赫春曉，呂志慧，邱 天，陳 超

（1. 江蘇省測繪研究所，江蘇南京210013；2. 江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京210013）

0 引言

近年來，隨著Web技術(shù)的發(fā)展，尤其是Web3D技術(shù)的發(fā)展，促使Web 技術(shù)逐漸往三維方向發(fā)展。伴隨著HTML5、WebGL 等規(guī)范的建立和完善，及以谷歌、火狐等為代表的主流瀏覽器對WebGL 規(guī)范的全面支持［1-2］，在Web3D 方面涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的基于WebGL 的三維JavaScript 開源庫，從而使得傳統(tǒng)的依賴于桌面端或是瀏覽器插件式的三維應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)向Web端無插件三維應(yīng)用。但是，受限于瀏覽器本身性能和三維數(shù)據(jù)體量，當(dāng)三維應(yīng)用的數(shù)據(jù)量達(dá)到或超過城市級時，三維模型的渲染效率易受到影響，從而造成用戶的瀏覽體驗較差。因此，本文旨在對應(yīng)用較廣泛的以傾斜攝影三維模型和人工精細(xì)三維模型為代表的表面三維模型為對象，研究城市級表面三維模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化方法，以期用于提升Web 端城市級表面三維模型的渲染效率，增強Web 端大規(guī)模表面三維模型的展示能力。

1 方法的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 方法基礎(chǔ)

細(xì)節(jié)層次（Level of detail，LOD）技術(shù)［3-5］利用幾何體包圍盒計算觀察者與物體的距離，使用戶可以根據(jù)物體模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運算。該技術(shù)是最常用作提升三維模型渲染效率的技術(shù)方法。本文的優(yōu)化方法也是依據(jù)LOD技術(shù)思路構(gòu)建并優(yōu)化表面三維模型的層次細(xì)節(jié)，從而達(dá)到提升城市級表面三維模型渲染效率的目的。

1.2 模型特點

本文研究對象為應(yīng)用較廣泛的傾斜攝影三維模型和人工精細(xì)三維模型。傾斜攝影三維模型多是通過專業(yè)的三維軟件生產(chǎn)得到的，數(shù)據(jù)普遍由算法對航拍傾斜攝影數(shù)據(jù)自動計算生成，數(shù)據(jù)體量大，表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)本身內(nèi)置了LOD。模型紋理經(jīng)過了軟件的壓縮和優(yōu)化。

人工精細(xì)三維模型廣泛來源于傳統(tǒng)C/S 三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，由人工利用3dsmax 等建模軟件創(chuàng)建的三維模型。該類模型表面幾何細(xì)節(jié)相對有限，模型三角面數(shù)量普遍較少，總體的數(shù)據(jù)體量相對較小。為在表面幾何細(xì)節(jié)有限的情況下盡可能提高視覺效果，數(shù)據(jù)可能大量使用高分辨率紋理，甚至可以占數(shù)據(jù)總?cè)萘康?0%以上，會極大制約渲染效率。

由于兩種模型在模型特點上不同，因此盡管兩種模型結(jié)構(gòu)相似，但是處理方法不同，傾斜模型LOD的優(yōu)化重點在于模型幾何壓縮，而人工精細(xì)三維模型LOD的優(yōu)化除幾何壓縮之外，更重要的優(yōu)化體現(xiàn)在模型的紋理壓縮方面。

1.3 三維模型優(yōu)化方法

1.3.1 傾斜攝影三維模型優(yōu)化方法

傾斜攝影三維模型通常是由軟件按照LOD 的要求創(chuàng)建的，模型本身是按照LOD進行組織的，但是這種內(nèi)置的細(xì)節(jié)層次模型主要面向桌面環(huán)境，對于Web應(yīng)用存在粗細(xì)節(jié)層次模型層級不足的問題，遠(yuǎn)景瀏覽時加載速度慢，對城市級數(shù)據(jù)影響尤為嚴(yán)重。因此，針對現(xiàn)有層次細(xì)節(jié)不足的問題，本文擬通過在原有細(xì)節(jié)層次的基礎(chǔ)上，通過添加更粗粒度的層次細(xì)節(jié)，從而提升遠(yuǎn)景瀏覽顯示效率。

本文采用了頂層節(jié)點合并壓縮的方式構(gòu)建粗粒度的層次細(xì)節(jié)。方法根據(jù)傾斜模型分塊生產(chǎn)的特性，將模型按照行列索引進行重排列構(gòu)建以0行0列為原點的行列索引模型矩陣，將N*N的子矩陣從原點開始間隔N進行移動，與模型矩陣套合，將子矩陣內(nèi)涉及的模型進行合并，從而擴展得到上一級的細(xì)節(jié)層次，循環(huán)執(zhí)行該過程直到頂層的數(shù)據(jù)量小于設(shè)置的閾值為止。

合并后的模型壓縮方法通常可通過常規(guī)的模型簡化方法進行。傾斜模型原始最粗一級實際上細(xì)節(jié)已經(jīng)較少，再往上簡化，模型的細(xì)節(jié)完全可以忽略，只需保留外輪廓及紋理即可滿足視覺上的可視化效果，因此，可通過構(gòu)建模型三維凸包［6］的方式替代模型簡化，一方面可以減少模型簡化迭代計算的工作量，另一方面，可以極大地減少模型的數(shù)據(jù)量。

