譚平玉， 戴劍軍， 廖 飛， 傅 達(dá)

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和數(shù)字孿生概念興起，三維GIS+BIM技術(shù)構(gòu)建可視化平臺(tái)應(yīng)用越來越廣泛，特別是隨著國家的大力推廣，相當(dāng)一部分設(shè)計(jì)院、施工單位都采用了BIM技術(shù)，使得大量構(gòu)建三維可視化場景成為可能。

由于BIM設(shè)計(jì)需要出施工圖指導(dǎo)實(shí)際施工，因而包括大量細(xì)節(jié)，一個(gè)普通機(jī)柜BIM模型可能上百M(fèi)，而大型建筑物更是可以達(dá)到幾G、甚至幾十G；在B/S架構(gòu)下這種量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸和渲染是困難的，在輕量化技術(shù)發(fā)展起來之前，集成三維場景的系統(tǒng)多采用C/S架構(gòu)，受數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)傳輸成本等因素限制，三維應(yīng)用僅在小范圍內(nèi)開展。因此采用適宜技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維模型、場景輕量化是有必要的。三維模型輕量化一般是在保證模型高仿真度的前提下對(duì)高精度BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮、細(xì)節(jié)簡化等處理，實(shí)現(xiàn)三維模型存儲(chǔ)、傳輸數(shù)據(jù)量降低。當(dāng)前主要的輕量化技術(shù)主要圍繞Instancing(模型復(fù)用)[1]、Compression(壓縮)[2]、LOD(多細(xì)節(jié)層次)[3]和Parameterization(參數(shù)化)[4]4個(gè)圖形學(xué)技術(shù)方向展開。

1 模型輕量化研究現(xiàn)狀

BIM是通過建立虛擬建筑、設(shè)備的三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的建筑、設(shè)備信息庫[5]。當(dāng)前主流三維建模方式包括激光點(diǎn)云、傾斜攝影、人工設(shè)計(jì)建模等多種方式，由于不同方式的三維模型適用于不同應(yīng)用場景，其輕量化處理也各不相同，本文主要研究設(shè)計(jì)模型輕量化處理。Revit、Bentley等平臺(tái)設(shè)計(jì)的三維模型信息包括一系列頂點(diǎn)信息和紋理信息，頂點(diǎn)信息主要包括x、y、z坐標(biāo)值和拓?fù)潢P(guān)系，一般以浮點(diǎn)型格式存儲(chǔ)；紋理信息包括紋理坐標(biāo)UV以及可能的RGBA 4個(gè)通道顏色信息。模型數(shù)據(jù)在團(tuán)隊(duì)之間的傳輸成本很高，傳輸方式也很有限，而大部分模型應(yīng)用場景并不需要BIM的完整信息，因此針對(duì)適宜場景進(jìn)行合適的輕量化處理得到專業(yè)人員廣泛認(rèn)同。

在三維模型輕量化研究過程中，人們嘗試了多種處理方式，如通過基于構(gòu)件幾何復(fù)用的模型加載方法、場景可視空間的矩陣變換[6]等手段來優(yōu)化三維模型展示效果。朱慧娟等[7]研究出一種基于自私羊群智能優(yōu)化的三維模型輕量化方法3DL-SHO，以實(shí)現(xiàn)三維模型輕量化在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與快速加載之間的平衡。此外，一些研究人員[8-9]根據(jù)具體應(yīng)用場景特征進(jìn)行了針對(duì)性的三維模型輕量化處理。

本文結(jié)合湖南省取消高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目(下稱“取站項(xiàng)目”)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，討論在高速公路場景中對(duì)路網(wǎng)及機(jī)電三維模型輕量化處理的技術(shù)，通過研究公路BIM和機(jī)電BIM使用需求及本身特點(diǎn)，對(duì)比不同輕量化處理方法的效率，探究適用于高速公路及附屬設(shè)備三維模型輕量化處理方案。

2 模型輕量化

2.1 模型簡化及壓縮

模型壓縮主要分為與幾何無關(guān)和幾何相關(guān)2種，前者主要代表是采用gzip格式進(jìn)行文件壓縮，后者主要代表有Draco庫、Open3DGC庫等。Draco庫、Open3DGC庫針對(duì)幾何信息壓縮進(jìn)行了優(yōu)化，只需在載入到GPU前將數(shù)據(jù)解壓，從目前計(jì)算機(jī)性能來看，解壓所需計(jì)算開銷完全可以接受，因此壓縮(Compression)是當(dāng)前實(shí)用價(jià)值最高的一種方法。

