CN109978981A - 一种提高建筑模型显示效率的批次渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于图形处理技术领域，具体涉及一种提高建筑模型显示效率的批次渲染方法。在数字建筑领域，由于业务逻辑的复杂性，导致图元数量非常庞大，导致CPU不堪重负。为了解决上述在建筑领域的图形渲染问题，本发明提出了一种新的批次渲染方法，将材质相同的图元分为两种类型后打包分组并合并，第一种类型是材质相同且形状相似的图元，采用实例批次合并方式；第二种类型是材质相同且形状不相似的图元，采用静态批次合并方式；对合并后的图元进行渲染。本发明能够根据场景编辑结果来自动拆除编辑图元，批次合并后，可支持拆包、合并，实现动态编辑模型操作，解决大量形状相似但存在个性化差异图元的场景的效率提升问题。

Description

一种提高建筑模型显示效率的批次渲染方法

技术领域

本发明属于图形处理技术领域，具体涉及一种提高建筑模型显示效率的批次渲染方法。

背景技术

静态批次合并渲染技术在图形技术领域的应用十分广泛，尤其在需要实时渲染的图形引擎中，更是十分常见，将符合一定条件的多个可渲染对象进行合并处理，最终传输到显卡进行绘制是合并处理以后的单个可渲染对象，目的是为了减少绘制次数以及绘制状态的切换，从而提升渲染效率。

在数字建筑领域，由于业务逻辑的复杂性，导致图元数量非常庞大，而每个图元的渲染都需要调用一次底层图形应用接口，每一次调用底层图形应用接口，CPU都需要做很多工作，导致CPU不堪重负，但GPU却因为任务不足陷入等待，这也成为实时渲染应用中一个严重的性能瓶颈问题。

游戏领域的图形引擎通常采用的做法是简单的将具有相同材质的图元合并成一个图元进行渲染，从而达到减少渲染次数的目的。

由于建筑领域的业务复杂性，直接应用现有的静态批次合并渲染方法，会存在以下几个问题：

1、建筑软件通常需要大量的编辑操作，简单合并后，导致无法进行编辑操作；

2、建筑领域通常存在大量的形状相似的模型，如大量长短不一的钢管或者重复的柱体，这种情况下，简单的批次合并渲染可以一定程度的提高绘制效率，但是内存消耗仍然非常大；

3、建筑领域由于独特的业务特点，存在图元绘制优先级问题，如果不同优先级的图元被合并成同一个图元，会导致渲染结果错误；

4、合并的图元过多使GPU渲染时间太久，从而导致CPU利用率下降。

发明内容

为了解决上述在建筑领域的图形渲染问题，本发明提出了一种新的批次渲染方法，能够根据场景编辑结果来自动拆除编辑图元，解决存在大量形状相似但是图元间存在个性差异的场景下的效率问题。

本发明所指的形状相似是指顶点数组完全相同，只是矩阵不同，即形状相似的两个物体，其中一个可以通过矩阵的旋转、平移、错切和/或镜像等操作转换为另一个物体。

本发明针对两种情况进行批次渲染操作：①场景中的模型不仅材质相同，而且彼此有相似的形状，比如施工工地场景中的脚手架，特点是模型数量庞大，而且形状都是圆柱体，只是长短和位置不同；②场景中存在大量材质相同，但是彼此形状不同的模型，比如木地板，木桌子，木椅子等。

在本发明中材质相同是图元可以合并的基础，根据打包的原理不同，分为两种合并方式：静态批次合并和实例批次合并。

实例批次合并是指在图元打包时，除了将基础图元的源数据写入顶点缓冲区外，其他被合并图元相对于基础图元的变换矩阵信息也写入顶点缓冲区，在渲染时调用OpenGL底层的实例绘制方法进行绘制，减少draw call次数的同时，节省内存消耗。

静态批次合并是指在图元打包时，将所有材质相同的图元的顶点缓冲数据读取出来，与变换矩阵相乘转换到同一个坐标系后，全部顶点数据合并到成一份顶点数据连同材质数据传送到显卡中进行绘制。

当场景组织时，如果是形状相似的图元，内存中只有一份数据，其他的图元引用该数据(即判断两个图元的形状是否相似的方法)，批次渲染打包时，根据数据的引用关系进行分类，分别采用不同的打包方式。具有引用关系的图元采用实例批次合并，即将与第一种情况对应的具有相同材质并且图元形状相似的，根据相似形状进行实例批次合并；否则采用静态批次合并，即将与第一种情况对应的具有相同材质，但是形状不同的静态图元进行静态批次合并，一次性传输给GPU进行绘制，减少GPU端渲染状态的切换，提高GPU端的渲染效率，并自适应调整打包大小，防止一次传输数据量太大导致CPU利用率下降。

本发明在场景发生编辑时，若导致材质数据发生改变，可以动态将编辑图元拆包，变成独立图元渲染。

在此通过举例介绍几种情况技术效果的差异，如果两个材质相同，形状相似的物体，每个物体包含100个面片：

如果不使用批次合并策略，显卡需要绘制两次，每次CPU向显卡传递材质数据和100个面片数据；

如果使用实例批次合并策略，显卡绘制一次，CPU需要向显卡传递材质数据和100个面片数据，以及矩阵信息；

如果使用静态批次合并策略，显卡绘制一次，CPU需要向显卡传递材质数据和两个图元一共200个面片数据。

可见，在场景中若存在大量材质相同的图元时，实例批次合并策略在减低渲染次数的同时，向GPU传递的数据量更少，从而减低了CPU端传输的消耗；静态批次合并策略会大量减低渲染次数，提高绘制效率。

