基于WebGL实时渲染的数字孪生技术的研究与应用.pdf

2023年9 月计算机应用文摘第39 卷第19 期基于WebGL实时染的数字李生技术的研究与应用李芸（福建省亿力信息技术有限公司，福建厦门350 0 0 1）摘要：数字李生是近年来兴起的一种新型数字化仿真技术。它基于数字化技术和建模算法，将现实世界中的物理对象数字化成为虚拟对象，并将物理系统转化为数字模型，以实现真实系统的虚拟复制，达到镜像李生、仿真推演、反向控制等目的。文章针对数字李生的染问题提出了一种基于WebGL实时染的数字李生技术，并分析其在于电力行业、航空工业、建筑设计等领域的应用。关键词：数字李生；WebGL；实时染；工业应用中图法分类号：TH17Research and application of digital twin technology based on(Fujian Yili Information Technology Co.,Ltd.,Xiamen,Fujian 35oo01,China)Abstract:Digital twin is a new type of technology that has emerged in recent years and is a digitalsimulation technology.Based on digital technology and modeling algorithms,it digitizes physicalobjects in the real world into virtual objects,and converts physical systems into digital models torealize virtual replication of real systems and achieve the purposes of mirror twins,simulationdeduction,and reverse control.Aiming at the rendering problem of digital twins,this paper proposesa digital twin technology based on WebGL real-time rendering,and analyzes its applications in thepower industry,aviation industry,architectural design and other fields.Key words:digital twins,WebGL,real-time rendering,industrial applications1娄数字李生技术概述实现数字李生技术的核心是数字李生模型的构建和管理 1。数字李生模型是一个虚拟的物体或系统模型,可以用来仿真、预测物体或系统的行为和性能。数字李生模型的构建和管理需要多种数据源,如CAD数据、传感器数据、工艺数据等,通过数据融合、分析和建模来构建一个高度准确的数字模型 2 。数字李生技术的实现可以分为以下几个步骤：(（1)数据采集。只有收集到足够全面、准确的数据,才能建立精确的物理模型和数字李生模型,并利用其进行有效的仿真和分析。数据来源可以是传感器、监控设备等采集的温度、压力、流量等数据。这些数据需要经过预处理和清洗，去除噪声、异常值和缺失值等，以保证数据的质量。(2)建立物理模型。建立物理模型是数字李生技术实现的核心之一。物理模型可以通过计算机辅助设计(CAD)软件进行建模，主要包括三维模型、结构模型、材料模型、动力学模型等。对于不同类型的物理系统,建立的物理模型也会有所不同。例如,对于文献标识码：AWebGL real time renderingLI Yun机械系统，可以建立三维模型和动力学模型；对于电气系统，可以建立电路模型和电磁场模型等。（3)创建数字李生模型。数字李生模型的建立需要使用物理模型和一些复杂的算法。数字李生模型涉及多个方面，例如结构、材料、流体等。数字李生模型应该与实际物理系统同步更新,以反映实际系统的变化。（4)仿真和分析。通过利用数字李生模型进行仿真和分析,可以研究不同条件下物理系统的行为和性能,并评估其可能存在的风险、损失以及改进机会。在数字李生模型中进行仿真和分析，可以节省实际物理系统的大量开销和时间成本。同时，数字李生模型可以提供更加精细和全面的数据，以便进行更深入的分析和评估。(5)优化和预测。