CN106598683A - 一种在gis大场景下模型数据快速加载方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于GIS三维技术领域，提供一种在GIS大场景下模型数据快速加载方法及装置，所述方法包括：参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号；遍历模型的所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量；每个方向向量都会落入到其中一块球皮中，据此记录各个三角形所属的球皮；计算视野中可见球皮；将可见球皮子模型的进行数据加载显示。本发明将模型整体拆开并进行合理组织，然后加载时尽量只加载可见的部分，把数据从整体中分离出来，可以很大程度上避免模型冗余数据的加载，提高了模型加载速度，降低了对设备的CPU和内存的要求。

Description

一种在GIS大场景下模型数据快速加载方法及装置

技术领域

本发明属于GIS三维技术领域，尤其涉及一种在GIS大场景下模型数据快速加载方法及装置。

背景技术

在GIS(Geographic Information System，地理信息系统)三维技术中，经常会涉及到大量的模型数据加载。比如一个城市或者一个地区，模型的数量都是特别庞大，庞大的数据量导致模型的加载非常缓慢。而如何更快的加载模型三维GIS研究的重大课题。

LOD技术(Levels of Detail，多细节层次)是目前的模型数据加载的一种比较成熟的技术，可以使得模型数据加载速度有较好的提升。但是不管LOD如何简化，对于模型数据加载还是必然面临一个问题：对于一个立体对象，往往首先只看到对象朝向我们的一部分，而背后一部分，一般都是冗余数据，只有在后续移动相机时才需要适应性加载。而对于LOD技术，目前采用的还是模型数据整体加载方案，致使很多情况下模型背面数据是无意义的，可能一直不会看到，因此这种整体加载方案会增加加载时间开销、显示时计算开销，而且大批量模型在浏览时对设备内存和CPU占用太大，过多占用设备资源。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种在GIS大场景下模型数据快速加载方法及装置，旨在解决采用现有LOD技术大批量模型的加载太慢、过多占用设备资源的技术问题。

一方面，所述在GIS大场景下模型数据快速加载方法，包括下述步骤：

参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号；

遍历模型的所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量，所述方向向量垂直于三角形所在平面；

每个方向向量都会落入到其中一块球皮中，据此记录各个三角形所属的球皮，一块球皮内的所有三角形组成一个子模型；

计算视野中可见球皮；

将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

进一步的，所述方法还包括：

当视角变换时，计算多出的可见球皮，并进行子模型加载。

进一步的，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，一个模型被分为N*M块球皮。

进一步的，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，并且最高纬线的上方合并为一块球皮，最低纬线的下方也合并为一块球皮。

进一步的，所述计算视野中可见球皮步骤，具体包括：

获取视角向量，所述视角向量为模型中心到相机的位置向量；

获取经线和纬线的交点，每个交点对应一个点向量；

将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮。

进一步的，所述将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮步骤，具体包括：

选择一个点向量，将当前点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮；

将可见球皮覆盖的点向量全部剔除，从剩余的点向量中继续选择一个点向量与视角向量点乘进行判断，直至所有点向量选择完毕。

进一步的，在加载可见球皮子模型数据后，如果内存够用，则可在显示可见球皮后，逐步在后台加载其他球皮。

另一方面，所述在GIS大场景下模型数据快速加载装置，包括：

球皮划分单元，用于参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号；

遍历单元，用于遍历模型的所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量，所述方向向量垂直于三角形所在平面；

分区单元，用于根据每个方向向量都会落入到其中一块球皮，记录各个三角形所属的球皮，一块球皮内的所有三角形组成一个子模型；

计算单元，用于计算视野中可见球皮；

加载显示单元，用于将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

进一步的，所述计算单元还用于当视角变换时，计算多出的可见球皮，所述加载显示单元还用于对多出的可见球皮进行子模型加载。

进一步的，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，一个模型被分为N*M块球皮，或者将最高纬线的上方合并为一块球皮，最低纬线的下方也合并为一块球皮；所述计算单元包括：

