[发明专利]一种基于unity3d的知识图谱3D可视化方法

权利要求书

1.一种基于unity3d的知识图谱3D可视化方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).摄像机、天空盒和场景初始化；摄像机初始化：向Hierarchy窗格中插入一个摄影机，或者使用新建项目后原有的摄影机，作为沉浸式摄影机，调整其在场景中的位置，使其在水平方向上偏离场景中心点；适当增大该摄影机的可视距离，以获得更好的可视效果；向Hierarchy窗格插入一个新的摄影机作为全局摄影机，调整其在场景中的位置，使其镜头向斜下方俯视并对准场景中心点；

天空盒初始化：对场景设置全局的天空盒，并修改Wrap Mode的值防止出现贴图接缝，选用暗色调星空背景的天空盒材质；

相关场景参数设置：取消点光源，设置全局光源，光源颜色选为白色系；取消掉场景中的重力，使场景中只存在力导向模型中自定义的力，同时防止添加的模型下落；

b).三元组数据获取，从服务器端获取三元组json数据，并进行解析；将三元组数据分组为实体和关系两类，实体应至少包括实体的id、实体名称和实体类别，关系应至少包括关系的id、关系的源实体id、关系的目标实体id和关系的类别，将实体和关系分别实例化为类数组；

c).预制体的创建及三维物理结构组织；首先，创建具有不同材质和模型的球形预制体，对应实体的不同类别；根据实体类数组中的实体id和类别，将不同的预制体实例化为场景中的对象，该对象的name即为对应实体的id，并将实体的名称绘制在对象的正上方；

之后，设置对象的三维物理结构，包括对象的质量和初始位置；要求所有对象的初始位置在一小块三维空间中随机分布，且需保证彼此之间保持一定的间距，避免发生穿模问题；

最后，根据关系类数组中的关系的源实体和目标实体，在源实体和目标实体对应的对象之间绘制激光效果，以建立两个实体间关系；同时，根据关系的类别，为激光束添加不同的纹理，并将关系名称绘制在激光束的中点正上方；

d).三维力学模型构建，为了能够使对象之间能够自动布局，达到最佳的可视效果，将使用力导向作为自动布局的构建方法，需将传统二维空间中的力导向模型转化为三维空间中的力导向模型；

定义对象在三维空间中的速度、加速度和当前位置，均使用三维坐标进行表示，除当前位置使用对象的真实坐标外，速度和加速度的初始值都为0；

对于力学建模，主要来自于每两个对象之间的斥力和存在关系的对象之间的拉力；对于斥力模型，使用库伦定律进行计算，即为公式(1)：

其中G为引力常量，值为6.67×10^-11，为方便计算，取值为6.67；M、m分别为两对象的质量，r为两对象之间的距离；

对于拉力模型，使用弹簧拉力公式，为公式(2)：

F＝kx (2)

其中，k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量；

同时，为了保证在动态布局的过程中，系统整体不会偏离场景中心，添加一个指向场景中心的全局引力；在场景原点处设置一个并不渲染的对象，将其质量设为一个较大值，并保持其在原点静止不动；

对于加速度和速度，则分别由加速度公式和速度公式给出，为公式(3)和公式(4)：

v＝v+a·t (4)

公式(3)和公式(4)中，F为对象所受合力大小，m为对象质量，a为对象加速度；v为对象速度，t为时间；

最后，为保证系统的稳定状态能够及时收敛，而不是一直运动下去，需要添加一个全局的线性粘性阻尼力，该力的公式为公式(5)：

F＝c·v (5)

其中，c为粘性阻尼系数；

e).帧循环；根据设定的物理模型，对实体和关系的对象进行物理状态的更新，包括实体对象的位置和关系对象的起始终止坐标；每次帧循环中，都要根据实体对象的质量、位置和速度，计算该对象受到的中心引力、实体对象之间的相互斥力、关系对象的引力和运动过程中受到的阻尼力；对这些力在x、y、z轴方向上进行分解并计算其合力，再由其质量计算三个轴向上的加速度，最终更新三个轴向上新的速度；之后，更新该实体对象的位置和速度的物理属性，并依照新属性进行场景的渲染和更新UI；直到整个场景中的系统达到一个收敛性的稳定阈值时，伴随帧循环的力学计算和物理属性更新都要持续进行下去；

f).沉浸式摄影机脚本；沉浸式摄影机为标准的第一人称摄影机，初始应置于场景原点附近，将支持跟随鼠标的视角旋转，由方向键和“ASDW”键控制前后左右移动，鼠标滚轮控制移动速度；“Tab”键控制菜单UI的切入切出，切出菜单时取消视角的鼠标跟随，以便实现检索、查看、传送功能；

g).全局摄影机脚本；全局摄影机为地图摄影机，目的在于为用户全局的查看整个图谱的规模、结构和关联关系提供可能；全局摄影机的鼠标控制分为鼠标左键实现场景拖拽，鼠标右键实现镜头转向，鼠标滚轮控制缩放；同时，全局摄影机可由键盘的“Q”、“E”两个按键控制视角转向，同样适用“Tab”键控制菜单UI的切入切出；

h).属性信息显示及UI绘制；UI界面的目的是为了对某一实体或关系的属性信息进行详细的展示，整个UI界面分为4部分：顶部为目前指向的实体名称及其ID；左侧为检索功能区，用户可选择相应的搜索条件，并输入检索的关键字，服务器会将检索的结果返回给客户端，并在UI界面上进行更新；右侧为实体属性的详细信息，用来展示该实体具体的属性字段；中间为图形展示区，一是用来展示全局的3D知识图谱中该实体节点所在的位置及其与其它实体的关联情况，二是用来展示某些实体可能具有的3D模型，二者可以相互切换；

i).检索功能及传送功能；用户选择检索条件并键入检索关键字，服务器将检索到的结果返回到客户端；用户选择关注某一返回的节点时，将重新构建以该节点的关联关系为中心的知识图谱3D可视化场景；

用户对于图谱中某一外围节点，可以选择对该节点进行扩展，服务器对该节点的关联实体进行进一步检索并返回；新返回的实体会添加到现有的场景中，并按力导向的模型进行自动化的布局调整；

还提供传送功能，用户点击沉浸视图或全局视图中的某一对象时，将弹出选项询问用户是否传送，当用户选择传送时，会将用户传送至该节点附近并将沉浸式摄影机镜头中心对准该对象；

j).沉浸视图、全局视图切换；系统提供沉浸视图和全局视图的切换功能，以方便用户从不同的视角观察图谱，快捷键为“M”；沉浸视图和全局视图的切换，实际是用户的视角在沉浸式摄影机和全局摄影机之间的切换。