CN107886564A - 用于实现三维场景显示的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于实现三维场景显示的方法，包括：将建模模型加载到场景中；针对加载到场景中的建模模型的资源，按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源；接收针对所述场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源；以及传输所需要的优化的模型资源以进行三维场景显示。还提供了用于实现上述方法的计算机程序，以及存储该计算机程序的计算机可读存储介质和计算设备。

Description

用于实现三维场景显示的方法
技术领域
本发明属于计算机图形学领域，并具体地涉及一种用于实现三维场景显示的方法。
背景技术
建筑信息模型(简称为BIM)技术旨在解决设计、建造、运维过程中的可视化沟通与信息共享问题，在土木工程领域得到日益广泛的应用。基于BIM模型的三维可视化和建筑全生命周期参数化管理，是现代大型复杂建筑的研究方向之一。由于大型建筑体量巨大、构件数目繁多，对BIM模型三维可视化的要求越来越高。而且由于BIM模型是建筑信息管理的载体，承载的管理属性也越来越复杂。因此，基于云+端的模式，进行全生命周期的建造信息可视化、信息协同共享，需要一个流畅的三维可视化实时渲染的引擎，来支持用户对于大体量(亿以上面数)的BIM模型进行三维可视化实时浏览。
由于硬件计算水平的限制，目前市场上的国内外以建模为主的软件并不能有效的解决这个问题，多数以链接的模式，分区建模和用模，且对云+端的应用模式中客户端的显示计算性能要求过高，离市场实用性的要求还有不少的差距。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种用于实现三维场景显示的方法，其可以对场景中的渲染对象进行挑选或剔除，并自动对场景进行多级细节层次(LOD)加载，以生成优化的模型资源，从而改善用户体验。
本发明的用于实现三维场景显示的方法特别适合于在网页中动态实时浏览超大体量建筑信息模型(BIM)。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于实现三维场景显示的方法，其包括：将建模模型加载到场景中；针对加载到场景中的建模模型的资源，按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源；接收针对所述场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源；以及传输所需要的优化的模型资源以进行三维场景显示。
优选地，其中，所述预设的观察点是用户进行场景交互时可能处于的观察点。
优选地，其中，所述对渲染对象进行挑选或剔除包括挑选出需要进行渲染显示的空间块或面，或者剔除不需要进行渲染显示的空间块或面。
优选地，其中，所述对加载到场景中的建模模型的资源进行优化包括：将每个建模模型转换为单个构件的模型文件，并形成模型文件集合；将所形成的模型文件集合合并为顶层空间块，并利用减面算法对面数进行精简；基于八叉树算法将顶层空间块划分为多个小空间块，然后利用减面算法对所述小空间块的面数进行精简，并将经过面数精简的各个小空间块保存为空间八叉树的各个节点；以及选择要作为渲染对象的空间块。
优选地，其中，所述选择要作为渲染对象的空间块包括：根据各个空间块与观察点的距离以及观察点的视场角，并考虑屏幕显示分辨率，计算出该空间块的屏幕空间误差；根据该屏幕空间误差决定是否需要继续处理该空间块的下层空间块；以及将不再需要继续处理下层空间块的空间块选择作为渲染对象。
优选地，其中，所述交互请求中包含用户在场景中的位置和视场角，以及其中，所述确定所需要的优化的模型资源包括：基于所述用户在场景中的位置和视场角来确定所需要的优化的模型资源。
优选地，其中，所述确定所需要的优化的模型资源还包括：根据用户所使用的客户端的显示计算能力，将场景的需要渲染的面数始终维持在客户端能够计算的数量级内。
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，该计算机程序可以用于执行上述方法中的各个步骤。
根据本发明的再一个方面，提供了一种计算设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，该计算机程序可以用于执行上述方法中的各个步骤。