向量获取模块，用于获取视角向量，所述视角向量为模型中心到相机的位置向量；

交点获取模块，用于获取经线和纬线的交点，每个交点对应一个点向量；

判断模块，用于将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮。

本发明的有益效果是：一般情况下，一个模型往往只能看到一半的数据，本发明将模型整体拆开并进行合理组织，然后加载时尽量只加载可见的部分，把数据从整体中分离出来，可以很大程度上避免模型冗余数据的加载，提高了模型加载速度，降低了对设备的CPU和内存的要求。

附图说明

图1是立方体盒子的第一状态图；

图2是立方体盒子的第二状态图；

图3是在GIS大场景下模型数据快速加载方法的流程图；

图4是模型划分示意图；

图5是模型编号示意图；

图6是方向向量示意图；

图7是在GIS大场景下模型数据快速加载装置的结构方框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

模型数据一般是比较庞大的，且跟全球数据浏览一样，有很多冗余可以去除，需要通过有效办法去组织。对于一个立方体盒子，如图1所示，由12个三角形组成：正常情况下，一般只能看到6个三角形，如果还要加载背面的6个三角形，则会影响加载速度、内存占用和显示计算的。

而在飞行模式下，对于这个盒子，无论怎么旋转只需要加载这6个三角形就行了。在模型旋转这种情况下，如图2所示，可能转在某一个角度，其中有两个三角形消失，而另外两个三角形出现，但是加载两个三角形的开销，相对12个三角形的加载，肯定是小的。

如图1、2所示，在首次加载，只需要显示三角形ACD、ABD、CGD、GDH、BDF、DFH，而旋转到某一角度时，三角形CGD、GDH隐藏，三角形AEF、ABF显示。因此可见，通过模型拆分，所加载的数据量是明显减小的。

对于12个三角形容易整理，但是对于一个大模型，比如有12万个三角形，是不可能分成12万个子模型的，因为这样调度开销、输出等时间会大幅增加。因此本发明通过数据预处理来解决大量三角形的分区问题，然后对可见分区进行加载，以实现减少冗余数据加载，提高加载效率。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图3示出了本发明实施例提供的在GIS大场景下模型数据快速加载方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图3所示，本发明实施例方法包括下述步骤：

步骤S1、参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号。

对于球皮划分，不能划分太细，否则会增加调度压力，也不能分的太粗，否则数据加载上的数据较小量不是很明显。例如只分两块球皮，而在某一个角度，两块都有一部分被看见，则两块内容都需要加载才能显示完整的模型。

作为具体的划分方法，如图4所示，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，一个模型被分为N*M块球皮。本实施例不对N和M值做具体限定。根据经验选择，具体办法参照单位球，做32块划分，其中经度8等分，维度4等分，即一个大模型划分为32块球皮。

球皮划分完后，需要按照一定顺序对各球皮进行编号，如图5所示。

步骤S2、遍历所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量，所述方向向量垂直于三角形所在平面。

每个模型对象都是由最基本的三角形构成的，对应模型数据加载，都是按三角形分片形式加载，类似于地图瓦片，每块瓦片代表了一个层的地图数据显示。

每个三角形的面方向是确定的，计算出三角形所在平面的方向向量。为了便于后续计算，可以将方向向量归一化为单位向量。所述方向向量的示意图如图6所示。

步骤S3、每个方向向量都会落入到其中一块球皮中，据此记录各个三角形所属的球皮，一块球皮内的所有三角形组成一个子模型。

每个三角形有一个方向向量，因此很容易知道每个三角形的方向向量落在某一块球皮上。如果落在该球皮上，则认为此三角形属于这一块球皮上。因此可以将所有个三角形进行分区归类，一块球皮内包含有多个三角形。

上述步骤S1-S3是数据预处理部分，其作用是将庞大的模型整体，按照规则划分为一个三角形集合，即每块球皮为一个三角形集合。

然后进行数据存储，一个模型数据文件分解为32个文件，他们的命名分别为原模型文件名后面加_M0,_M1……_M31这样的模式，且0-31这样的编号是有明确意义的，代表球皮的某一个块。对于所有子模型来说，这个命名都是统一的，主要是为了方便快速读取模型的哪一块。

