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3D 可視化之Azure 數(shù)字孿生

原創(chuàng)|工業(yè)3D解決方案|編輯：何家巧|2022-01-07 10:44:14.877|閱讀 346 次

概述：現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中的所有事物、人、業(yè)務(wù)流程的3D可視化，不再只出現(xiàn)在科幻電影中，這就是數(shù)字孿生。數(shù)字孿生是描述環(huán)境、事物、人及其關(guān)系的數(shù)字表現(xiàn)的術(shù)語，而Azure數(shù)字孿生（ADT）是一個(gè)允許創(chuàng)建和與這種數(shù)字表現(xiàn)互動(dòng)的平臺(tái)。它不僅允許創(chuàng)建模型，而且還提供了圖形API來查詢和與它的孿生互動(dòng)。ADT Explorer是一個(gè)工具，允許用戶將ADT模型和孿生可視化，并探索不同事物、人和過程之間的關(guān)系。

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相關(guān)鏈接：

現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中的所有事物、人、業(yè)務(wù)流程的3D可視化，不再只出現(xiàn)在科幻電影中，這就是數(shù)字孿生。數(shù)字孿生是描述環(huán)境、事物、人及其關(guān)系的數(shù)字表現(xiàn)的術(shù)語，而Azure數(shù)字孿生（ADT）是一個(gè)允許創(chuàng)建和與這種數(shù)字表現(xiàn)互動(dòng)的平臺(tái)。它不僅允許創(chuàng)建模型，而且還提供了圖形API來查詢和與它的孿生互動(dòng)。ADT Explorer是一個(gè)工具，允許用戶將ADT模型和孿生可視化，并探索不同事物、人和過程之間的關(guān)系。ADT Explorer對(duì)于可視化這個(gè)圖和探索不同對(duì)象之間的關(guān)系非常有用。

但這些二維圖形并不像實(shí)際物體的大小、形狀、顏色或位置。靈活的三維表示法對(duì)于瀏覽、理解、監(jiān)控和對(duì)這些信息的變化

做出反應(yīng)是非常有幫助的。必須與數(shù)字雙胞胎互動(dòng)的操作人員需要以一種對(duì)他們來說簡(jiǎn)單而直觀的方式進(jìn)行互動(dòng)。

HOOPS Web 平臺(tái)是一套軟件開發(fā)工具包，它可以補(bǔ)充ADT，提供一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的三維瀏覽器，可以導(dǎo)入CAD模型并連接到ADT中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和事件。使用HOOPS和ADT，我們可以創(chuàng)建一個(gè)工廠的3D數(shù)字孿生，其直觀的界面可以讓操作員輕松看到每臺(tái)機(jī)器的狀態(tài)。

讓我們來了解一下如何通過將3D可視化與Azure數(shù)據(jù)孿生連接起來，使其成為現(xiàn)實(shí)。我們將從你需要的東西開始，以及如何將三維模型導(dǎo)入HOOPS。然后我們將把3D模型連接到ADT節(jié)點(diǎn)，顯示標(biāo)記，對(duì)事件作出反應(yīng)，并學(xué)習(xí)如何編輯我們創(chuàng)建的3D世界。
前提條件
//github.com/techsoft3d/communicator-adt-tutorial 上的資源庫(kù)展示了一個(gè)結(jié)合這兩個(gè)框架的簡(jiǎn)單例子。我們將用這個(gè)項(xiàng)目來強(qiáng)調(diào)基本的想法和整合點(diǎn)。

DTDL是Azure Digital Twins中用來描述模型和雙胞胎的語言。在這里了解更多。我們使用一個(gè)基于這個(gè)ADT學(xué)習(xí)模塊的DTDL圖。你需要連接到一個(gè)與此類似的托管ADT圖。

要使用來自CAD模型的自定義3D數(shù)據(jù)，你需要HOOPS Web平臺(tái)。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)
我們必須首先創(chuàng)建或獲取3D數(shù)據(jù)。很多時(shí)候，設(shè)備、機(jī)械、基礎(chǔ)設(shè)施和建筑的3D模型已經(jīng)存在。其他時(shí)候，它們需要使用CAD軟件包來創(chuàng)建，如用于機(jī)械設(shè)計(jì)的SOLIDWORKS或Inventor，用于建筑設(shè)計(jì)的AutoCAD、Revit或SketchUp。一個(gè)接近原件的三維模型可能就足夠了。眾多的3D模型庫(kù)，如GrabCAD,TurboSquid和SketchFab，提供了現(xiàn)成的3D模型，可以使用或改編。
每個(gè)三維模型都可以用HOOPS轉(zhuǎn)換器的命令行程序轉(zhuǎn)換為流式緩存文件。

這些優(yōu)化的文件可以合并并加載到HOOPS網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中進(jìn)行可視化。

注意：流緩存數(shù)據(jù)有兩個(gè)主要變體。

Stream Cache Standalone (SCS) - 可以使用 REST API 函數(shù)輕松加載這些單一文件，就像加載其他文件一樣。在可視化之前必須下載整個(gè)文件。在本文中，我們使用這種方法來管理 3D 數(shù)據(jù)。

