CN103324475A - 基于ifc标准的bim模型渲染优化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统及方法，对IFC文件的数据量压缩和模型的渲染优化，充分利用了硬件资源，具有更高的性价比与更好的可扩展性。基于IFC标准的BIM模型渲染系统，该渲染优化系统基于IFC标准建立IFC实体库，以IFC实体库为基础，通过定义的数据映射关系，实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染优化。
Description
技术领域
本发明属于建筑信息技术领域，特别是基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统及方法。
背景技术
IFC(Industry Foundation Classes)标准是由国际协作联盟(IAI，International Alliance forInteroperability)于1997年发布的针对建筑工程领域的产品模型标准。通过IFC，在建筑项目的整个生命周期中提升沟通、生产力、时间、成本和质量，为全球的建筑专业与设备专业中的流程提升于信息共享建立一个普遍意义的基准。如今已经有越来越多的建筑行业相关产品提供了IFC标准的数据交换接口，使得多专业的设计、管理的一体化整合成为现实。随着IFC标准在建筑模型中的应用，BIM建筑模型的应用得到快速发展。
BIM提供了可视化的思路，让人们将以往的线条式的构件形成一种三维的立体实物图形展示在人们的面前；建筑业也有设计方面出效果图的事情，但是这种效果图是分包给专业的效果图制作团队进行识读设计制作出的线条式信息制作出来的，并不是通过构件的信息自动生成的，缺少了同构件之间的互动性和反馈性，然而BIM提到的可视化是一种能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视，在BIM建筑信息模型中，由于整个过程都是可视化的，所以，可视化的结果不仅可以用来效果图的展示及报表的生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。因此，大规模场景渲染技术对于BIM的应用至关重要。
现有的大规模场景渲染技术，一般通过采用大型的图形工作站，利用大型计算技术，对大规模场景进行渲染，然而，受限于单台PC机的CPU处理速度和图形适配器的绘制能力，大规模场景的渲染仍然达不到预期的要求，而且由于工作站的可扩展性能太差，使得渲染能力在设计制造的过程中已经确定，无法满足快速发展的IFC标准格式的模型应用的需求；在虚拟现实与地理信息系统中，采用了分布式渲染技术对大规模场景与海量数据进行渲染，但此技术还没有应用于IFC标准格式的模型的渲染；多核PC机的性能没有得到充分的利用，多核间的线程并行技术的研究对IFC格式模型的渲染具有重大的意义。
本发明通过增加计算机中物理处理器的数量，利用多核间的线程级并行技术，解决BIM建筑模型的大规模渲染难题。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统及方法，对IFC文件的数据量压缩和模型的渲染优化，充分利用了硬件资源，具有更高的性价比与更好的可扩展性。
本发明的技术方案是这样实现的：
基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统，该渲染优化系统基于IFC标准建立IFC实体库，以IFC实体库为基础，通过定义的数据映射关系，实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染，包括以下组件：
IFC实体库：根据国家标准工业基础类平台规范，应用面向对象的程序语言对规范中定义的各类实体定义出对应的实体类及其属性，并对各类实体分别建立一个容器存放BIM模型中的各类实体的实例；
IFC文件压缩器：与所述的IFC实体库连接，实现对IFC标准格式文件的压缩；
