基于WebGL的BIM模型轻量化解决方案.pdf

年 月上第 卷 第 期施工技术（中英文）：基于 的 模型轻量化解决方案李大平，田 华，肖子沐（中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙）摘要 施工现场由于软硬件资源受限，应用远落后于设计和运维等阶段。为解决 模型原始数据量大、数据交换难、渲染浏览慢等问题，在提取数据时进行拆分与压缩，在几何转换时采用降低几何数据大小的方式，进行渲染处理时，综合运用数据动态调用、多重层次细节、剔除算法及批量绘制等技术，降低资源消耗量、提升渲染效率，该 模型轻量化解决方案为施工阶段 应用提供图形引擎基础。关键词 建筑信息模型；轻量化；数据转换；渲染引擎中图分类号；文献标识码 文章编号（），（，）：，：（）；中 建 股 份 重 大 课 题（）；中 建 五 局 重 大 课 题（）作者简介 李大平，博士研究生，研究员，：收稿日期 引言 理论上可实现建筑全生命周期各阶段、各参与方的协同应用，目前大部分应用局限在设计和展示方面，在施工中无法发挥 的真正价值。如何挖掘 模型数据潜力，将其运用到项目设计、施工、运维各管理环节中，让更多工程建设从业人员使用 模型提高工作质量和效率，是亟待解决的问题。导致上述问题的原因如下：模型构建和运用需要专业的 软件，安装配置方法、操作过程复杂，需要经过系统学习才可完成；现代建筑的 模型包含信息和关系过于庞杂，文件通常很大，查看和编辑需要高性能计算机，软硬件成本高；不同阶段使用的 软件不同，即使同一阶段，不同单位和个人所用软件也不同，导致项目各阶段、各参与方的 数据无法有效传递，存在数据孤岛和数据交换难题，同时，碰撞检测、传输、显示等应用的格式多样，存在无法兼容、性能下降等问题。模型轻量化技术是解决以上问题的关键。秦川等对 模型轻量化技术在高速公路建设管理系统中的应用进行了研究。张晗玥等对基于 的 模型可视化法进行研究，开发通过 架构的建筑信息模型可视化测试软件，验证 在 模型轻量化渲染方面的可行性。赵菲研究和实现了基于 的古建筑 模型轻量化技术。王坭等提出基于 的轨道交通 模型轻量化应用方案。王传鹏等对基于 的大型 模型实时渲染系统进行了研究。韩成设计和实现了基于 的三维可视化系统，探讨在 环境下模型的加载、渲染性能优 施工技术（中英文）第 卷化方法。鲍英基等研究了基于 的预制梁场 模型轻量化应用。彭琛等研究了建筑 模型轻量化技术在运维阶段的应用。杜政等基于 和 研究了 模型轻量化在水利工程中的应用。刘惊灏等基于 扩展模型，研究了铁路运维阶段的 属性和可视化技术集成方法。刘北胜研究了基于云渲染的三维 模型可视化技术。林天扬等对基于 的可视化消防管理平台进行了研究。现有 模型轻量化技术在格式支持数量、文件大小、渲染效果上存在一定缺陷，大都停留在单项技术研究阶段，无法满足大型建筑 模型的高性能、高质量展示需求。整体流程 本文提出的 模型轻量化解决方案，首先将不同 建 模 软 件（如 ，等）产生的模型文件，在保证信息不损失（工程精度和属性）的前提下进行解构，然后使用压缩处理技术将其转换为体量较小的可在计算机端和移动端浏览的轻量化格式（中间文件）。最后基于 前端图形框架读取该中间文件，对 模型和数据进行展示、操作及交互，并通过 接口整合管理系统，使 数据快速传输到项目生产管理过程中，丰富 应用。由于原始 模型体量巨大，难以脱离建模软件单独使用，本系统通过轻量化引擎去除 模型中冗余的点面，缩小模型文件数倍，再结合 中的 技术，使 模型在 系统中进行展示。模型轻量化解决方案整体流程如下：建模软件进行解析与转换数据轻量化轻量化渲染业务应用。模型解析与转换 模型主要由几何数据与非几何数据组成。模型解析与转换过程是将与某个文件格式绑定的数据，通过 建模软件提供的（应用程序接口），利用二次开发数据转换软件进行解析和提取，拆分几何数据和非几何数据，剥离出模型对象层级结构、几何数据、对象属性、材质数据的过程。