CN107193911A - 一种基于bim模型的三维可视化引擎及web应用程序调用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM模型的三维可视化引擎及WEB应用程序调用方法。根据数字高程模型及地形地貌纹理进行地形建模；根据不同的建模软件，基于插件进行模型的上传及配准；根据算法优化模型资源，多级LOD实时计算，并将模型资源进行存储；以云+端的模式进行三维场景数据从服务器到客户端的在线传输和离线下载；支持客户端的模型交互操作，通过场景优化确保场景流畅显示。本发明能够对目前体量越来越大的模型提供流畅的三维可视化实时渲染引擎，解决模型体量与客户端计算性能之间的矛盾，对于实现全生命周期的建筑信息可视化和信息协同共享，实现模型效率最大化具有重大的价值、经济效益和社会效益。

Description

一种基于BIM模型的三维可视化引擎及WEB应用程序调用方法

技术领域

本发明属于计算机图形学领域，具体地，涉及一种用于在网页中动态实时浏览超大体量模型的三维可视化引擎及在WEB应用程序中的调用方法。

背景技术

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(亿以上面片数)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，本发明提供了一种用于在网页中动态实时浏览超大体量BIM模型的三维可视化引擎及WEB应用程序调用方法，实时对BIM模型进行三维场景的挑选和剔除，自动对场景进行多级LOD加载，以适应客户端硬件计算水平。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种基于BIM模型的三维可视化引擎，该可视化引擎包括地形模型生成系统、多源模型支持系统、场景生成系统、模型资源加载系统和模型交互场景管理系统。

多源模型支持系统将不同格式模型与地形模型生成系统进行组合之后形成一个完整模型，该模型经过资源转换之后通过场景生成系统的自动计算形成不同层次的模型文件。场景调度与交互系统通过场景调度与交互模块进行模型文件的加载与交互，以保证用户进行三维场景的实时交互。

地形模型生成系统：负责基于DLG数字线划图进行地形场景的生成，并将分层地理信息数据存储到数据库中。

多源模型支持系统：负责对接不同的建模工具，将不同的建模工具所建的模型，按照模型所在的坐标位置组合在场景中，并安放在地形模型生成系统中的场景位置。

场景生成系统：通过对整体模型的资源进行优化、按照场景中的观察者位置，对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算。

模型资源加载系统：支持系统以云+端的模式进行三维场景数据从服务器到客户端的在线传输和离线下载。

模型交互场景管理系统：用于在场景中进行用户视图浏览、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，满足用户多种用模型需求。

所述地形模型生成子系统，包括三维数字高程的提取、地形三角网生成与优化、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的建模及优化。

所述多源模型生成子系统，包括对市场上主流的建模软件进行模型、包括纹理、材质及建模过程中记录的属性数据进行无损的导入，并将模型按照空间位置和地形信息进行配准。

所述场景生成子系统，包括对导入场景中的模型，根据动态松弛二叉树算法进行资源的重新计算、确保场景的挑选和剔除的高效，对场景中的模型自动进行细节LOD算法。并将场景生成的模型文件存放在服务器上。

所述场景生成子系统包括如下系统：

系统1：用于利用Revit软件将单个原始BIM模型转换为单个构件的模型文件，通过集合，形成多个构件的模型文件集合。

系统2：用于将模型文件集合合并为顶层空间块，利用减面算法对面数进行精简。将顶层空间块保存为空间二叉树的一个节点。

系统3：用于以8ⁿ为基数对顶层空间块划分为多个小空间块，同时利用减面算法使每个空间块面数等于原始面数，且小于一定的面数为止，经过面数精简将各个小空间块保存为空间二叉树的各个节点。

系统4：用于将空间块节点资源集合用于实时渲染，渲染时根据当前空间块与相机的距离，以及相机的视场角、屏幕分辨率，计算出当前空间块的屏幕空间误差，根据误差大小决定是否继续向下一层划分。将不再继续划分层次的空间块作为渲染对象进行渲染。

系统5：用于利用GPU的异步遮挡查询功能，动态剔除掉被遮挡的空间块，进一步降低渲染负载。

所述模型资源加载系统，支持模型文件服务器与客户端之间的模型加载服务；当客户端登陆系统时，系统检索本地没有相应的模型缓存文件时，系统提示客户进行离线更新或在线更新，在线更新时，通过特殊的算法进行不同细节LOD的模型的在线加载，确保用户能够流畅的进行模型的加载与更新；

所述模型交互场景管理系统，用于在网页和应用程序中提供三维可视化浏览服务。在场景中进行用户视图浏览、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操作，满足用户多种用模需求。