在基于数字李生模型的仿真和分析结果的基础上，可以对物理系统进行优化和预测，制定最佳决策方案。通过数字李生技术可以进行参数调整、设计优化、自适应控制等操作，以提高物理系统的效率和可靠性。同时,数字李生技术还可以进行故障诊断和预测,以实现智能化的运营管理。2023年第19 期(6)实时监控和反馈。数字李生技术的实现是一种持续改进的过程。因此,将数字李生模型与实际物理系统进行比对和监测，可以及时发现、处理问题，并将其反馈到数字李生模型中进行模拟和优化。通过实时监控和反馈可以不断改进数字李生模型和物理系统，以提高业务流程和产品质量2WebGL实时染概述WebGL的实时煊染技术是其核心特性之一,实时染是指在图形处理器上对场景进行快速地计算和染，然后将结果直接传输到屏幕上，使得场景可以在极短的时间内被染出来。实时染可以应用于游戏、虚拟现实、建筑设计、工业设计等领域，可以让用户获得更好的交互体验和视觉效果。WebGL实时染技术需要通过一些重要的技术手段来实现，包括三维模型建模、纹理映射、光照计算、阴影计算等。三维模型建模是指利用计算机软件对物体的形态进行建模和处理,形成数字李生模型。纹理映射是指将图片或纹理映射到物体表面上，使得物体表面具有更好的质感和细节。光照计算是指根据光源的位置、强度等参数计算物体表面的明暗程度和颜色。阴影计算是指根据光源和物体的位置关系计算物体投射的阴影,增强物体的逼真感。WebGL的完整工作流程如图1所示,分为以下五个步骤：(1)准备数据阶段。需确定顶点的坐标、索引（画出的三角形的次序）、Uv（确定贴图的坐标）、法线（确定光线的亮度）,还有一些其他的矩阵（如投射矩阵）。在所述缓存区中（由于其数目巨大），将所述顶点数据通过所述修饰符（attribute）传送到所述顶点着色器,然后将该矩阵通过一个修改符传递到一个顶点着色器。（2)生成顶点着色器。在此基础上,通过Javascript对顶点着色程序中的一个字符串进行定义，将其生成并编译为一个着色程序片段,然后将其发送到GPU。（3）图元装配。GPU会按照顶点个数对每个顶点进行一一煊染，从而得到最终的顶点坐标，并对其进行坐标变换。（4)生成片元着色器。使用数学算法来计算每一个像素,并将其转换成可以在煊染阶段使用的像素颜色。其核心是将模型转换为可以在染阶段使用的片元着色器，这些片元着色器的颜色和质地是根据模型本身进行计算的。这个阶段需要处理流程较复杂的几何和纹理，如模型颜色、质地、光照效果、阴影等。（5）光栅化。通过片元着色器就可以确定每个片元的颜色，并根据深度缓存区判断哪些片元被挡住了，不需要对其染。最后，将片元信息存储到颜色缓存区,从而实现整体染 3计算机应用文摘顶点数据缓存区attribute矩阵uniform注：黄色:CPU(avascript)绿色:GPU(opengles)3基于WebGL实时煊染的数字李生技术数字李生技术的核心是数字李生模型,而WebCL实时染技术可以直接将数字李生模型染成3D图形,并在Web浏览器上进行交互等操作。因此,基于WebCL实时煊染的数字李生技术可以有效实现数字李生模型的展示、仿真和控制。基于WebGL实时煊染的数字李生技术可以应用于工业设计、建筑设计、虚拟现实等领域。在工业设计领域，数字李生技术可以用于产品设计、制造和维修,而基于WebGL实时染的数字李生技术可以让用户通过Web浏览器直接对产品进行交互等操作。在建筑设计领域,数字李生技术可以用于建筑结构设计、建筑施工和维修,而基于WebGL实时染的数字李生技术可以让用户通过Web浏览器直接浏览建筑模型,并对其进行虚拟漫游和实时展示。在虚拟现实领域,数字李生技术可以用于虚拟现实场景的建模和仿真,而基于WebCL实时煊染的数字李生技术可以让用户通过Web浏览器直接进入虚拟现实场景并进行交互等操作。基于WebGL实时染的数字李生技术的实现需要先将数字李生模型转化为WebGL可染的格式，然后通过WebCL进行染和展示。数字李生模型可以通过3D建模软件、扫描仪、相机等设备获取并经过处理和优化，生成WebCL可煊染的模型格式，如glTF,OBJ,Collada等。WebGL的染流程可以分为顶点处理、着色器处理、光照计算、纹理映射、阴影计算等步骤。通过这些步骤,WebGL可以将数字李生模型染成逼真的3D图形，并实现交互等操作。基于WebCL实时煊染的数字李生技术还需要解决一些技术问题，如数据传输、煊染速度、质量和性能等。数字李生模型的数据量通常很大，因此需要通过网络传输数据，而数据传输的速度和稳定性会影响WebGL的染速度和质量。