IFC文件解析器：与所述的IFC实体库连接，采用面向对象的编程语言开发了一个Activex控件，读取和分析IFC文件，把IFC文件中的数据转换为IFC实体库定义的格式，并在内存中重建Direct3D能够渲染的模型；实现对IFC标准格式文件的读取与解析；
IFC文件渲染器：建立一个基于多核PC机集群的并行绘制系统来对重建的BIM模型进行实时渲染。
优选的，IFC文件渲染器包括交换控制节点和数个渲染节点，每个渲染节点由具有多核PC机组成。
基于IFC标准的BIM模型渲染方法，该方法可实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染，渲染方法包括以下步骤：
步骤1：利用IFC文件压缩器，将IFC标准格式的文件进行压缩，剔除冗余数据；
步骤2：利用IFC文件解析器，把IFC文件中的数据转换为IFC实体库定义的格式，并在内存中重建Direct3D能够渲染的模型；
步骤3：利用多核PC机集群组成的客户端的交换控制节点和服务器端的数个渲染节点建立一个IFC文件渲染器，对步骤2中重建的模型进行渲染。
优选的，渲染方法的步骤1包括以下步骤：
步骤11：对IFC标准格式文件的点数据进行冗余剔除，将相同的数据点采用唯一的标示，在需要使用的地方采用对唯一标示的行索引；
步骤12：应用基于点的三维模型压缩算法对BIM模型进行压缩优化，具体的压缩流程如下：
首先对顶点及属性数据采用层次性的结构组织点云进行量化，然后将量化后的点云数据用预测或变换等方式进行几何编码，经过几何编码的数据采用熵编码算法进行压缩。
优选的，每个渲染节点由一个PC机组成；数个渲染节点之间采用分布式的渲染方法，在渲染节点的内部采用多线程并行的优化方法。
再优选的，渲染节点之间的分布式渲染包括以下步骤如下：
步骤61：对每个渲染节点分别建立节点编号，用于区分不同的渲染节点；
步骤62：根据BIM模型建立场景模型，根据场景模型建立场景图，将场景图分割成多个场景区域；
步骤63：加载场景模型，根据节点编号获取该编号所对应的渲染节点信息，计算出该渲染节点所需要渲染的场景区域；对场景区域的基本图元的归属进行判断，剔除该场景区域所对应的视景体外的基本图元；
步骤64：渲染节点初始化设置，设置渲染节点的显示状态、屏幕的宽度和高度等信息，使得渲染后输出的结果宽高比为4：3；
步骤65：根据交互控制节点发送到渲染节点的交换信息，渲染节点对场景进行渲染；
步骤66：在渲染结束后，对不同渲染节点的渲染区域的重叠部分进行无缝拼接和边缘融合处理；待边缘融合处理完成，把最终的渲染结果送到显示设备。
再优选的，渲染节点的内部采用多线程的优化方法包括如下步骤：
步骤71：首先对渲染节点的每个CPU分配一个线程；
步骤72：将渲染过程的更新、拣选、绘制三个遍历分别分配给不同的线程在同一帧内并行执行，并且将第i帧的更新结果传送给第i+1帧的拣选遍历，第i+1帧的拣选结果传送给滴i+2帧的绘制遍历。
再优选的，渲染方法还采用了同步技术，交换控制节点在每一帧开设的时候，向渲染节点发送一个帧标记，帧标记中含有帧计数和一个参考时间，渲染节点根据帧标记对渲染场景进行更新，通过对参考时间的控制，避免了因为某个渲染节点的一帧渲染时间过长而导致整个渲染系统效率的降低的情况出现。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明对IFC文件的数据量进行压缩和模型渲染优化，重复利用了硬件资源，为大规模BIM模型的渲染提供了一个解决方法，利用多核PC机集群和分布式渲染方法，使得渲染系统具有更高的性价比和更好的可扩展性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的主流程示意图。
图2为本发明的IFC文件渲染器框架示意图。
图3为本发明的渲染节点间并行的工作流程示意图。