首先，获取 模型中的对象层级结构，按照树形结构、唯一数据编码统一标准，组织生成结构树数据。其次，获取 模型中的几何实体数据，通过离散化算法采集实体中的部分关键数据，在保证整体外观不变的情况下，得到几何数据，生成自定义的三维数据，并关联结构树数据。最后，获取 模型中的非几何数据（包括属性数据、材质数据等），选取需要的数据并关联结构树数据。解析转换过程涉及不同的 建模软件数据格式，部分格式已有结构树数据（如），部分本身没有结构树数据（如，）。对于已有结构树数据的格式，精简部分非 数据相关结构，并保持和元数据的统一；对于没有结构树数据的格式，应根据模型结构或业务结构进行组织并生成结构树，按照统一的结构树标准，使不同来源的数据转换后保持一致。模型数据轻量化 模型中的非几何数据中，纹理数据占比最大。从几何数据、纹理数据和其他数据方面描述对应的 模型轻量化方法。几何数据轻量化 几何数据包括二维、三维图形，轻量化技术难度较高，模型轻量化主要针对几何数据。几何转换优化过程是将 模型转换为轻量化模型的过程，几何信息轻量化仅进行存储优化和传输优化，降低几何数据的大小和渲染计算量，从而提高 模型加载和渲染速度。处理方法如下：微观角度可进行参数化几何描述和三角化几何描述，以减少三维几何数据；宏观角度可使用实例化图元进行描述（构件重用），通过减少图元数量及压缩数据，减少三维几何数据。微观层面处理 参数化几何描述是用多个参数描述一个几何体（立体图元），如绘制一个球体模型可用 个参数进行表达，参数 为球原点坐标（，），参数 为球半径，如图 所示。使用 个数值即可完成球体描绘，参数化几何描述可将单个图元做到极致的轻量化。该方法保留三维模型的几何、拓扑数据，通过这种方式获取的轻量化模型可进行再次加工。但由于各平台实体模型格式不同，读写成本和难度高，进行参数化几何描述的模型最终显示在屏幕上，渲 染 时 转 换 成 由 三 角 面 构 成 的 网 格 模 型（）。三角化几何描述是用多个三角形描述一个几何体，几何体由多边形（平面或曲面）拼接而成，而多边形实际上由多个三角形拼接而成，即现代计算机图形处理的基础。三维模型表面由多个彼此相连的三角面构成，三维空间中构成三角形点和边的集合是（模型网格）。在屏幕上看到的任意三维模型，都是由多个三角形拼接而成，如图 所示。一个模型构成的三角形数量越多看上去越精细，反之越粗糙，即 （）的基本原 李大平等：基于 的 模型轻量化解决方案 图 几何描述种类 理。以球体为例，用 个三角形拼接成球面，值越大球体越光滑，值越小球体棱角越明显，值与模型体量成正比关系，模型越精细，其三角面片含量越高。随着 增大，模型精细度越来越高。三角化几何描述是将实体模型离散为三角面片构成的网格模型，只需保存三角面片的点和三角序列即可。使用三角网简化功能，可删除模型中多余或重叠的点和面，简化三维模型的三角面片数。保存三角面片的轻量化技术不存在不同平台数据格式不一的情况，但对于存在大量曲面的模型，三角化几何描述数据比参数化几何描述数据大很多。在轻量化效果上，参数化几何描述比三角化几何描述更好，且后期灵活度更高。参数化几何描述在渲染时需解析实体模型的原始几何信息，然后转化为离散网格，这个过程需要 或 等实体建模引擎（几何造型算法库）的支撑，技术难度较大，离散过程中需进行大量计算，实时性差。三角形几何描述只需将设计模型转换为三角形数据保存即可，主流的设计软件一般提供相关的（二次开发接口）或，以获取三角形数据。模型轻量化不仅需要模型几何数据偏小，还需考虑进行三维渲染时，客户端计算机 计算所需的时间。目前市面上的轻量化产品基本均使用三角化描述进行几何转换，在牺牲一点数据大小的基础上，大大降低客户端渲染时的 计算时间，提高渲染速率。综上，对于简单几何体，可使用参数化几何描述进行存储和传输，渲染时通过简单算法即可离散成网格数据；对于复杂几何体，可直接使用三角化几何描述进行解析和传输，同时可以通过网格简化算法控制数据量大小。宏观层面处理 通过合并实例化图元描述的多个相同构件，减少图元数量与绘制时的 数量，达到轻量化目的。