根据本发明的再一个方面，提供了一种用于实现三维场景显示的装置，其包括：建模模型支持单元，用于将建模模型加载到场景中；模型资源优化单元，用于针对加载到场景中的建模模型的资源，按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源；模型交互管理单元，用于接收针对所述场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源；以及模型资源加载单元，用于传输所需要的优化的模型资源以进行三维场景显示。
附图说明
下文参考附图详细描述了本发明的优选实施例，应当理解，附图以及相应的描述应当被理解为是说明性的而非限制性的，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于实现三维场景显示的三维可视化引擎；
图2示出了图1中所示的模型资源优化系统的一种具体实现方式；
图3示出了根据本发明的一个实施例的用于实现三维场景显示的方法；以及
图4示出了图3中所示的步骤303的一种具体实现方式。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个实施例的用于实现三维场景显示的三维可视化引擎100，其特别适用于在网页中动态实时浏览建筑信息模型(BIM)(特别是超大体量BIM)。该三维可视化引擎100包括地形模型生成系统101、建模模型支持系统102、模型资源优化系统103、模型交互管理系统104、模型资源加载系统105。该三维可视化引擎100可以是由计算机程序或软件实现的，并可以存储在计算机可读存储介质(例如存储器)中或计算设备中，当该三维可视化引擎100被处理器执行时，可以实现相应的方法。
所述三维可视化引擎100中的各个系统的功能概述如下。地形模型生成系统101用于生成要加载到场景中的地形模型，并可以将分层地理信息数据存储到数据库中。建模模型支持系统102用于对接一种或更多种建模工具(例如本领域常用的Revit、Catia、ArchiCAD、Tekla、Bently等)，并可以将建模工具所建的模型(下文也称为建模模型)加载到场景中，例如按照该模型所在的坐标位置加载到场景中。模型资源优化系统103用于对加载到场景中的建模模型的资源进行优化，以按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源。模型交互管理系统104用于接收用户发送的交互请求(例如，用户通过客户端提交的交互请求)，以满足用户的多种需求，例如确定用户所需要的优化的模型资源。模型资源加载系统105用于将所需要的优化的模型资源从服务器传输给用户，例如以云+端的模式传输给用户使用的客户端，以在该客户端上实现三维场景显示。
具体而言，地形模型生成系统101负责要加载到场景中的地形模型的生成，其可以采用现有的任何地形模型生成系统。地形模型生成系统101例如可以根据数字线划图(DLG)、数字高程模型(DEM)数据等，通过配准生成地形模型。地形模型生成系统101还可以无缝加载地形模型的不同层级，以确保地形精确的进行加载和显示。地形模型生成系统101可以支持局部平面地形和地球球面地形、支持超海量数据的分页调度、支持地形无缝LOD过渡，从而使得地形网格能够在高低精度间平滑过渡。另外，也可以将已经预先生成的地形模型直接引入到场景中，从而从三维可视化引擎100中省略地形模型生成系统101。在某些实施例中，甚至有可能并不需要在场景中加载地形模型。
建模模型支持系统102能够支持建模工具所建立的模型，以将建模工具所建立的模型例如按照该模型所在的坐标位置加载到场景中。该建模工具可以是本领域常用的建模工具，例如Revit、Catia、ArchiCAD、Tekla、Bently等。建模模型支持系统102例如可以通过提供深度继承于各建模工具的二次开发接口所建立的模型上传和转换工具，或通过标准的数据IFC格式中转，将建模工具所建的模型按照该模型所在的坐标位置加载到场景中，并可以在场景中自动进行不同的建模模型(即，建模工具所建的模型)之间、以及各个建模模型与地形模型之间的位置配准，从而可以形成包括各个建模模型和地形模型的三维场景。
模型资源优化系统103用于对加载到场景中的建模模型的资源(例如与建模模型相关联的各种信息或数据)进行优化，具体地，其可以按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源。对渲染对象进行挑选或剔除可以包括挑选出需要进行渲染显示的空间块或面，或者剔除不需要进行渲染显示的空间块或面。可以通过对空间块和面附加相应的标记来表示其是否需要被渲染显示，从而，在将来接收到用户的交互请求以进行三维场景的渲染显示时，可以自动地快速决定需要进行渲染显示的空间块和面。预设的观察点可以是将来用户在进行场景交互时可能处于的观察点。模型资源优化系统103最终生成的优化的模型资源可以被上载到服务器。本领域技术人员可以理解，在场景中存在地形模型的情况下，模型资源优化系统103也可以进一步用于对地形模型的资源进行优化，其方式与建模模型的资源相同，因此不再赘述。