一种基于BIM模型的三维可视化引擎的WEB应用程序调用方法，采用上述的三维可视化引擎，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：根据数字线划图、DEM数据等，通过配准生成地形模型；

步骤2：根据不同的建模软件，提供深度继承于三维建模工具的模型上传和转换工具，并在三维的场景中，根据统一的坐标系统，自动进行不同模型之间、模型与地形之间的位置配准；

步骤3：利用场景生成工具，整合地形模型数据，对整体模型的资源进行优化，按照场景中的观察者位置，对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算,将生成的模型资源放在模型转换服务器上；

步骤4：以云+端的模式进行三维场景数据以不同细节LOD层级从服务器到客户端的在线传输和离线下载；

步骤5：根据客户端的请求，在场景中进行视图浏览、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。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：利用Revit软件将单个原始BIM模型转换为单个构件的模型文件，通过集合，形成多个构件的模型文件集合。

步骤3.2：将模型文件集合合并为顶层空间块，利用减面算法对面数进行精简。将顶层空间块保存为空间二叉树的一个节点。

步骤3.3：以8ⁿ为基数对顶层空间块划分为多个小空间块，同时利用减面算法使每个空间块面数等于原始面数，且小于一定的面数为止，经过面数精简将各个小空间块保存为空间二叉树的各个节点。

步骤3.4：将空间块节点资源集合用于实时渲染，渲染时根据当前空间块与相机的距离，以及相机的视场角、屏幕分辨率，计算出当前空间块的屏幕空间误差，根据误差大小决定是否继续向下一层划分。将不再继续划分层次的空间块作为渲染对象进行渲染。

步骤3.5：同时利用GPU的异步遮挡查询功能，动态剔除掉被遮挡的空间块，进一步降低渲染负载。

附图说明

图1为用于在网页中动态实时浏览超大体量BIM模型的三维可视化引擎

图2为用于在网页中动态实时浏览超大体量BIM模型的WEB应用程序调用方法

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。

如图1所示，一种用于在网页中动态实时浏览超大体量BIM模型的三维可视化引擎，包括地形模型生成系统、多源模型支持系统、场景生成系统、模型资源加载系统、模型交互场景管理系统。

其特征在于：地形模型生成系统负责基于DLG数字线划图进行地形场景的生成，并将分层地理信息数据存储到数据库中；多源模型支持系统将对接不同的建模工具，将不同建模工具所建的模型，按照模型所在的坐标位置组合在场景中，并安放在合适的位置；场景生成系统通过对整体模型的资源进行优化、按照场景中的观察者位置，对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算；模型资源加载系统支持系统以云+端的模式进行三维场景数据从服务器到客户端的在线传输和离线下载；模型交互场景管理系统用于在场景中进行用户视图浏览、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，满足用户多种用模需求。

地形模型生成系统，根据数字线划图、DEM数据等，通过配准生成地形模型，通过地形自动LOD算法，无缝加载各层级LOD，确保地形精确的进行加载和显示。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，地形网格能够在高低精度间平滑过渡。此系统负责地形场景的生成，并将分层地理信息数据存储到数据库中。

多源模型支持系统，系统支持常用建模工具所建立的模型，通过系统提供的深度继承于各建模工具的二次开发接口所建立的转换工具，或通过标准的数据IFC格式中转，将多源的模型按照模型所在的坐标位置加载到三维引擎所生成的场景中，自动进行不同模型之间、模型与地形之间的位置配准。

场景生成系统，对导入场景中的模型，根据动态松弛二叉树算法对模型整体资源进行优化，动态的根据观察者的距离远近、及位置(视锥体)对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算，将生成的模型资源放在模型转换服务器上。

模型资源加载系统，系统以云+端的模式进行三维场景数据从服务器到客户端的在线传输和离线下载，当客户端登陆系统时，系统检索本地没有相应的模型缓存文件时，系统提示客户进行离线更新或在线更新，在线更新时，通过特殊的算法进行不同细节LOD的模型的在线加载，确保用户能够流畅的进行模型的加载与更新。

模型交互管理系统，在场景中进行视图浏览、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，满足各种用模需求。在用户使用的过程中，系统通过算法自动的进行场景的挑选和剔除，根据客户端的显卡及显存(显示计算能力)，自动进行场景计算(场景的可视构件及面片数的加减)，将场景的渲染的三角面数，始终维持在一个客户端可计算的数量级内，确保用户的使用效果。