体量巨大的 模型通常包含大量相同构件实例（又称图元），只在位置和角度上存在不同。可借助相似匹配算法比较多个构件是否能通过旋转、平移和镜像等方式匹配，如果匹配成功，则认定为相同构件，将这些相同构件仅保留单个构件的几何数据，添加每次引用的序号、旋转角度与空间坐标。使用实例化图元描述可大大减少渲染几何体的数量，轻量化效果非常明显。实例化技术如图 所示。图 实例化技术 数据压缩可大大降低数据量，从而减少网络传输时间，尤其对于 和几何数据，算法可达到几倍的压缩率。另外，是 开源的 图形压缩库，用于压缩和解压缩 几何网格（）和点云（）。其支持压缩顶点、法线、纹理坐标、颜色信息、正常量及与几何形状有关的任何一般属性。使用 可显著缩小 图形文件大小，且不影响视觉逼真度，从而提高在 上传输 内容的效率和速度。纹理数据轻量化 纹理数据主要包括二维表面贴图和 环境贴图。二维表面贴图根据用户需求不同分为漫反射贴图、高光贴图、法向贴图、凹凸贴图等。对纹理数据进行轻量化时，在满足要求的情况下尽量使用分辨率低的贴图尺寸，并合并不同类型的贴图通道，如高光贴图只需 个通道，法向贴图等只需 个单通道信息，可将其合并成贴图，还可采用压缩格式进行存储，如，等。为加快贴图处理速度，开发基于 的压缩算法自动图片处理工具，优化 的量化采样表格，达到非常接近 的压缩效果，同时自动处理速度比 动作脚本提高 倍以上，且可部署在服务器上，根据用户请求自动执行。其他数据轻量化 其他非几何数据是指与属性数据、建模相关的其他数据，包括纹理图片、材质信息、属性信息及软 施工技术（中英文）第 卷件特有的附加信息等，其轻量化方法较简单，按需提取、压缩、存储为 文件或 文件，并采用 进行压缩即可。模型轻量化渲染 对 模型进行轻量化处理后，需通过渲染引擎对模型进行还原显示，为实现流畅的实时渲染，绘制帧数（）需。然而部分大体量的 模型在进行数据轻量化后仍有较庞大的数据量，不管是从数据传输还是数据加载方面都对客户端的硬件条件（网络带宽、内存及显存等）要求严苛。由此可见，轻量化渲染引擎对 模型处理的难点在于对模型数据有效规划的实现方式上，从而解决在有限硬件条件下对轻量化模型的高效渲染。近年来随着 技术日益成熟，多种 引擎（如）被广泛运用。本项目主要通过解析模型文件，在 框架中利用剔除算法、多重、批量绘制、数据动态调整等技术提升渲染流畅度，优化和加速模型在浏览器端的渲染速度，最终实现轻量化模型的渲染展示。数据传输 渲染引擎要实现在客户端绘制模型，首先必须获取相应模型的三维数据，然而受制于有限网络带宽，对于城市规划、铁路基建等 模型，以 为单位数量级的数据，传输速度远不能达到实时渲染要求。因此，本文设计如图 所示动态多级缓存策略，综合运用流式传输、缓存、内容分发网络等技术优化数据调用流程，提升调用效率，使大模型即时绘制成为可能。图 动态多级缓存策略 模型渲染 轻量化渲染引擎在获取模型三维数据后，调用客户端的，资源对数据进行解析处理，并最终呈现渲染完成的模型。然而 大模型三角面片数量以亿为单位，普通的终端设备无法承受如此巨大的内存开销，如不对渲染处理进行优化，易造成客户端卡顿甚至崩溃。对此，轻量化渲染引擎从以下方面进行优化处理：微观角度采用层次细节（）技术加速单图元渲染速度；宏观角度使用剔除算法（）减少非必要渲染图元，运用批次绘制技术降低资源消耗，提升渲染流畅度。按照人眼观察的特点，距离视点越远的几何体在显示屏上的投影面积越小，细节可见程度大大降低。技术便是以此为基础，充分还原近处几何体的绘制细节，而大幅度简化远处几何体，只绘制较粗糙的基础轮廓。其计算方法为单次渲染体量图元数量 的图元精度，视点远近决定图元数量多少。由于单次渲染总体量不变，所以使用 技术可将内存等资源消耗始终保持在可控范围，有效降低硬件负载，确保无论是在大场景还是局部场景都能流畅渲染模型，并且通过类似人眼观察的效果，保证人眼对模型感知的一致性，提升模型浏览拟真度。