基于虚幻引擎的智能矿山数字孪生系统云渲染技术_李梅.pdf

测绘通报年第期引 文 格 式：李 梅，姜 展，满 旺，等基 于 虚 幻 引 擎 的 智 能 矿 山 数 字 孪 生 系 统 云 渲 染 技 术 测 绘 通 报，（）：-：-基于虚幻引擎的智能矿山数字孪生系统云渲染技术李梅，姜展，满旺，陈 金 川（北 京 大 学 遥 感 与 地 理 信 息 系 统 研 究 所，北 京；部 队，北 京；厦 门 理 工 学 院 空 间 信 息 科 学 与 工 程 系，福 建 厦 门；北 京 龙 软 科 技 股 份有 限 公 司，北 京）摘 要：、云 渲 染 等 技 术 为 浏 览 器、移 动 端、等 多 种 终 端 的 可 视 化 渲 染 提 供 了 重 要 技 术 支 撑。本 文 分 析 比 较 了 其优 缺 点，并 采 用 虚 幻 引 擎的 云 渲 染 技 术，采 用 某 煤 矿 的 倾 斜 摄 影、巷 道、设 备、三 维 地 质 模 型 开 展 了 系 统 设 计 与 测 试，分 析 了云 渲 染 的 效 率 和 效 果，实 现 了 数 字 孪 生 云 渲 染 技 术 在 智 能 矿 山 的 应 用。关 键 词：数 字 孪 生；云 渲 染；智 能 矿 山；三 维 引 擎；像 素 流 送中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，；，）：，：；智 能 矿 山 是 指 将 工 业 互 联 网、云 计 算、数 据 挖掘、虚 拟 现 实、智 能 化 采 矿 等 技 术 相 结 合，最 终 在 矿山 生 产 流 程 中 实 现 决 策 和 管 理 智 能 化-。数 字 孪生 系 统 是 智 能 矿 山 建 设 的 重 要 内 容。运 用 数 字 孪生 和 虚 拟 现 实 技 术，能 够 构 建 与 地 上 和 地 下 物 理 世界 平 行 的 虚 拟 矿 山，并 通 过 工 业 自 动 控 制、设 备 故障 诊 断、大 数 据 分 析 等 技 术，实 现 全 矿 井 人、机、环、管 信 息 实 时 联 动 并 高 效 协 同 自 动 化 运 行-。智 能 矿 山 数 字 孪 生 平 台 汇 聚 了 矿 山 范 围 内 大量 时 空 信 息，包 括 地 质 勘 探 数 据、新 型 测 绘 数 据、设 计 数 据、设 备 实 时 传 感 数 据、工 业 视 频 数 据等。海 量 高 精 度 的 三 维 模 型 给 计 算 机 存 储 分 析和 图 形 渲 染 造 成 极 大 压 力，如 何 在 有 限 的 计 算 机 硬件 资 源 条 件 下，在 线 展 现 大 规 模 多 源 数 据 的 三 维 场景，并 实 现 高 质 量 的 渲 染 质 量 和 呈 现 效 果，是 智 能矿 山 数 字 孪 生 平 台 首 要 解 决 的 难 题。传 统 的 三 维 可 视 化 平 台 开 发 采 用 底 层 的 是、图 形 库，以 及 开 源 或 商 用 三 维引 擎，如、等 开 发 桌 面系 统。近 年 来，、云 渲 染（）等 技 术 为 浏 览 器 端、移 动 端、设 备 等 多种 终 端 的 三 维 可 视 化 渲 染 提 供 了 重 要 的 技 术 支 撑。业 内 一 般 采 用 基 于技 术 封 装 的 轻 量 化 的 三维 引 擎 进 行 应 用 开 发，包 括、等，在 此 基 础上 开 展 智 慧 城 市 和 智 能 工 厂 数 字 孪 生 应 用。与 三收 稿 日 期：-基 金 项 目：国 家 重 点 研 发 计 划（；）作 者 简 介：李梅（），女，博 士，副 教 授，主 要 从 事 三 维 地 理 信 息 系 统、智 慧 矿 山 研 究。-：年第期 李梅，等：基 于 虚 幻 引 擎 的 智 能 矿 山 数 字 孪 生 系 统 云 渲 染 技 术维 地 理 信 息 不 同，模 型 数 据 量 大、细 节 多，一 般通 过 云 服 务 器 平 台 以 云 渲 染 方 式 对数 据 进 行处 理-，常 见 的 商 业 平 台 有、云 平 台、等。