Stream Cache Compressed (SCZ) – 這些壓縮文件使用 HOOPS SC Server 應(yīng)用程序的實(shí)例進(jìn)行流式傳輸，該應(yīng)用程序在服務(wù)器和客戶端之間建立 WebSocket 連接。3D 模型數(shù)據(jù)通過此連接逐步流式傳輸，并可立即進(jìn)行交互。這種格式有助于可視化非常大的模型。

可以找到支持的文件格式的完整文件列表。大多數(shù)情況下，可以將 HOOPS Converter 不支持的格式保存為中性格式，例如 STEP、STL 或 FBX，然后轉(zhuǎn)換為流緩存文件。

ADT圖中的一些節(jié)點(diǎn)可能有相關(guān)的3D數(shù)據(jù)，包括物理建筑或場(chǎng)地、機(jī)器、傳感器和其他對(duì)象，無論是否啟用物聯(lián)網(wǎng)。對(duì)于有三維數(shù)據(jù)的ADT節(jié)點(diǎn)，你可以把相關(guān)的模型名稱保存為一個(gè)屬性。雖然模型文件名保存在ADT內(nèi)，但模型文件本身應(yīng)該保存在其他地方，可能是在托管你的后臺(tái)的服務(wù)器上的/scs_models目錄下。

我們使用的DTDL。

除了SCS文件的路徑，我們還保存了一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，幫助我們?cè)谌S空間中放置物體。變換矩陣是一個(gè)4x4的矩陣，編碼它在3D場(chǎng)景中的位置、旋轉(zhuǎn)和比例。因?yàn)镈TDL不支持將數(shù)組作為一個(gè)屬性，這個(gè)矩陣被存儲(chǔ)為一個(gè)地圖。索引 "1 "到 "16 "代表了矩陣中16個(gè)元素的每一個(gè)。建議將SCSFile名稱和轉(zhuǎn)換保存為ADT圖的一部分，但它們也可以在你的特定應(yīng)用程序中硬編碼，保存在JSON文件中或保存在一個(gè)外部數(shù)據(jù)庫(kù)中。這個(gè)例子假設(shè)它是存在的，并將使用這些屬性來自動(dòng)加載相關(guān)的三維數(shù)據(jù)。

可視化數(shù)據(jù)

HOOPS Web Viewer (HWV) 是一種基于瀏覽器的應(yīng)用程序，用于查看 3D 數(shù)據(jù)并與之交互。它可以通過廣泛的 JavaScript API 進(jìn)行配置。hoops_webviewer_sample.html 顯示了如何配置 WebViewer 并將工具欄和其他常用工具連接到查看器。此示例是我們示例項(xiàng)目的基礎(chǔ)。

使用從 hoops_web_viewer.js 提供的客戶端代碼實(shí)例化 WebViewer。我們首先加載一個(gè)附加到命名 HTML <div> 的空查看器，WebViewer 將控制并渲染到該 HTML 中。

接下來，我們?yōu)樗卸x了“SCSFile”和“Transformation”的節(jié)點(diǎn)查詢 ADT，并使用 loadSubtreeFromScsFile() 將它們加載到 WebViewer 中。

將 ADT TWINS 連接到 3D 對(duì)象
加載到 Web Viewer 中的每個(gè)模型都有一個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn) ID。我們可以在加載并存儲(chǔ)在由 ADT Id 索引的地圖中時(shí)捕獲它。

這會(huì)在 WebViewer 和 ADT 中的對(duì)象之間創(chuàng)建綁定。當(dāng) ADT 發(fā)生變化時(shí)，我們使用 ADT Id 查找 WebViewer 節(jié)點(diǎn) Id，然后使用節(jié)點(diǎn) Id 更改 WebViewer 中的 3D 表示。我們使用此綁定來顯示元數(shù)據(jù)并對(duì)事件做出反應(yīng)。

或者，與 3D 查看器中的對(duì)象交互可以通過使用此數(shù)組從 WebViewer 節(jié)點(diǎn) ID 查找關(guān)聯(lián)的 ADT Id 來影響 ADT 圖。例如，

這是在重新定位對(duì)象或更改與 ADT 節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的 3D 模型時(shí)完成的。

標(biāo)記

通常需要在 3D 對(duì)象旁邊顯示靜態(tài)或?qū)崟r(shí)信息。ADT 中的每個(gè)實(shí)體都可以有與之關(guān)聯(lián)的元數(shù)據(jù)。WebViewer 可以通過多種方式將其顯示為文本。一種方法是通過一段標(biāo)記。

在我們的示例中，當(dāng)我們將 3D 模型加載到 WebViewer 中時(shí)，我們還會(huì)創(chuàng)建一段標(biāo)記來顯示其屬性。為了正確放置它，我們考慮了整個(gè) 3d 場(chǎng)景的邊界框。

在我們的 twinMap 中，對(duì) JavaScript 標(biāo)記對(duì)象的引用與 WebViewer 節(jié)點(diǎn) ID 一起保存。為了更新每個(gè)對(duì)象的元數(shù)據(jù)，我們查詢 ADT 圖：