合并后模型的紋理壓縮方法通過紋理烘焙進行，利用紋理烘焙對合并后的模型紋理進行壓縮，將新生成的紋理作為模型三維凸包的紋理，進行紋理映射得到最終的簡化模型。處理的邏輯及成果如圖1所示。

1.3.2 人工精細(xì)三維模型優(yōu)化方法

人工精細(xì)模型由于本身不具備層次細(xì)節(jié)，因此優(yōu)化方法主要是構(gòu)建人工精細(xì)模型的層次細(xì)節(jié)。最精細(xì)級為原始模型，為加快渲染效率，本文對原始模型進行拆分處理，在保留原始細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，得到多個小塊模型，從而解決單個模型數(shù)據(jù)量大加載慢的問題。本文采用基于紋理的模型拆分方法進行：首先讀取模型的原始紋理目錄，然后以紋理為單元劃分不同的紋理單元，對模型按照劃分出的紋理單元處理，將共用同一紋理單元的部分拆分出來，進而得到不同紋理單元的多個子塊，實現(xiàn)大尺寸模型的拆分，如圖2所示。

圖1 傾斜攝影三維模型優(yōu)化處理示意

圖2 基于紋理的模型拆分示意

中景的多級粗細(xì)節(jié)層次模型處理，一方面按照固定壓縮比對粗細(xì)節(jié)層次模型的三角面幾何進行壓縮；一方面使用烘焙技術(shù)將模型紋理替換為低分辨率單一紋理。

遠(yuǎn)景的多級粗細(xì)節(jié)層次模型，對于城市級數(shù)據(jù)而言，需顧及大范圍的模型合并壓縮。本文主要以模型文件為單元，將一個模型文件內(nèi)的全部模型進行合并，對合并后的模型構(gòu)建三維凸包，區(qū)塊紋理合并后進行紋理烘焙壓縮區(qū)塊紋理，生成遠(yuǎn)景的多級細(xì)節(jié)層次模型。處理流程示意圖如圖3所示。

2 實驗驗證

選取約50 km2的某市傾斜攝影三維模型和約110 km2的某市人工精細(xì)三維模型為對象，利用提出的模型優(yōu)化方法構(gòu)建面向Web 端城市級LOD 模型，驗證方法的可行性。

圖4 為傾斜攝影三維模型，其中圖4a 為遠(yuǎn)景全貌，通過模型頂層向上合并，并經(jīng)過紋理烘焙減小遠(yuǎn)景節(jié)點的數(shù)據(jù)量，從而提升加載速度。圖4b 和圖4c為中景和近景模型原LOD的顯示效果。

圖5 為人工精細(xì)三維模型，其中圖5a 和圖5b 為遠(yuǎn)景全貌和中景，通過區(qū)塊模型合并壓縮和紋理合并壓縮生成粗細(xì)節(jié)模型。圖5c中離視角近的為原始模型經(jīng)過拆分后的模型，通過模型拆分方式達(dá)到不影響顯示效果的情況下，減少單個模型的數(shù)據(jù)量從而提升加載速度；離視角遠(yuǎn)的為單個模型經(jīng)過模型簡化和紋理烘焙生成的較低分辨率模型。

從實驗結(jié)果可以看出，本文提出的方法可以較好地適應(yīng)城市級大范圍表面三維模型的渲染，構(gòu)建的模型LOD能夠提升Web環(huán)境下城市級表面三維模型的加載渲染效率，提升用戶體驗。

3 結(jié)語

本文在傾斜攝影三維模型優(yōu)化方面，依據(jù)三維模型數(shù)據(jù)特點，基于LOD技術(shù)，通過對現(xiàn)有最粗節(jié)點的合并構(gòu)建三維凸包，并利用紋理烘焙方法壓縮模型紋理的方法，構(gòu)建了面向Web 端城市級大范圍數(shù)據(jù)的多級層次細(xì)節(jié)，解決模型的原始LOD 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下層級不足，加載過慢影響渲染效率的問題。在人工精細(xì)模型優(yōu)化方面，通過對原始模型基于共用紋理單元進行拆分，在不影響原始模型精細(xì)程度的基礎(chǔ)上，解決了模型過大加載緩慢的問題。通過模型幾何壓縮，以模型文件為單元的區(qū)塊模型合并構(gòu)建三維凸包的方式構(gòu)建中景至遠(yuǎn)景的層次細(xì)節(jié)，并結(jié)合紋理烘焙方法對原紋理進行壓縮，大大減少了模型紋理的數(shù)據(jù)量，構(gòu)建了面向Web 端城市級人工精細(xì)模型的多級層次細(xì)節(jié)。此外，以城市級別的兩類三維模型為對象，驗證了方法的可行性，為Web端城市級的表面三維模型高效渲染提供方法參照，具有較強實用性。

圖3 人工精細(xì)模型LOD構(gòu)建示意

圖4 城市級傾斜攝影三維模型效果

圖5 城市級人工精細(xì)三維模型效果