另外，原始的模型文件信息存在一个单独文件里，记录了该模型整体的属性。

例如有个模型文件ModelSample,经过划分的预处理，分解为信息文件ModelSample_Info,以及32个数据文件ModelSample_M0、ModelSample_M1……ModelSample_M31。

步骤S4、计算视野中可见球皮。

现有技术模型加载调度过程中，模型的所有数据都需要加载进来，而模型中心和视点(即相机)在窗口坐标中的相对关系是已知的，直接读取原模型，按照既定姿态放在某个位置，这样位置、姿态就是已知，可以映射出相机在原模型坐标中的位置。

而本发明中，不急于直接把模型加载进来，而是通过位置关系，计算该模型的可见球皮，也只加载可见球皮。

具体计算过程如下：

首先获取视角向量，所述视角向量为模型中心到相机的位置向量，而视角向量如果归一化到球皮，也可以认为它属于某一块球皮，一般情况下，相机都会在模型的包围盒外；然后获取经线和纬线的交点，每个交点对应一个点向量；对于32块球皮，有1+1+3*8＝26个交点，也就是说，32块球皮是由26个交点来分割的；如果看到26个点中的某一个，则可看到它周围的4个(极点是8个)球皮的整体或者一部分。比如，图示中，如果可以看到交点X，那么其附近的球皮2、球皮3、球皮10、球皮11整体或者部分可见；而对于交点是否可见的判断，直接判断交点的点向量与视角向量的夹角即可，如果如果夹角小于90度，则可见，否则不可见。而向量间的夹角和90度的关系判断也很简单，即计算向量的点乘值：大于0，则小于90度；等于0，则等于90度；小于0，则大于90度。将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点可见，因此可以判断该交点附近的球皮均为可见球皮。这里所述点向量为模型中心到交点的向量。

进过26次点乘之后，即可完全判断出哪些球皮为可见球皮。当然为了减少计算量，选择一个点向量后，将当前点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮；然后将可见球皮覆盖的点向量全部剔除，从剩余的点向量中继续选择一个点向量与视角向量点乘进行判断，直至所有点向量选择完毕。比如图示中，当选择交点X并判断交点X可见后，那么其附近的球皮2、球皮3、球皮10、球皮11都可见，这四块球皮总共覆盖了7个交点(包含交点X)，那么这7个交点对应的点向量就无需考虑选择，从剩余的点向量选择，并与视角向量点乘，继续重复判断，直至所有点向量选择完毕，这样可以很大程度上减少计算次数。在理想情况下，一次选择计算可以分辨出7个交点，26个交点大概4次就可以判断完毕。

步骤S5、将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

找到可见球皮后，将对应的子模型进行数据加载显示，即加载每个子模型中的各个三角形。由于可见球皮数量远小于整个球皮数量，因此，可以很大程度上减少所需加载的数据量。

当视角变换时，计算多出的可见球皮，并进行子模型加载。在子模块加载过程中，本发明也可以和LOD技术一起混合使用，从另外一个维度提升加载显示效率。在加载可见球皮子模型数据后，如果内存够用，则可在显示可见球皮后，逐步在后台加载其他球皮。

一般来说，在GIS中浏览大场景模型，都是出于一个比模型略高的位置，而且很少出于从下往上的视角。因此，顶部和底部可以不用太细划分。一般情况下顶部一直可见，而底部一直不可见。将上下两部分各自合并起来处理，效率会更高。具体的，将图示中模型最高纬线的上方8块球皮合并为一块球皮，最低纬线的下方的8块球皮也合并为一块球皮。

实施例二：

图7示出了本发明实施例提供的在GIS大场景下模型数据快速加载装置的方框结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的在GIS大场景下模型数据快速加载装置包括：

球皮划分单元71，用于参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号；

遍历单元72，用于遍历模型的所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量，所述方向向量垂直于三角形所在平面；