在 智 能 矿 山 领 域，数 字 孪 生 平 台 除 了 作 为 全 矿井 业 务 大 数 据 集 成 与 展 示 平 台 外，还 需 要 面 向 各 类专 业 提 供 专 题 服 务，如 透 明 化 地 质 勘 探、采 矿 设 计、通 风 模 拟、智 能 工 作 面（综 采 和 掘 进）、灾 害 事 故 反演、虚 拟 仿 真 培 训 等。为 了 提 高 计 算 机 渲 染 效 率 和性 能，降 低 内 存 资 源 占 用，基 于 云 渲 染 技 术 的 智 能矿 山 数 字 孪 生 系 统 成 为 研 究 和 应 用 的 热 点 方 向。有 研 究 者 对 云 渲 染 的结 合、移 动 端等方 面 进 行 了 深 入 研 究。在 云 渲 染 的 效 率 和 优 化 问题 上，文 献 针 对 云 渲 染 系 统 的 效 率、平 均 帧 率、渲 染 性 能 瓶 颈，提 出 了 一 种 独 特 的 参 数 调 整 策 略，通 过 优 化 相 关 服 务 器 和 渲 染 机 配 置 提 高 系 统 性 能。文 献 比 较 了 插 件、及 云 渲 染 的 虚 拟 仿 真试 验 效 率，并 介 绍 了 基 于 云 渲 染 技 术 的 综 采 放 顶 煤虚 拟 仿 真 教 学 试 验 应 用。综 上 所 述，云 渲 染 技 术 尽 管 具 有 高 清 的 分 辨率，能 够 提 供 优 质 的 视 觉 效 果，且 云 上 系 统 能 够 带来 更 好 的 真 实 感、交 互 感、愉 悦 感，但 也 受 网 络 带宽、服 务 器 资 源 等 方 面 的 限 制，在 智 能 矿 山 数 字 孪生 系 统 方 面 的 应 用 还 较 少。针 对 当 前 问 题，本 文 提出 采 用 虚 幻 引 擎（，），对 智 能 矿 山数 字 孪 生 平 台 的 可 视 化 渲 染 技 术 进 行 研 究，对 其效 率 进 行 分 析，探 索 云 渲 染 技 术 在 智 能 矿 山 的 应用 前 景。实 时 云 渲 染 技 术 原 理.前端渲染优缺点数 字 孪 生 平 台 的 三 维 渲 染 模 块 一 般 采 用、或等 三 维 引 擎。这 些 三 维 引 擎 均 提 供前 端 渲 染，包 括、云 渲 染 技 术，供 开 发 者选 择。表对 比 分 析 了 几 种 技 术 的 特 点。与均 是 轻 量可 视 化 技 术。是 网 页 开 发 标 记 语 言（）的 最 新 版 本，利 用元 素 构 建 三 维 模 型。是 一 种 基于的接 口，基 于 实 现，通过的元 素 工 作，它 能 渲 染 交 互 式 二维 与 三 维 图 形，并 在 网 页 浏 览 器 中 显 示 结 果，用 户无 需 下 载 任 何 应 用 程 序 或 插 件 即 可 访 问 内 容。支 持 基 于加 速 的 物 理 模 拟、图 像 处 理和 效 果。与的 区 别 主 要 在 于 绘 制 基础。是元 素 绘 图，使 用可以 在 客 户 端 动 态 生 成 图 形 和 动 画；而使 用 库，通 过进 行绘 图。由 于 两 者 都 是 将 模 型 和 材 质 纹 理 数 据 发 送 至 客 户端 进 行 渲 染，模 型 和 材 质 纹 理 需 要 大 量 的 轻 量 化 处理，因 此 在 画 质 上 有 一 定 的 局 限 性，也 会 占 用 客 户端 较 大 存 储 空 间，等 待 时 间 较 长，并 对 客 户 端 渲 染性 能 有 较 高 要 求。实 时 云 端 渲 染 是 指 将 载 有 三 维 场 景 的 程 序 运行 在 服 务 器 或 云 服 务 器 上，通 过 服 务 器 强 大 的 计 算能 力 对 三 维 程 序 画 面 进 行 渲 染、捕 获 及 压 缩 后，以视 频 流 的 形 式 发 送 给 低 计 算 能 力 的 客 户 端，用 户 可在 客 户 端 通 过 网 络 与 三 维 程 序 进 行 交 互。