优选地，所述场景生成子系统包括如下系统：

系统1：用于利用Revit软件将单个原始BIM模型转换为单个构件的模型文件，通过集合，形成多个构件的模型文件集合。

系统2：用于将模型文件集合合并为顶层空间块，利用减面算法对面数进行精简。将顶层空间块保存为空间二叉树的一个节点。

系统3：用于以8ⁿ为基数对顶层空间块划分为多个小空间块，同时利用减面算法使每个空间块面数等于原始面数，且小于一定的面数为止，经过面数精简将各个小空间块保存为空间二叉树的各个节点。

系统4：用于将空间块节点资源集合用于实时渲染，渲染时根据当前空间块与相机的距离，以及相机的视场角、屏幕分辨率，计算出当前空间块的屏幕空间误差，根据误差大小决定是否继续向下一层划分。将不再继续划分层次的空间块作为渲染对象进行渲染。

系统5：用于利用GPU的异步遮挡查询功能，动态剔除掉被遮挡的空间块，进一步降低渲染负载。

如图2所示，用于在网页中动态实时浏览超大体量BIM模型的WEB应用程序调用方法，包括如下步骤：

步骤1：根据数字线划图、DEM数据等，通过配准生成地形模型；

根据数字高程模型，提取三维数字高程，生成与优化地形三角网，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场景的建模及优化；

步骤2：根据不同的建模软件，提供深度继承于三维建模工具的模型上传和转换工具，并在三维的场景中，根据统一的坐标系统，自动进行不同模型之间、模型与地形之间的位置配准；

多源模型生成系统支持对市场上主流的建模软件进行模型、包括纹理、材质及建模过程中记录的属性数据的无损导入，并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3：利用场景生成工具，整合地形模型数据，对整体模型的资源进行优化，按照场景中的观察者位置，对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算,将生成的模型资源放在模型转换服务器上；

对于导入场景中的模型，根据动态松弛二叉树算法进行资源的重新计算、确保场景的挑选和剔除的高效，对场景中的模型进行自动的细节LOD算法。并将场景生成的模型文件，包括动态松弛二叉树算法、自动细节LOD算法、和渲染计算、渲染文件存放服务器。

步骤4：以云+端的模式进行三维场景数据以不同细节LOD层级从服务器到客户端的在线传输和离线下载；

当客户端登陆系统时，系统检索本地没有相应的模型缓存文件时，系统提示客户进行离线更新或在线更新，在线更新时，通过特殊的算法进行不同细节LOD的模型的在线加载，确保用户能够流畅的进行模型的加载与更新。

步骤5：根据客户端的请求，在场景中进行视图浏览、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。

在用户使用的过程中，系统通过算法自动的进行场景的挑选和剔除，根据客户端的显卡及显存(显示计算能力)，自动进行场景计算(场景的可视构件及面片数的加减)，将场景的渲染的三角面数，始终维持在一个客户端可计算的数量级内，确保用户的使用效果。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：利用Revit软件将单个原始BIM模型转换为单个构件的模型文件，通过集合，形成多个构件的模型文件集合。

步骤3.2：将模型文件集合合并为顶层空间块，利用减面算法对面数进行精简。将顶层空间块保存为空间二叉树的一个节点。

步骤3.3：以8ⁿ为基数对顶层空间块划分为多个小空间块，同时利用减面算法使每个空间块面数等于原始面数，且小于一定的面数为止，经过面数精简将各个小空间块保存为空间二叉树的各个节点。

步骤3.4：将空间块节点资源集合用于实时渲染，渲染时根据当前空间块与相机的距离，以及相机的视场角、屏幕分辨率，计算出当前空间块的屏幕空间误差，根据误差大小决定是否继续向下一层划分。将不再继续划分层次的空间块作为渲染对象进行渲染。

步骤3.5：同时利用GPU的异步遮挡查询功能，动态剔除掉被遮挡的空间块，进一步降低渲染负载。

Claims (7)

1.一种基于BIM模型的三维可视化引擎，其特征在于：该可视化引擎包括地形模型生成系统、多源模型支持系统、场景生成系统、模型资源加载系统和模型交互场景管理系统；

多源模型支持系统将不同格式模型与地形模型生成系统进行组合之后形成一个完整模型，该模型经过资源转换之后通过场景生成系统的自动计算形成不同层次的模型文件；场景调度与交互系统通过场景调度与交互模块进行模型文件的加载与交互，以保证用户进行三维场景的实时交互；

地形模型生成系统：负责基于DLG数字线划图进行地形场景的生成，并将分层地理信息数据存储到数据库中；

多源模型支持系统：负责对接不同的建模工具，将不同的建模工具所建的模型，按照模型所在的坐标位置组合在场景中，并安放在地形模型生成系统中的场景位置；

场景生成系统：通过对整体模型的资源进行优化、按照场景中的观察者位置，对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算；