模型交互管理系统104用于接收针对场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源。该交互请求可以是用户通过客户端提交的，其中可以包含与场景交互相关的各种信息，例如用户在场景中的位置(也即用户所处的场景中的观察点的位置)、用户的视场角、所请求的交互类型、等等。本领域技术人员可以理解，上述位置并非用户的实际物理位置，而是用户在虚拟场景中进行浏览时所处的虚拟位置。通过模型交互管理系统104，用户可以在场景中实现例如视图浏览、视图快照、场景标注、空间量测、空间剖切、属性查询、图文关联等模型交互功能。在用户交互过程中，模型交互管理系统104可以例如根据用户的位置和视场角等来确定所需要的优化的模型资源，例如，模型交互管理系统104可以自动地对要渲染显示的对象进行挑选或剔除，并确定所需要的不同细节层次(LOD)的模型资源，确保用户能够流畅地进行交互。另外，模型交互管理系统104可以获得客户端的显卡和/或显存的相关参数(也即显示计算能力)，并根据客户端的显卡和/或显存的相关参数进行场景的可视空间块及面数的加减，以将场景的需要渲染的面数(例如需要渲染的三角面的数量)始终维持在客户端可计算的数量级内，从而确保用户的使用效果，改善用户体验。例如，如果客户端的显示计算能力很强大，可以为客户端提供更为清晰的、具有更多细节的显示；而如果客户端的显示计算能力很有限，则可以提供更少的显示细节，以使得客户端的用户能够相对流畅地进行交互。可选地或另外地，可以进一步考虑客户端的网络带宽，以基于客户端的网络带宽来提供适当的三维场景显示。
模型资源加载系统105用于传输所需要的优化的模型资源，例如，将所需要的优化的模型资源从服务器传输到客户端。具体地，在模型交互管理系统104基于用户的交互请求确定了客户端所需要的优化的模型资源后，模型资源加载系统105可以将其从服务器传输到客户端，以在客户端上实现三维场景的实时显示。从服务器传输到客户端的传输可以例如采用云+端的模式，并且用户可以在网页中动态实时地浏览相关模型的三维场景显示。
图2示出了图1中所示的模型资源优化系统的一种具体实现方式，其基于八叉树算法(例如动态松弛八叉树算法)，并可以包括如下子系统：
子系统201：用于将每个建模模型转换为单个构件的模型文件，并形成模型文件集合。在一个实施例中，可以利用Revit软件来进行上述建模模型到模型文件的转换。
子系统202：用于将所形成的模型文件集合合并为顶层空间块，并利用减面算法对面数进行精简。顶层空间块可以被保存为空间八叉树的一个节点，即顶层节点。
子系统203：用于基于八叉树算法将顶层空间块划分为多个小空间块(例如，可以以8n(n为正整数)为基数进行划分)，然后利用减面算法对所述小空间块的面数进行精简，经过面数精简后将各个小空间块保存为空间八叉树的各个节点。优选地，所划分的多个小空间块具有多个不同层级，其适于展现不同级别的细节层次。优选地，执行减面算法后使得所述小空间块的所有要显示的面数小于一个预定阈值。
子系统204：用于选择要作为渲染对象的空间块。在一个优选实施例中，可以根据各个空间块与观察点的距离以及观察点的视场角，并考虑屏幕显示分辨率，计算出该空间块的屏幕空间误差，并根据该误差的大小决定是否需要继续处理该空间块的下层空间块。换言之，空间八叉树中的父节点先于其子节点被处理，并基于父节点的处理结果来判断是否需要处理其子节点。根据屏幕空间误差的大小进行决定例如可以是将该误差与一个预定阈值进行比较，如果该误差大于该预定阈值，则以类似的方式继续处理相应空间块的下层空间块，反之，则不需要继续处理。最后，将不再需要继续处理下层空间块的空间块选择作为渲染对象。本领域技术人员可以理解，可以通过深度优先、广度优先或其他方式来对空间八叉树进行遍历。
子系统205：用于利用遮挡查询功能(例如，图形处理单元(GPU)的异步遮挡查询功能)，动态剔除掉被遮挡的空间块(因为其不需要被渲染)，以进一步降低渲染负载。在一个实施例中，也可以省略该子系统205。
如之前所描述的，在进行了上述与面数精简和空间块选择相关的操作之后，可以通过对空间块和面附加相应的标记来表示其是否需要被渲染显示。
图3示出了根据本发明的一个实施例的用于实现三维场景显示的方法，其可以特别有利地用于在网页中动态实时浏览建筑信息模型(BIM)(特别是超大体量BIM)。该方法可以由上述三维可视化引擎来实现，并可以包括如下步骤：