在取站項(xiàng)目中模型輕量化處理主要包括對(duì)模型構(gòu)件、模型面和頂點(diǎn)精簡等處理。在構(gòu)件精簡處理中,通過對(duì)道路BIM模型的行車道和路肩結(jié)構(gòu)合并，再采用紋理貼圖的方式來進(jìn)行路面展示；對(duì)于機(jī)電BIM模型，則將實(shí)際應(yīng)用中價(jià)值不大的細(xì)節(jié)進(jìn)行刪除，如原始門架模型中精確展示的連接螺絲、螺絲孔、螺帽形狀等，該類細(xì)節(jié)構(gòu)件幾何數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，但使用價(jià)值卻很有限，對(duì)安裝維護(hù)的指導(dǎo)作用也不如使用型號(hào)屬性直觀，因此可以直接刪除連接螺絲對(duì)象，將螺絲型號(hào)作為屬性附加到連接桿或支架上。經(jīng)過構(gòu)件精簡的門架如圖1所示，幾乎保留了原始外觀信息，但數(shù)據(jù)量卻降低了近35%。

圖1 精簡處理后的門架模型

BIM模型輸出文件一般都是以三角面的方式存儲(chǔ)模型形狀，而特殊形狀(如孔洞、曲面等異形面)需要大量細(xì)碎三角面來擬合，因此局部形狀細(xì)節(jié)保留精度直接決定整體模型數(shù)據(jù)體量。針對(duì)這一情況進(jìn)行復(fù)雜模型的面精簡、定點(diǎn)精簡很有必要，需要說明的是模型面精簡過量將產(chǎn)生模型變形，因此根據(jù)模型具體情況調(diào)整精簡顆粒度非常重要，在取站項(xiàng)目中，通過對(duì)復(fù)雜形狀-簡單形狀分割簡化獲得了較好的效果。

2.2 多細(xì)節(jié)層次策略

多細(xì)節(jié)層次(Level-of-Detail，簡稱LOD)是一種渲染加速技術(shù)，主要是將遠(yuǎn)離相機(jī)的模型細(xì)節(jié)呈現(xiàn)更粗糙一些，以達(dá)到當(dāng)前幀的vertex數(shù)量降低。而在超圖、cesium等大型三維GIS場景下不僅可以忽略模型細(xì)節(jié)，更可以將模型分層管理，實(shí)現(xiàn)模型類型上的多細(xì)節(jié)層次渲染。

在取站項(xiàng)目中,三維模型既包括大區(qū)域成帶狀分布的高速路網(wǎng)，也包括分散布設(shè)的門架、情報(bào)板、控制柜等大量機(jī)電BIM。不同類型的BIM模型作用于不同使用場景，在省、市級(jí)視圖主要展示路網(wǎng)情況和門架等設(shè)備分布，此時(shí)情報(bào)板、攝像頭等設(shè)備的形狀信息完全可以忽略，門架也只需概要顯示輪廓即可；在路段級(jí)視圖則需要展示路段公路模型、門架模型及控制柜等主要設(shè)備外殼；在具體門架點(diǎn)則需查看門架及門架上的全部設(shè)備，以及可能查看控制柜內(nèi)部機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)應(yīng)用需要制定了視角位置高于150 km、20～150 km之間、低于20 km這3種展示場景，并根據(jù)不同場景需要定制發(fā)布BIM模型。

由于用戶操作過程中視角位置變化相當(dāng)頻繁，為避免無效的場景切換導(dǎo)致資源浪費(fèi)，需對(duì)用戶視角改變意圖進(jìn)行檢查。例如視域持續(xù)大范圍變化則可以延遲場景切換頻率，而一旦視域穩(wěn)定下來，相機(jī)近面(near)基本不變則馬上更新中心視域內(nèi)的數(shù)據(jù)。此外值得注意的是模型分層及分塊達(dá)到一定程度后進(jìn)一步劃分會(huì)產(chǎn)生反作用，因此在實(shí)際分層設(shè)置時(shí)需結(jié)合模型具體情況進(jìn)行確定。取站項(xiàng)目模型分層如表1所示。

表1 三維模型分層策略表場景名稱視角高度/km模型圖層省市級(jí)場景>150公路模型、門架標(biāo)記等路段場景20～150公路模型、路面標(biāo)識(shí)紋理、門架模型、機(jī)柜、大型情報(bào)板等定點(diǎn)場景<20公路模型、路面標(biāo)識(shí)紋理、門架模型、攝像頭、補(bǔ)光燈、車輛檢測器、戶外綜合機(jī)柜、ETC天線等設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部場景<0.1機(jī)柜模型、供電設(shè)備、硬盤、交換機(jī)等(輕量化后匯總發(fā)布)

2.3 模型復(fù)用渲染

模型復(fù)用主要是針對(duì)場景中大量幾何信息一樣僅位置及其他屬性信息存在差異的模型，通過只傳輸一份幾何數(shù)據(jù)，在渲染管線中多次繪制，依靠不同的角度和紋理信息實(shí)現(xiàn)在同一幀中呈現(xiàn)多個(gè)類似模型的渲染效果。WebGL 1.0中可以通過使用ANGLE_instance_arrays擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)，從而大量節(jié)約GPU的內(nèi)存開銷和計(jì)算開銷。

