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)計需要出施工圖指導(dǎo)實際施工，因而包括大量細(xì)節(jié)，一個普通機(jī)柜BIM模型可能上百M，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，實現(xiàn)三維模型存儲、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)，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑、設(shè)備信息庫[5]。當(dāng)前主流三維建模方式包括激光點云、傾斜攝影、人工設(shè)計建模等多種方式，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)計模型輕量化處理。Revit、Bentley等平臺設(shè)計的三維模型信息包括一系列頂點信息和紋理信息，頂點信息主要包括x、y、z坐標(biāo)值和拓?fù)潢P(guān)系，一般以浮點型格式存儲；紋理信息包括紋理坐標(biāo)UV以及可能的RGBA 4個通道顏色信息。模型數(shù)據(jù)在團(tuán)隊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站項目(下稱“取站項目”)應(yīng)用經(jīng)驗，討論在高速公路場景中對路網(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，對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，從目前計算機(jī)性能來看，解壓所需計算開銷完全可以接受，因此壓縮(Compression)是當(dāng)前實用價值最高的一種方法。

在取站項目中模型輕量化處理主要包括對模型構(gòu)件、模型面和頂點精簡等處理。在構(gòu)件精簡處理中,通過對道路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；對于機(jī)電BIM模型，則將實際應(yīng)用中價值不大的細(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，但使用價值卻很有限，對安裝維護(hù)的指導(dǎo)作用也不如使用型號屬性直觀，因此可以直接刪除連接螺絲對象，將螺絲型號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。針對這一情況進(jìn)行復(fù)雜模型的面精簡、定點精簡很有必要，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，在取站項目中，通過對復(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，實現(xiàn)模型類型上的多細(xì)節(jié)層次渲染。

在取站項目中,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、市級視圖主要展示路網(wǎng)情況和門架等設(shè)備分布，此時情報板、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，需對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)一步劃分會產(chǎn)生反作用，因此在實際分層設(shè)置時需結(jié)合模型具體情況進(jìn)行確定。取站項目模型分層如表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)識紋理、門架模型、機(jī)柜、大型情報板等定點場景<20公路模型、路面標(biāo)識紋理、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現(xiàn)在同一幀中呈現(xiàn)多個類似模型的渲染效果。WebGL 1.0中可以通過使用ANGLE_instance_arrays擴(kuò)展實現(xiàn)，從而大量節(jié)約GPU的內(nèi)存開銷和計算開銷。

取站項目中，機(jī)電BIM在整個模型數(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)備模型其實有相當(dāng)一部分可以復(fù)用，部分設(shè)備甚至可以在單個門架上多次使用，如攝像頭等。對于這一類可充分復(fù)用模型，加載一個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，常常會將信息以三維標(biāo)注或模型屬性的方式進(jìn)行存儲，如部件尺寸、型號、特殊工藝等。這些信息在實際使用中并不會每次都被查看，因此將屬性信息分離存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫，通過規(guī)范模型編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在平臺上開發(fā)屬性查詢功能，個性化定制信息展示窗口。對于螺絲、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、尺寸、材質(zhì)等屬性來明確物體實際信息。通過對場景內(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、2位設(shè)備類型、3位模型序號組成，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，從而實現(xiàn)加載、渲染的優(yōu)化，而過度輕量化會喪失三維模型的使用價值，因此對輕量化處理結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評定是必不可少的。

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個因素對輕量化處理結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評定的體系[10]。在網(wǎng)絡(luò)條件相同時，模型數(shù)據(jù)大小直接影響加載速度，在取站項目中增加了場景模型文件存儲空間的指標(biāo)。根據(jù)設(shè)定質(zhì)量評定體系，以ETC門架監(jiān)控管理平臺為依托，運行場景加載、圖層管理、查找定位、模型量算、屬性查看等功能進(jìn)行輕量化效果評定。ETC門架監(jiān)控管理平臺采用超圖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)控管理平臺技術(shù)框架圖

在取消高速公路省界收費站項目中，通過對高速、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)控管理平臺加載、交互過程的卡頓、崩潰問題，具體輕量化前后評定指標(biāo)對比如表2所示。

表2 輕量化前后對比表評定指標(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,運行流暢表達(dá)精細(xì)度幾何特征、紋理特征高度還原實物幾何特征適中,紋理特征近似實物位置精度地理位置、相對位置精確地理位置精確,相對位置基本準(zhǔn)確模型文件存儲空間非常大適中

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站項目中模型輕量化處理經(jīng)驗，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站項目中門架監(jiān)控、運維平臺的實現(xiàn)。