然后在 updateMarkup() 中，我們使用 ADT 孿生 Id 來查找關(guān)聯(lián)的 JavaScript 標(biāo)記對(duì)象并使用從 ADT 解析的正確屬性更新其文本。最后，調(diào)用 markupManager.refreshMarkup() 會(huì)自動(dòng)更新 3d 視圖中的文本。

對(duì)事件的反應(yīng)

另一個(gè)典型的工作流程是對(duì)事件做出反應(yīng)，尤其是單個(gè)節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤狀態(tài)或 ADT 圖中的傳播錯(cuò)誤。我們將事件狀態(tài)視為另一塊元數(shù)據(jù)。我們不將其顯示為文本，而是在錯(cuò)誤狀態(tài)下突出顯示整個(gè)對(duì)象。

我們的 ADT 實(shí)例會(huì)在研磨振動(dòng)超過 300 時(shí)設(shè)置警報(bào)。UI 中的“觸發(fā)”按鈕會(huì)自動(dòng)將 ADT 圖表中的振動(dòng)設(shè)置為 300 以上以進(jìn)行測(cè)試。

在我們的輪詢功能中，我們檢查是否在節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了警報(bào)，然后突出顯示：

hwv.selectionManager.selectNode(object.nodeId);

重新定位對(duì)象

每個(gè)對(duì)象的位置、旋轉(zhuǎn)和大小都存儲(chǔ)為一個(gè) 16 元素的浮點(diǎn)數(shù)組，表示一個(gè) 4x4 變換矩陣 ( //en.wikipedia.org/wiki/Transformation_matrix )。這有助于將每個(gè)對(duì)象放置在 3D 空間中。將變換矩陣留空會(huì)將對(duì)象放置在 3D 場(chǎng)景的中心 (x=0, y=0, z=0)。

我們?yōu)閳D中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。利用幾何手柄如果添加了新對(duì)象或者您想重新定位現(xiàn)有對(duì)象。這些可以在演示中
通過右鍵單擊對(duì)象并從上下文菜單中選擇“顯示句柄”來啟用。完成重新定位后，新矩陣將輸出到控制臺(tái)并可用于更新 ADT 圖。

未來的工作

使 ADT 和 HOOPS 之間的集成對(duì)開發(fā)人員更加友好的幾項(xiàng)舉措：
創(chuàng)作工具– 我們假設(shè) 3D 模型數(shù)據(jù)（名稱、位置和方向）已經(jīng)存在于 ADT 圖中。允許在 3D 場(chǎng)景中創(chuàng)作和編輯此數(shù)據(jù)然后保存到 ADT 圖形的示例代碼和隨附的 UI 將是有益的。
IFC 到 ADTL– IFC 是一種標(biāo)準(zhǔn)的開源建筑和施工文件格式，自然適用于分層對(duì)象組織。IFC 文件通常按建筑領(lǐng)域（建筑、機(jī)械、電氣、管道）、樓層、空間（房間）和對(duì)象進(jìn)行組織。HOOPS Exchange 提供對(duì) IFC 數(shù)據(jù)的 API 訪問，并可以預(yù)填充建筑物的 ADTL 表示。
信號(hào)R– 參考實(shí)現(xiàn)使用 Restful API 在五秒計(jì)時(shí)器上查詢 ADT 圖。獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的首選方式是通過，WebSocket 數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌b器。
對(duì)象實(shí)例化– 將 ADT 中引用的每個(gè) 3D 對(duì)象的實(shí)例加載到 3D 場(chǎng)景中。如果在不同位置多次加載同一個(gè)對(duì)象，這將是低效的。相反，可以對(duì) 3D 對(duì)象的單個(gè)實(shí)例進(jìn)行流式傳輸、加載到內(nèi)存并多次繪制。不使用 loadSubtreeFromScsFile()，而是創(chuàng)建一個(gè)。

關(guān)于HOOPS可視化

Tech Soft 3D的旗艦圖形引擎已為20多年來成功合作的程序提供最先進(jìn)的圖形支持，這些軟件包括來自O(shè)racle，SOLIDWORKS，Trimble，Hexagon，ANSYS，3D Systems，Mitutoyo，Actify等。全球各地的公司都依賴HOOPS Visualize在平臺(tái)，設(shè)備和圖形卡之間實(shí)現(xiàn)極高的性能，和一致的穩(wěn)定性。有興趣探索HOOPS Visualize API功能的開發(fā)人員可以。

關(guān)于Tech Soft 3D

Tech Soft 3D是全球領(lǐng)先的開發(fā)工具提供商，可幫助軟件團(tuán)隊(duì)交付成功的應(yīng)用程序。Tech Soft 3D成立于1996年，總部位于俄勒岡州本德市，并在加利福尼亞州，法國(guó)，英國(guó)和日本設(shè)有辦事處。該公司的工具包產(chǎn)品為全球數(shù)億臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的近500個(gè)獨(dú)特應(yīng)用程序提供支持。

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