客 户 端只 负 责 解 码 和 显 示 三 维 场 景 画 面。该 技 术 可 推 送任 何 服 务 端 内 容 到 客 户 端，因 此 可 以 移 植 到 硬 件 资源 受 限 的 平 台，如 移 动 设 备 或头 盔、眼 镜 等终 端 等，用 户 可 在 任 何 时 间、地 点 进 行 三 维 场 景 交互 体 验。由 于 数 据 保 存 在 服 务 端 或 云 端，且 只 有 像素 被 推 送 到 终 端 设 备 上，因 此 比和的 客 户 端 下 载 方 案 更 快 速、安 全。表前 端 渲 染 技 术 对 比项 目 云 渲 染插 件无无下 载 数 据下 载不 下 载渲 染 模 式客 户 端服 务 端云 端渲 染 效 果轻 量 化 显 示高 质 量 渲 染网 络 延 迟无有，与 网 络 带 宽 相 关数 据 安 全 性不 安 全安 全终 端 适 配 性需 要 适 配 各 类浏 览 器 和 终 端支 持端、手 机 端以 及 多 种终 端 设 备交 互 性灵 活一 般适 合 项 目 轻 量 化 的 场 景高 质 量 场 景经 济 性 评 估费 用 低费 用 高.虚幻引擎的像素流送技术三 维 引 擎 是 数 字 孪 生 系 统 的 核 心 组 件。与 其 他三 维 引 擎 相 比，虚 幻 引 擎 具 有 优 秀 的 场 景 编 辑 器，能够 生 成 实 时 渲 染 逼 真 画 面，且 支 持、物 理 引 擎、技 术 模 块，插 件 齐 全，与集 成 能 够 实 现 海 量 地 形 的 可 视 化 显 示，广 泛应 用 于 游 戏、建 筑、影 视 制 作、数 字 城 市 等 领 域。虚 幻 引 擎提 供 了 两 个 模 块 实 现 云 渲 染 功 能，即 像 素 流 送 插 件、信 令 与服 务 器 模 块。像 素 流送 插 件 使 用 视 频 压 缩 对 每 个 渲 染 帧 的 最 终 结 果 进行 编 码，将 这 些 视 频 帧 随 游 戏 音 频 一 同 打 包 至 媒 体流 送 中，并 通 过 点 对 点 连 接 将 该 流 送 发 送 至 一 个 或测绘通报年第期多 个 连 线 的 浏 览 器 上；信 令 与服 务 器 模 块 则 负责 交 涉 浏 览 器 和 像 素 流 送 插 件 之 间 的 连 接，将 播 放视 频 流 送 的和环 境 提 供 给 浏 览 器。服 务 器 端 可 以 是 普 通 的 高 性 能电 脑，也 可 以 是云 端 服 务 提 供 的 虚 拟 机。虚 幻 引 擎 将 使 用 该 电 脑可 用 的 资 源（、内 存 等），运 行 数 字 孪 生 平台 系 统，并 渲 染 每 一 帧，并 不 断 将 此 渲 染 输 出 编 码到 一 个 视 频 流 送 中，再 通 过 一 个 轻 量 级 的 网 页 服 务堆 栈 进 行 传 递。用 户 可 在 电 脑 和 移 动 设 备 上 运 行的 标 准 网 页 浏 览 器 中 查 看 视 频 图 像。图采 用 虚 幻 引 擎的 像 素 流 送 技 术 发 布 数 字孪 生 平 台 的 技 术 流 程，步 骤 如 下。（）在 服 务 器 端 运 行 系 统 应 用 程 序，使 用 像 素流 送 插 件 对 渲 染 帧 进 行 压 缩。（）通 过 信 令 与服 务 器 将 渲 染 的 帧 和 音 频输 出 至 媒 体 流 送 中。（）利 用 服 务 器，实 现 点 对 点 的 网络 穿 透，保 证 信 令 与服 务 器 在 服 务 器 端 和 浏 览器 间 的 连 接 性。其 中，（）是 轻 量 级 的 协 议，是 基 于的 完 整 的 穿 透的 解 决 方 案。（）通 过（-）将 渲 染 的 帧 和 音 频 流 送 到 浏 览 器 和 移 动 设 备。（）用 户 通 过 电 脑 和 移 动 设 备 上 运 行 的 浏 览 器点 对 点 地 观 看 实 时 流 送，也 可 通