)，通过插值求出点A'、B'的三维坐标，并求得流体深度H'对应的流体表面顶点A₁'、B₁'；

步骤C5：渲染流体表面，并结合实时流体深度信息和管网模型信息渲染流体侧面，进行完整的流体可视化，并通过插值方法加密四边形提高弧面可视化精度；

所述弧面可视化精度与可视化效率成反比，使用单个四边形代替弧面实现流体深度信息可视化。