模型资源加载系统：支持系统以云+端的模式进行三维场景数据从服务器到客户端的在线传输和离线下载；

模型交互场景管理系统：用于在场景中进行用户视图浏览、视图快照、场景标注、空间量测、空间剖切、属性查询、图文关联模型交互功能，满足用户多种用模型需求。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的三维可视化引擎，其特征在于：所述地形模型生成子系统，包括三维数字高程的提取、地形三角网生成与优化、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的建模及优化。

3.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的三维可视化引擎，其特征在于：所述多源模型生成子系统，包括对市场上主流的建模软件进行模型、包括纹理、材质及建模过程中记录的属性数据进行无损的导入，并将模型按照空间位置和地形信息进行配准。

4.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的三维可视化引擎，其特征在于：所述场景生成子系统，包括对导入场景中的模型，根据动态松弛二叉树算法进行资源的重新计算、确保场景的挑选和剔除的高效，对场景中的模型自动进行细节LOD算法；并将场景生成的模型文件存放在服务器上。

5.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的三维可视化引擎，其特征在于：所述场景生成子系统包括如下系统：

系统1：用于利用Revit软件将单个原始BIM模型转换为单个构件的模型文件，通过集合，形成多个构件的模型文件集合；

系统2：用于将模型文件集合合并为顶层空间块，利用减面算法对面数进行精简；将顶层空间块保存为空间二叉树的一个节点；

系统3：用于以8ⁿ为基数对顶层空间块划分为多个小空间块，同时利用减面算法使每个空间块面数等于原始面数，且小于一定的面数为止，经过面数精简将各个小空间块保存为空间二叉树的各个节点；

系统4：用于将空间块节点资源集合用于实时渲染，渲染时根据当前空间块与相机的距离，以及相机的视场角、屏幕分辨率，计算出当前空间块的屏幕空间误差，根据误差大小决定是否继续向下一层划分；将不再继续划分层次的空间块作为渲染对象进行渲染；

系统5：用于利用GPU的异步遮挡查询功能，动态剔除掉被遮挡的空间块，进一步降低渲染负载；

所述模型资源加载系统，支持模型文件服务器与客户端之间的模型加载服务；当客户端登陆系统时，系统检索本地没有相应的模型缓存文件时，系统提示客户进行离线更新或在线更新，在线更新时，通过特殊的算法进行不同细节LOD的模型的在线加载，确保用户能够流畅的进行模型的加载与更新。

6.根据权利要求1所述的一种基于BIM模型的三维可视化引擎，其特征在于：所述模型交互场景管理系统，用于在网页和应用程序中提供三维可视化浏览服务；在场景中进行用户视图浏览、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操作，满足用户多种用模需求。

7.利用权利要求1所述的一种基于BIM模型的三维可视化引擎进行的一种基于BIM模型的三维可视化引擎的WEB应用程序调用方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：根据数字线划图、DEM数据，通过配准生成地形模型；

步骤2：根据不同的建模软件，提供深度继承于三维建模工具的模型上传和转换工具，并在三维的场景中，根据统一的坐标系统，自动进行不同模型之间、模型与地形之间的位置配准；

步骤3：利用场景生成工具，整合地形模型数据，对整体模型的资源进行优化，按照场景中的观察者位置，对场景进行挑选和剔除，并自动进行多级LOD的实时计算,将生成的模型资源放在模型转换服务器上；

步骤4：以云+端的模式进行三维场景数据以不同细节LOD层级从服务器到客户端的在线传输和离线下载；

步骤5：根据客户端的请求，在场景中进行视图浏览、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；

所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：利用Revit软件将单个原始BIM模型转换为单个构件的模型文件，通过集合，形成多个构件的模型文件集合；

步骤3.2：将模型文件集合合并为顶层空间块，利用减面算法对面数进行精简；将顶层空间块保存为空间二叉树的一个节点；

步骤3.3：以8ⁿ为基数对顶层空间块划分为多个小空间块，同时利用减面算法使每个空间块面数等于原始面数，且小于一定的面数为止，经过面数精简将各个小空间块保存为空间二叉树的各个节点；

步骤3.4：将空间块节点资源集合用于实时渲染，渲染时根据当前空间块与相机的距离，以及相机的视场角、屏幕分辨率，计算出当前空间块的屏幕空间误差，根据误差大小决定是否继续向下一层划分；将不再继续划分层次的空间块作为渲染对象进行渲染；

步骤3.5：同时利用GPU的异步遮挡查询功能，动态剔除掉被遮挡的空间块，进一步降低渲染负载。