图4为本发明中德渲染节点内部多线程并行优化原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1和图2，基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统，该渲染优化系统基于IFC标准建立IFC实体库，以IFC实体库为基础，通过定义的数据映射关系，实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染，包括以下组件：
IFC实体库：根据国家标准工业基础类平台规范，应用面向对象的程序语言对规范中定义的各类实体定义出对应的实体类及其属性，并对各类实体分别建立一个容器存放BIM模型中的各类实体的实例；
IFC文件压缩器：与所述的IFC实体库连接，实现对IFC标准格式文件的压缩；
IFC文件解析器：与所述的IFC实体库连接，采用面向对象的编程语言开发了一个Activex控件，读取和分析IFC文件，把IFC文件中的数据转换为IFC实体库定义的格式，并在内存中重建Direct3D能够渲染的模型；实现对IFC标准格式文件的读取与解析；
IFC文件渲染器：建立一个基于多核PC机集群的并行绘制系统来对重建的BIM模型进行实时渲染。IFC文件渲染器包括交换控制节点和数个渲染节点，每个渲染节点由具有多核PC机组成。
参照图2，多核PC机集群分为两类，一类是客户端的交互控制节点，一类是服务器端的渲染节点。系统框架不同于传统的系统框架，系统采用的节点为多核PC机，不仅实现了CPU、GPU的功能并行、虚拟场景的数据并行，以及它们的混合，而且使立体显示的左右眼并行化、渲染节点内部多核并行化，使得并行粒度更加细化。实现多通道的大屏幕立体显示系统，但对传统的立体显示系统进行了扩展，每个集群节点使用的是多核的PC机，渲染节点内部进行了多线程并行优化，即系统把多核平台与分布式渲染充分结合起来，既实现了粗粒度并行，又实现了细粒度并行，具有很强的扩展性。
参照图1，基于IFC标准的BIM模型渲染方法，该方法可实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染，渲染方法包括以下步骤：
步骤1：利用IFC文件压缩器，对IFC标准格式文件进行压缩，包括以下步骤：
步骤11：对IFC标准格式文件的点数据进行冗余剔除，将相同的数据点采用唯一的标示，在需要使用的地方采用对唯一标示的行索引；
步骤12：应用基于点的三维模型压缩算法对BIM模型进行压缩优化，具体的压缩流程如下：首先对顶点及属性数据采用层次性的结构组织点云进行量化，然后将量化后的点云数据用预测或变换等方式进行几何编码，经过几何编码的数据采用熵编码算法进行压缩；
步骤2：利用IFC文件解析器，把IFC文件中的数据转换为IFC实体库定义的格式，并在内存中重建Direct3D能够渲染的模型；
步骤3：利用多核PC机集群组成的客户端的交换控制节点和服务器端的数个渲染节点建立一个IFC文件渲染器，对步骤2中重建的模型进行渲染。
参照图3，IFC文件渲染器的工作流程：首先启动服务器端的渲染节点等待交互信息的发送，然后运行客户端的交互控制节点。控制节点首先根据采集到的交互数据进行场景的更新，然后判断图元组归属，判断后把图元组的编号以及视点位置信息发送给渲染节点，渲染节点接收到控制节点发送的信息后渲染场景，渲染场景时进行一个流水线的并行优化，然后进行边缘融合处理，最后是投影显示，把显示的图像投影到大屏幕上。控制节点与渲染节点之间并行工作，当渲染节点正在渲染第n帧和进行第n帧的边缘融合处理的时候，控制节点执行的是第n+1帧的图元组归属判断操作。
数个渲染节点之间采用分布式的渲染方法，在渲染节点的内部采用多线程并行的优化方法。节点间的分布渲染实现是在渲染之前首先进行场景的分割，在场景图对场景进行分割实质上是对视景体进行分割，但对视景体进行分割十分麻烦，而且不灵活，本发明是通过对视景体的缩放和投影中心的移动来实现灵活的分屏的，通过对每个渲染节点编号，根据编号的不同渲染节点渲染整个场景的不同部分。渲染节点之间的分布式渲染包括以下步骤如下：
步骤61：对每个渲染节点分别建立节点编号，用于区分不同的渲染节点；