技术是对场景可视部分进行优化，而剔除算法是筛选出对最终图像没有贡献的场景部分，即不可见部分，以减少不必要的绘制。常用方式有视锥体剔除（）、遮挡剔除（）、背面剔除（）等，如图 所示。视锥体剔除可在不影响渲染效果的前提下大幅度减少渲染开销，是剔除技术最有效的手段之一，主要根据摄像机的视野（）以及远近裁剪面的距离，将视锥范围外的部分排除渲染。遮挡剔除主要是剔除被其他更靠近视点的物体所遮挡的全部或部分内容，在渲染密集程度很高的模型中有不错的优化效果。背面剔除更直观，即剔除背向视点的图元。综上所述，剔除本质是消耗一定程度的计算，以减少渲染所需资源，但应注意需根据不同场景选择合适的剔除算法。图 剔除算法方式 批量绘制（）是在渲染阶段优化 李大平等：基于 的 模型轻量化解决方案 绘制接口。在 中每调用一次绘制接口均有一定量的资源消耗，可保证网络数据符合安全规范。因此，绘制 个三角面片，调用 次绘制接口去渲染一个三角面片的速度，远低于调用一次接口一次性绘制 个三角面片。为避免冗余的接口调用，轻量化渲染引擎进行批处理，将具有相同状态（如相同材质等）的几何体合并到一次绘制调用中，即批量绘制。业务应用 基于 的 模型轻量化解决方案，开发 模型轻量化中间件，和本文产品对比如表 所示。该中间件成功应用于某公司的 模型协同管理平台、数字样板平台，验证 模型轻量化方法的有效性。模型轻量化中间件系统架构如图 所示。表 模型轻量化中间件参数对比 主要技术指标目前主流产品本文产品可承载的模型体量数据大小 构件数量个 面片数量片 三维渲染帧数（）访问响应速度（）支持格式数量 个图 轻量化中间件架构 结语 本文提出基于 的 模型轻量化解决方案，解决格式众多、数据量大、软硬件门槛高、数据无法流通等问题，促进 技术在建筑设计、施工和运维全生命周期中的落地，且开发 模型轻量化中间件及多个上层应用程序，验证该解决方案的有效性。模型轻量化是跨学科的复杂系统集成技术，现存在以下可优化空间：采用全新的渲染架构和由 驱动的渲染管线，只负责资源加载等偶发性任务；使用渐进式传输技术，优化首屏显示时间，提高用户体验感。参考文献：钟诚 在建设项目实施阶段的轻量化应用探析工程造价管理，（）：，（）：秦川，朱明，赵见，等高速公路建设管理系统中的 模型轻量化研究测绘与空间地理信息，（）：，（）：张晗玥 基于 的 模型可视化方法研究西安：西安建筑科技大学，：，冯雨晴，奚雪峰，崔志明基于 的 模型轻量化研究苏州科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：刘洋 基于 的 模型轻量化展示应用研究 太原：中北大学，：，晁阳，牛志伟，齐慧君基于 的 模型可视化研究水电能源科学，（）：，（）：赵菲 基于 的古建筑 模型轻量化研究与实现西安：西安建筑科技大学，：，王坭，王淑营，曾文驱基于 的轨道交通 模型轻量化应用方案铁路计算机应用，（）：，（）：王传鹏 基于 的建筑大模型实时显示系统设计与实现 广州：华南理工大学，：，王瑞 基于 的 大模型轻量化渲染优化研究武汉：华中科技大学，施工技术（中英文）第 卷 ：，孙源，王国光，赵杏英，等 模型轻量化技术研究与实现人民长江，（）：，（）：韩成 基于 的三维建筑模型可视化系统的设计与实现 南京：东南大学，：，鲍英基，刘俊，邓庆奥基于 的预制梁场 模型轻量化应用研究工程建设与设计，（）：，（）：，彭琛，朱永磊，窦强，等面向运维的建筑 模型轻量化技术及实践研究建筑科技，（）：，（）：杜政，王海俊，谈震，等基于 与 的水利工程 模型轻量化应用研究中国农村水利水电，（）：，（）：刘惊灏，苏谦，陈俊杰，等基于 扩展模型的铁路运维可视化研究铁道科学与工程学报，（）：，（）：刘北胜基于云渲染的三维 模型可视化技术研究北京交通大学学报，（）：，（）：林天扬，王佳，周小平基于 的可视化消防管理平台研究建筑科学，（）：，（）：（上接第 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