取站項(xiàng)目中，機(jī)電BIM在整個(gè)模型數(shù)量上占了絕大部分，而這些設(shè)備大多為批量生產(chǎn)，所以不同門架上的設(shè)備模型其實(shí)有相當(dāng)一部分可以復(fù)用，部分設(shè)備甚至可以在單個(gè)門架上多次使用，如攝像頭等。對(duì)于這一類可充分復(fù)用模型，加載一個(gè)模型后采用克隆功能，通過JSON數(shù)據(jù)獲取模型位置、形態(tài)等信息進(jìn)行調(diào)整。模型克隆的使用可以極大降低模型數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，進(jìn)而提升模型加載速度。

2.4 非幾何屬性數(shù)據(jù)分離

BIM模型一般包含了與構(gòu)件相關(guān)的幾何信息和其他重要信息，在模型構(gòu)建階段為了便于查看、傳遞，常常會(huì)將信息以三維標(biāo)注或模型屬性的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，如部件尺寸、型號(hào)、特殊工藝等。這些信息在實(shí)際使用中并不會(huì)每次都被查看，因此將屬性信息分離存儲(chǔ)到關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通過規(guī)范模型編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在平臺(tái)上開發(fā)屬性查詢功能，個(gè)性化定制信息展示窗口。對(duì)于螺絲、接線口等復(fù)雜小構(gòu)件也可以通過概化外殼形狀，以型號(hào)、尺寸、材質(zhì)等屬性來明確物體實(shí)際信息。通過對(duì)場景內(nèi)大量屬性數(shù)據(jù)分離處理能夠進(jìn)一步減少模型數(shù)據(jù)體量，使加載速度和渲染效果得到提升。

ETC門架設(shè)備類型較多，為保證屬性信息關(guān)聯(lián)正確性和查詢效率，定義了模型編碼規(guī)則。模型編碼由4位門架序號(hào)、2位設(shè)備類型、3位模型序號(hào)組成，如圖2所示。

圖2 模型編碼結(jié)構(gòu)圖

2.5 模型輕量化效果

模型輕量化處理主要就是通過降低細(xì)節(jié)精度來降低模型數(shù)據(jù)體量，從而實(shí)現(xiàn)加載、渲染的優(yōu)化，而過度輕量化會(huì)喪失三維模型的使用價(jià)值，因此對(duì)輕量化處理結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定是必不可少的。

一些研員人員建立了從場景效果、表達(dá)精細(xì)度和位置精度3個(gè)因素對(duì)輕量化處理結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定的體系[10]。在網(wǎng)絡(luò)條件相同時(shí)，模型數(shù)據(jù)大小直接影響加載速度，在取站項(xiàng)目中增加了場景模型文件存儲(chǔ)空間的指標(biāo)。根據(jù)設(shè)定質(zhì)量評(píng)定體系，以ETC門架監(jiān)控管理平臺(tái)為依托，運(yùn)行場景加載、圖層管理、查找定位、模型量算、屬性查看等功能進(jìn)行輕量化效果評(píng)定。ETC門架監(jiān)控管理平臺(tái)采用超圖iserver發(fā)布模型數(shù)據(jù)服務(wù)，單體模型采用obj格式，前端渲染采用Cesium引擎，具體技術(shù)框架如圖3所示。

圖3 ETC門架監(jiān)控管理平臺(tái)技術(shù)框架圖

在取消高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目中，通過對(duì)高速、門架等模型輕量化處理，解決了模型數(shù)據(jù)過大導(dǎo)致ETC門架監(jiān)控管理平臺(tái)加載、交互過程的卡頓、崩潰問題，具體輕量化前后評(píng)定指標(biāo)對(duì)比如表2所示。

表2 輕量化前后對(duì)比表評(píng)定指標(biāo)輕量化處理前輕量化處理后場景效果逼真但卡頓,存在瀏覽器崩潰情況高度近似,運(yùn)行流暢表達(dá)精細(xì)度幾何特征、紋理特征高度還原實(shí)物幾何特征適中,紋理特征近似實(shí)物位置精度地理位置、相對(duì)位置精確地理位置精確,相對(duì)位置基本準(zhǔn)確模型文件存儲(chǔ)空間非常大適中

3 結(jié)語

三維GIS+BIM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是對(duì)大場景、大量精細(xì)三維模型，其加載和渲染方面的優(yōu)化非常明顯，近年來受到相關(guān)行業(yè)研究人員廣泛關(guān)注。本文對(duì)現(xiàn)有輕量化處理技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，結(jié)合湖南省高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目中模型輕量化處理經(jīng)驗(yàn)，提出了適用于公路BIM+機(jī)電BIM的模型簡化方案及壓縮、多層次細(xì)節(jié)、模型復(fù)用、屬性數(shù)據(jù)分離四種輕量化技術(shù)，很好地支持了湖南省取消高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目中門架監(jiān)控、運(yùn)維平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。