步骤301：生成地形模型。
例如，可以根据数字线划图(DLG)、数字高程模型(DEM)数据等，通过配准生成地形模型。具体地，可以根据数字高程模型提取三维数字高程，生成并优化地形三角网，并依据地形纹理贴图、水面场景优化、树木布置优化等的地形地貌因素进行地形模型的建模及优化。
需要说明的是，也可以将已经预先生成的地形模型直接引入到场景中，从而省略上述步骤301。在某些实施例中，甚至有可能并不需要在场景中加载地形模型。
步骤302：将建模模型加载到场景中。
例如，可以根据不同的建模工具，通过提供深度继承于各建模工具的二次开发接口所建立的模型上传和转换工具，或通过标准的数据IFC格式中转，将建模工具所建的模型例如按照该模型所在的坐标位置加载到场景中。在加载过程中，可以在三维场景中根据统一的坐标系统自动进行建模模型(即，建模工具所建的模型)之间、以及各个建模模型与地形模型之间的位置配准，从而可以形成包括各个建模模型和地形模型的三维场景。
上述步骤302支持对市场上主流的建模工具进行模型(纹理、材质)及建模过程中记录的属性数据的无损导入，并可以根据统一的坐标系统，将模型按照空间位置和地形信息进行配准。
步骤303：针对加载到场景中的建模模型的资源，按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源。
对于加载到场景中的模型，可以根据八叉树算法(例如动态松弛八叉树算法)进行资源的重新计算、确保渲染对象的挑选或剔除的高效，对场景中的模型执行自动的多级LOD算法。可以通过对空间块和面附加相应的标记来表示其是否需要被渲染显示，从而，在将来接收到用户的交互请求以进行三维场景的渲染显示时，可以自动地快速决定需要进行渲染显示的空间块和面。所述预设的观察点可以是将来用户在进行场景交互时可能处于的观察点。最终生成的优化的模型资源可以被上载到服务器。
步骤304：接收针对所述场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源。
该交互请求中可以包含与场景交互相关的各种信息，例如用户在场景中的位置(也即用户所处的观察点的位置)、用户的视场角、所请求的交互类型、等等。在用户交互过程中，可以例如根据用户的位置和视场角等确定客户端所需要的优化的模型资源。另外，从客户端所接收的交互请求中可以包含该客户端的显卡和/或显存的相关参数(也即显示计算能力)，从而，可以根据客户端的显卡和/或显存的相关参数进行场景的可视空间块及面数的加减，以将场景的需要渲染的面数始终维持在客户端可计算的数量级内，从而确保用户的使用效果，改善用户体验。可选地或另外地，可以进一步考虑客户端的网络带宽，以基于客户端的网络带宽来提供适当的三维场景显示。
步骤305：传输所需要的优化的模型资源以进行三维场景显示。
具体地，在步骤304已经基于用户的交互请求确定了所需要的优化的模型资源的情况下，可以传输该优化的模型资源(例如从服务器传输到客户端)，以实现三维场景的实时显示。从服务器传输到客户端的传输可以例如采用云+端的模式，并且用户可以在网页中动态实时地浏览相关模型的三维场景显示。
图4示出了上述步骤303的一种具体实现方式，其基于八叉树算法(例如动态松弛八叉树算法)，并包括如下步骤：
步骤401：将每个建模模型转换为单个构件的模型文件，并形成模型文件集合。
步骤402：将所形成的模型文件集合合并为顶层空间块，并利用减面算法对面数进行精简。顶层空间块可以被保存为空间八叉树的一个节点，即顶层节点。
步骤403：基于八叉树算法将顶层空间块划分为多个小空间块(例如，可以以8n(n为正整数)为基数进行划分)，然后利用减面算法对所述小空间块的面数进行精简，经过面数精简后将各个小空间块保存为空间八叉树的各个节点。优选地，所划分的多个小空间块具有多个不同层级。优选地，执行减面算法后以使得所述小空间块的所有要显示的面数小于一个预定阈值。
步骤404：选择要作为渲染对象的空间块。在一个优选实施例中，可以根据各个空间块与观察点的距离以及观察点的视场角，并考虑屏幕显示分辨率，计算出该空间块的屏幕空间误差，根据该误差的大小决定是否需要继续处理该空间块的下层空间块。换言之，空间八叉树中的父节点先于其子节点被处理，并基于父节点的处理结果来判断是否处理其子节点。根据屏幕空间误差的大小进行决定例如可以是将该误差与一个预定阈值进行比较，如过该误差大于该预定阈值，则继续类似地处理相应空间块的下层空间块，反之，则不需要继续处理。最后，将不再需要继续处理下层空间块的空间块选择作为渲染对象。