为了提高煊染速度和质量，可以采用GPU加速、多线程煊染、级别渐进式染等技术手段 467顶点着色器图元装配坐标转换图1WebGL的完整工作流程片元着色器材质、灯光光栅化具缓存区684应用案例基于WebGL实时煊染的数字李生技术已经在多个领域得到应用，下面列举几个典型案例。4.1工业设计基于WebGL实时煊染的数字李生技术可以用于工业产品的设计、制造和维修。例如，德国汽车制造商奥迪使用数字李生技术和WebGL实时染技术，开发了一款名为eKurzinfo的工具，可以在Web浏览器中展示车辆内部和外部的数字李生模型，并提供交互等操作功能。用户可以通过该工具了解车辆的各项技术指标、构造细节和安全系统等信息，还可以进行零部件的拆卸和组装操作。这样，工程师和维修人员就可以在不实际操作车辆的情况下，快速获取相关信息并进行故障排除和修理。这种数字李生技术的应用可以大幅提高工业设计和制造的效率、质量。4.2建筑设计基于WebGL实时煊染的数字李生技术可以用于建筑设计的虚拟漫游和实时展示。例如，日本建筑师限研吾使用数字李生技术和WebGL实时染技术，开发了一款名为Archi-Depot Museum的建筑模型,可以在Web浏览器中展示建筑的数字李生模型,并提供交互等操作功能。用户可以通过该模型了解建筑的结构、材料和设计理念,还可以进行建筑内部的虚拟漫游和实时展示。这样，建筑师和客户就可以在不实际进入建筑的情况下，快速获取相关信息并进行设计和改进。这种数字李生技术的应用可以大幅提高建筑设计和建设的效率、质量。4.3医疗诊断基于WebGL实时煊染的数字李生技术可以用于医疗图像的虚拟重建和实时展示。例如，美国医疗设备制造商GEHealthcare使用数字李生技术和WebGL实时煊染技术,开发了一款名为Vivid E95的医疗设(上接第6 5 页)7刘世超,杨斌,刘卫国.高性能高可用Redis客户端的设计与实现 J.电子技术应用，2 0 2 2,48（1）：46-52+58.8 刘鑫.MySQL和PostgreSQL的对比选择 J.沈阳工程学院学报（自然科学版）,2 0 11,7（2）：17 1-17 3+17 7.9 Google Chrome team.WebRTC EB/OL.https:/webrtc.org.10 W3C.HTML5.0 SpecificationEB/OL.http:/www.w3.org/TR/html5.11张向辉,黄佳庆,吴康恒,等.基于WebRTC 的实时视音频通信研究综述 J.计算机科学,2 0 15,42(2)：1-6+32.计算机应用文摘备,可以在Web浏览器中展示心脏的数字李生模型，并提供交互等操作功能。医生可以通过该设备了解心脏的结构、功能和病变情况,还可以进行心脏的虚拟重建和实时展示。这样,医生和患者就可以在不实际进行手术的情况下，快速获取相关信息并进行诊断和治疗。这种数字李生技术的应用可以大幅提高医疗诊断和治疗的效率、质量 55结束语数字李生技术是数字化建设的一项重要技术,为各行业实现数字化转型升级带来巨大的价值。借助数字李生技术推动各产业数字化、网络化、智能化发展已然成为促进数字融合发展、推进数字中国建设整体规划中的重要一环,是国家在新一轮工业革命中取得先发优势和竞争优势的关键。随着物联网、大数据等先进技术的发展,数字化转型建设迎来了新一轮浪潮。未来,随着5G、物联网、大数据等先进技术的发展，数字李生技术将有更多可能应用于数字中国建设中。参考文献：1邢峰,崔巍,许大璐,等.基于WebCL的三维云景染方法J.地理信息世界,2 0 18,2 5（5)：9 4-9 8+10 2.2刘大同,郭凯，王本宽，等.数字李生技术综述与展望J.仪器仪表学报,2 0 18,39(11)：1-10.3黄若思.基于WebCL的矢量数据染技术研究 D.北京：中国科学院大学,2 0 2 3.【4庄存波,刘检华,熊辉,等.产品数字李生体的内涵、体系结构及其发展趋势 J.计算机集成制造系统，2 0 17（4）：7 53-768.5陶飞,刘蔚然,刘检华,等.数字李生及其应用探索 J.计算机集成制造系统,2 0 18,2 4(1)：1-18.作者简介：李芸（19 8 5一）,本科,软件工程师，研究方向：数字化技术及软件工程管理。12 杨真光.基于SIP的视频会议系统设计及实现D.北京：北京邮电大学，2 0 13.13 王建.基于SIP的视频会议系统的设计与实现 D.北京：北京交通大学，2 0 0 9.作者简介：马凯（19 9 0 一）硕士，工程师，研究方向：指挥控制系统设计、模型算法。谭奇坤（19 7 0 一），硕士，高级工程师，研究方向：网信体系。2023年第19 期