分区单元73，用于根据每个方向向量都会落入到其中一块球皮，记录各个三角形所属的球皮，一块球皮内的所有三角形组成一个子模型；

计算单元74，用于计算视野中可见球皮；

加载显示单元75，用于将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

上述功能单元71-75对应实现了实施例一中的步骤S1-S5，具体的，通过球皮划分单元71将模型划分为多块球皮并编号，然后遍历单元遍历所有三角形并通过分区单元分区，记录各个三角形所属的球皮，计算单元计算视野中可见球皮，最后通过加载显示单元将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

进一步的，所述计算单元还用于当视角变换时，计算多出的可见球皮，所述加载显示单元还用于对多出的可见球皮进行子模型加载。

进一步的，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，一个模型被分为N*M块球皮，或者将最高纬线的上方合并为一块球皮，最低纬线的下方也合并为一块球皮。

所述计算单元包括：

向量获取模块，用于获取视角向量，所述视角向量为模型中心到相机的位置向量；

交点获取模块，用于获取经线和纬线的交点，每个交点对应一个点向量；

判断模块，用于将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮。

本发明将地球分块划分应用到模型中来，通过简单的计算，判断出可见球皮，大大减少了数据冗余，而且显示效果丝毫不受影响。另外本发明还可以和LOD这种常规技术配合使用，互不冲突，共同做到数据精简。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在GIS大场景下模型数据快速加载方法，其特征在于，所述方法包括：

参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号；

遍历模型的所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量，所述方向向量垂直于三角形所在平面；

每个方向向量都会落入到其中一块球皮中，据此记录各个三角形所属的球皮，一块球皮内的所有三角形组成一个子模型；

计算视野中可见球皮；

将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

当视角变换时，计算多出的可见球皮，并进行子模型加载。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，一个模型被分为N*M块球皮。

4.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，并且最高纬线的上方合并为一块球皮，最低纬线的下方也合并为一块球皮。

5.如权利要求3或4所述方法，其特征在于，所述计算视野中可见球皮步骤，具体包括：

获取视角向量，所述视角向量为模型中心到相机的位置向量；

获取经线和纬线的交点，每个交点对应一个点向量；

将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮步骤，具体包括：

选择一个点向量，将当前点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮；

将可见球皮覆盖的点向量全部剔除，从剩余的点向量中继续选择一个点向量与视角向量点乘进行判断，直至所有点向量选择完毕。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，在加载可见球皮子模型数据后，如果内存够用，则可在显示可见球皮后，逐步在后台加载其他球皮。

8.一种在GIS大场景下模型数据快速加载装置，其特征在于，所述装置包括：

球皮划分单元，用于参照单位球将模型划分为多块球皮，并对所有球皮进行顺序编号；

遍历单元，用于遍历模型的所有三角形，其中针对每一个三角形，获取该三角形的方向向量，所述方向向量垂直于三角形所在平面；

分区单元，用于根据每个方向向量都会落入到其中一块球皮，记录各个三角形所属的球皮，一块球皮内的所有三角形组成一个子模型；

计算单元，用于计算视野中可见球皮；

加载显示单元，用于将可见球皮子模型的进行数据加载显示。

9.如权利要求8所述装置，其特征在于，所述计算单元还用于当视角变换时，计算多出的可见球皮，所述加载显示单元还用于对多出的可见球皮进行子模型加载。

10.如权利要求9所述装置，其特征在于，所述模型通过经纬线进行划分球皮，按经度进行N等分，按纬度进行M等分，一个模型被分为N*M块球皮，或者将最高纬线的上方合并为一块球皮，最低纬线的下方也合并为一块球皮；所述计算单元包括：

向量获取模块，用于获取视角向量，所述视角向量为模型中心到相机的位置向量；

交点获取模块，用于获取经线和纬线的交点，每个交点对应一个点向量；

判断模块，用于将所述点向量与所述视角向量点乘，若结果大于0，则认定当前点向量对应交点的附近球皮为可见球皮。