步骤62：根据BIM模型建立场景模型，根据场景模型建立场景图，将场景图分割成多个场景区域；
步骤63：加载场景模型，根据节点编号获取该编号所对应的渲染节点信息，计算出该渲染节点所需要渲染的场景区域；对场景区域的基本图元的归属进行判断，剔除该场景区域所对应的视景体外的基本图元；
步骤64：渲染节点初始化设置，设置渲染节点的显示状态、屏幕的宽度和高度等信息，使得渲染后输出的结果宽高比为4：3；
步骤65：根据交互控制节点发送到渲染节点的交换信息，渲染节点对场景进行渲染；
步骤66：在渲染结束后，对不同渲染节点的渲染区域的重叠部分进行无缝拼接和边缘融合处理；待边缘融合处理完成，把最终的渲染结果送到显示设备。
本发明中的渲染结果的输出采用无缝拼接边缘融合技术，将每个像素的三个通道(r,g,b)分别乘以一个线性插值或余弦插值。对于重叠区内的任一像素P(k,w),k为P像素点在重叠区中的位置,w为重叠区宽度,k%w即该像素点到重叠区域的边缘的距离，使用亮度元素的插值法,左边图像的P点处的三个通道（红、绿、蓝）都乘以缩放因子a=1.0-((1-L)×(k%w))／w,右边图像P点处的三个通道（红、绿、蓝）乘以缩放因子a=((1-L)×(k%w))/w,其中L为与投影仪相关的常数，则P点的亮度之和为不重叠时的亮度，从而获得既无拼接痕迹又无亮线且分辨率加大了的连续的图像。实现无缝拼接中对帧缓存中的数据的读取，采用的是Direct3D中的函数，并对帧缓存中的数据进行亮度处理，本发明采用两种方法对重叠区域的数据进行亮度，一种是线性插值法，另一种是余弦函数法，这两种方法都得到了较好的边缘融合效果，实现了大屏幕投影的超高分辨率的显示效果。
本发明为了保证分布式渲染系统的画面质量渲染方法还采用了同步技术，交换控制节点在每一帧开设的时候，向渲染节点发送一个帧标记，帧标记中含有帧计数和一个参考时间，渲染节点根据帧标记对渲染场景进行更新，通过对参考时间的控制，避免了因为某个渲染节点的一帧渲染时间过长而导致整个渲染系统效率的降低的情况出现。另外，通过设置一个超时标记的设置，避免了渲染节点连续两帧无法渲染的可能性。在每一帧开始时还要向各渲染节点发送一个主循环结束标志，当用户在主交互控制节点按下了“Esc”键或者其他结束指令的时候，就将这个标志置为1，否则置0。当渲染节点接收到置1的主循环结束标志时，就会结束渲染，同时释放与交互控制节点的连接，终止系统的运行。
参照图4，节点内部的细粒度并行优化是基于多核的并行优化，使多核处理器的多个核心能够多线程并行执行。现在主流的CPU厂商开始从追求时钟频率提高性能转移到通过多核处理器来增加并行支持来提高性能，由于集群中的每个节点都是共享内存的对称多处理器的体系结构，本发明对渲染流水线进行集群节点内部的并行优化。渲染引擎的渲染流程主要包括更新、拣选、绘制三个主要阶段。采用串行流水线渲染耗费的时间是三个流程的时间总和。本发明采用流水线并行优化后，在每一帧内，更新，拣选，绘制三个遍历并行执行。渲染节点的内部采用多线程的优化方法包括如下步骤：
步骤71：首先对渲染节点的每个CPU分配一个线程；
步骤72：将渲染过程的更新、拣选、绘制三个遍历分别分配给不同的线程在同一帧内并行执行，并且将第i帧的更新结果传送给第i+1帧的拣选遍历，第i+1帧的拣选结果传送给滴i+2帧的绘制遍历。
步骤72也可由说是对第一帧的处理时，不进行拣选和绘制操作，对第二帧处理时不进行绘制操作，从第三帧才开始进行绘制结果的输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统，该渲染优化系统基于IFC标准建立IFC实体库，以IFC实体库为基础，通过定义的数据映射关系，实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染，其特征在于，包括以下组件：
IFC实体库：根据国家标准工业基础类平台规范，应用面向对象的程序语言对规范中定义的各类实体定义出对应的实体类及其属性，并对各类实体分别建立一个容器存放BIM模型中的各类实体的实例；