步骤405：利用遮挡查询功能(例如，图形处理单元(GPU)的异步遮挡查询功能)，动态剔除掉被遮挡的空间块(因为其不需要被渲染)，以进一步降低渲染负载。在一个实施例中，可以省略该步骤405。
本发明还涉及一种计算机可读存储介质，其中存储有能够执行上述方法的三维可视化引擎或计算机程序。
本发明还涉及一种计算设备，包括处理器和存储器，在所述存储器中存储有能够执行上述方法的三维可视化引擎或计算机程序。
本发明还涉及一种用于实现三维场景显示的装置，其包括有能够用于执行上述方法的各个步骤的单元。
上文通过附图和优选实施方式对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施方式。本领域技术人员在本发明技术构思的启发下，在不脱离本发明设计思想的基础上，可以做出各种改进或变型。本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
在本申请中，术语“包括”、“包含”等不排除存在其它部件或步骤。另外，尽管独立的特征可以包含在不同实施例或权利要求中，但是这些特征也可以有利地组合，并且不同实施例或权利要求中的包含不暗示着特征的组合是不可行的和/或不利的。

Claims (10)

1.一种用于实现三维场景显示的方法，其特征在于包括：
将建模模型加载到场景中；
针对加载到场景中的建模模型的资源，按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源；
接收针对所述场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源；以及
传输所需要的优化的模型资源以进行三维场景显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预设的观察点是用户在进行场景交互时可能处于的观察点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述对渲染对象进行挑选或剔除包括挑选出需要进行渲染显示的空间块或面，或者剔除不需要进行渲染显示的空间块或面。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述对加载到场景中的建模模型的资源进行优化包括：
将每个建模模型转换为单个构件的模型文件，并形成模型文件集合；
将所形成的模型文件集合合并为顶层空间块，并利用减面算法对面数进行精简；
基于八叉树算法将顶层空间块划分为多个小空间块，然后利用减面算法对所述小空间块的面数进行精简，并将经过面数精简的各个小空间块保存为空间八叉树的各个节点；以及
选择要作为渲染对象的空间块。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述选择要作为渲染对象的空间块包括：
根据各个空间块与观察点的距离以及观察点的视场角，并考虑屏幕显示分辨率，计算出该空间块的屏幕空间误差；
根据该屏幕空间误差决定是否需要继续处理该空间块的下层空间块；以及
将不再需要继续处理下层空间块的空间块选择作为渲染对象。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述交互请求中包含用户在场景中的位置和视场角，以及其中，所述确定所需要的优化的模型资源包括：基于所述用户在场景中的位置和视场角来确定所需要的优化的模型资源。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述确定所需要的优化的模型资源还包括：
根据用户所使用的客户端的显示计算能力，将场景的需要渲染的面数始终维持在客户端能够计算的数量级内。
8.一种计算机可读存储介质，其中存储有计算机程序，该计算机程序用于执行权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
9.一种计算设备，包括处理器和存储器，其特征在于，在所述存储器中存储有计算机程序，该计算机程序用于执行权利要求1-7中任一项所述的方法中的步骤。
10.一种用于实现三维场景显示的装置，其特征在于包括：
建模模型支持单元，用于将建模模型加载到场景中；
模型资源优化单元，用于针对加载到场景中的建模模型的资源，按照场景中预设的观察点的位置和视场角对渲染对象进行挑选或剔除，并实现多级细节层次(LOD)计算，从而生成优化的模型资源；
模型交互管理单元，用于接收针对所述场景的交互请求，并确定所需要的优化的模型资源；以及
模型资源加载单元，用于传输所需要的优化的模型资源以进行三维场景显示。
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