IFC文件压缩器：与所述的IFC实体库连接，实现对IFC标准格式文件的压缩；
IFC文件解析器：与所述的IFC实体库连接，采用面向对象的编程语言开发了一个Activex控件，读取和分析IFC文件，把IFC文件中的数据转换为IFC实体库定义的格式，并在内存中重建Direct3D能够渲染的模型；实现对IFC标准格式文件的读取与解析；
IFC文件渲染器：建立一个基于多核PC机集群的并行绘制系统来对重建的BIM模型进行实时渲染。
2.如权利要求1所述的基于IFC标准的BIM模型渲染优化系统，其特征在于：IFC文件渲染器包括交换控制节点和数个渲染节点，每个渲染节点由具有多核PC机组成。
3.基于IFC标准的BIM模型渲染方法，该方法可实现非IFC格式转化为IFC标准格式以及对IFC标准格式文件的压缩，再读取压缩后的IFC标准格式文件进行解析，并在内存中以IFC实体库定义的格式重建BIM模型，对重建的BIM模型进行渲染，其特征在于：渲染方法包括以下步骤：
步骤1：利用IFC文件压缩器，将IFC标准格式的文件进行压缩，剔除冗余数据；
步骤2：利用IFC文件解析器，把IFC文件中的数据转换为IFC实体库定义的格式，并在内存中重建Direct3D能够渲染的模型；
步骤3：利用多核PC机集群组成的客户端的交换控制节点和服务器端的数个渲染节点建立一个IFC文件渲染器，对步骤2中重建的模型进行渲染。
4.如权利要求3所述的基于IFC标准的BIM模型渲染方法，其特征在于：渲染方法的步骤1包括以下步骤：
步骤11：对IFC标准格式文件的点数据进行冗余剔除，将相同的数据点采用唯一的标示，在需要使用的地方采用对唯一标示的行索引；
步骤12：应用基于点的三维模型压缩算法对BIM模型进行压缩优化，具体的压缩流程如下：
首先对顶点及属性数据采用层次性的结构组织点云进行量化，然后将量化后的点云数据用预测或变换等方式进行几何编码，经过几何编码的数据采用熵编码算法进行压缩。
5.如权利要求3所述的基于IFC标准的BIM模型渲染方法，其特征在于：每个渲染节点由一个PC机组成；数个渲染节点之间采用分布式的渲染方法，在渲染节点的内部采用多线程并行的优化方法。
6.如权利要求5所述的基于IFC标准的BIM模型渲染方法，其特征在于：渲染节点之间的分布式渲染包括以下步骤如下：
步骤61：对每个渲染节点分别建立节点编号，用于区分不同的渲染节点；
步骤62：根据BIM模型建立场景模型，根据场景模型建立场景图，将场景图分割成多个场景区域；
步骤63：加载场景模型，根据节点编号获取该编号所对应的渲染节点信息，计算出该渲染节点所需要渲染的场景区域；对场景区域的基本图元的归属进行判断，剔除该场景区域所对应的视景体外的基本图元；
步骤64：渲染节点初始化设置，设置渲染节点的显示状态、屏幕的宽度和高度等信息，使得渲染后输出的结果宽高比为4：3；
步骤65：根据交互控制节点发送到渲染节点的交换信息，渲染节点对场景进行渲染；
步骤66：在渲染结束后，对不同渲染节点的渲染区域的重叠部分进行无缝拼接和边缘融合处理；待边缘融合处理完成，把最终的渲染结果送到显示设备。
7.如权利要求5所述的基于IFC标准的BIM模型渲染方法，其特征在于：渲染节点的内部采用多线程的优化方法包括如下步骤：
步骤71：首先对渲染节点的每个CPU分配一个线程；
步骤72：将渲染过程的更新、拣选、绘制三个遍历分别分配给不同的线程在同一帧内并行执行，并且将第i帧的更新结果传送给第i+1帧的拣选遍历，第i+1帧的拣选结果传送给滴i+2帧的绘制遍历。
8.如权利要求5所述的基于IFC标准的BIM模型渲染方法，其特征在于：渲染方法还采用了同步技术，交换控制节点在每一帧开设的时候，向渲染节点发送一个帧标记，帧标记中含有帧计数和一个参考时间，渲染节点根据帧标记对渲染场景进行更新，通过对参考时间的控制，避免了因为某个渲染节点的一帧渲染时间过长而导致整个渲染系统效率的降低的情况出现。
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