本发明提供了一种综合的批次渲染算法，允许对模型进行实时编辑操作，可以提升大场景下的渲染效率，并具有以下有益效果：

1、批次合并后，可支持拆包、合并，实现动态编辑模型操作；

2、结合实例绘制方式，解决大量形状相似但存在个性化差异图元的场景的效率提升问题；

3、可以与渲染优先级策略结合使用，根据优先级对图元排序，处于同一个优先级的图元用前面提到的策略进行批次合并；

4、可以设置合并图元的数量，超过数量后自动计入下一个批次渲染，防止GPU绘制时间太久，造成CPU等待，影响渲染效率。

附图说明

图1是本发明提高建筑模型显示效率的批次渲染方法的原理图。

具体实施方式

现在结合图1对本发明的技术方案进行说明，本发明提高建筑模型显示效率的批次渲染方法，主要包含三个独立模块，即打包，渲染和拆包，实例批次合并和静态批次合并的处理流程基本相同，主要区别在于图元的划分，对应图1中a所列出的数据为例，总体流程如下：

1、对应图1中的a→b，场景每次重绘时，收集待打包队列中的图元，如果达到一定数量(可预设)，判定处于需打包状态，则将需要绘制的图元添加到批次渲染管理列表中(把其中材质相同，并且形状相似的图元分配到实例批次合并的列表中；把其他仅材质相同的图元放在静态批次合并的列表中)，处理成为可以被批次合并的图元，并设置为等待被打包的状态；

2、对应图1中的b→c，根据列表中图元的状态集的绘制策略设置批次绘制类型：如果图元的绘制没有特殊的优先级(物体的遮挡只与半透明，与相机距离因素等客观有关)，打包为普通包；如果图元的绘制有特殊的优先级(受建筑领域特定的业务影响，人为指定绘制顺序)，则需经过处理以便后续对图元进行分类处理，否则会因为图元的绘制顺序错误，导致不符合预期的遮挡效果；

3、对应图1中的c→d，对收集到的图元进行打包分组，首先将材质的不同的图元分配到不同的打包分组中，其次将材质相同且形状相似的图元放在实例批次合并打包分组中，将材质相同且形状不相似的图元放在静态批次合并打包分组中，有多少状态集，就会形成多少个分组；

4、对应图1中的d→e，对于每一打包分组中的图元，判断数据是否需要分割。比如，程序中设定，要求每个合并包中顶点组成的三角形数目不超过1万个，如果一个合并包有3万个三角形的顶点数据，那么将进一步被拆成至少三个合并包，且这三个合并包的状态集是完全相同的。

5、对应图1中的e→f，对于每一个需要合并的打包分组(含多个图元)，创建一个新图元，新图元的材质与合并图元的相同，几何数据量(主要指顶点数据)是所有待合并图元的总和，合并的时候需要注意，实例批次合并时相对矩阵信息需要保存到合并的新图元中，静态批次合并时要把所有旧的图元的数据信息转换到同一个坐标系统下，方便后续编辑操作(导致原来材质相同的图元不再相同)把合并包拆开时，可以还原场景的组织信息。

6、将合并以后的图元送到显卡进行绘制。如果其中一个图元发生编辑，根据所保存的打包信息，把合并的图元打散，恢复成打包前的多个图元，并修改发生编辑的图元属性，之后重新组织被打散所有图元进入待打包的队列中，返回状态b。

实施例1

场景中存在大量相同材质，但是顶点数据不同的模型，比如木桌子，木地板，木门和木椅等，如果单个模型的数据量很小，都只有10个三角形，但是场景中模型的数量很大，有1000个这样的物体，如果不采用静态批次合并策略，每次绘制这个场景，需要调用GPU渲染1000次，每次渲染需要切换状态集(即便这些状态集是相同的)，假设每次绘制的时间是1秒，需要消耗1000秒的时间。如果采用静态批次渲染合并策略，这1000个物体会被合并成一个包含10000个三角形(所有模型顶点总数)的大模型，只需要调用GPU渲染一次，切换一次状态集就可以绘制完成，时间消耗大约是1秒，可以看出，静态批次可以大量节省渲染时间。

实施例2

场景中存在1000个木桌，模型的顶点数目很大，包含10000个三角形，只是有的桌子绘制的大，有的桌子绘制的小，有的在客厅，有的阳台，摆放形态不同，如果不采用批次合并策略，需要绘制1000次，每次切换渲染状态，传到GPU的数据量是10000个三角面片，假设绘制总时间是1000秒，如果采用实例批次合并策略，只需要渲染一次，数据量是其中一个木桌模型的大小，外加所有木桌模型的矩阵信息，就可以一次性绘制完成，时间消耗大约是1秒，并且传递给GPU的顶点数量只有一个模型的三角面数量(此处如果采用静态批次合并，传递的数据量应该是所有模型顶点数量的总和)。

Claims (10)

1.一种提高建筑模型显示效率的批次渲染方法，其特征在于：该方法将材质相同的图元分为两种类型后打包分组并合并，第一种类型是材质相同且形状相似的图元，采用实例批次合并方式；第二种类型是材质相同且形状不相似的图元，采用静态批次合并方式；对合并后的图元进行渲染。

2.根据权利要求1所述的批次渲染方法，其特征在于：实例批次合并时创建第一新图元，该第一新图元包括了材质信息、基础顶点数据、以及分组中各图元相对于基础顶点数据的相对矩阵信息。

3.根据权利要求2所述的批次渲染方法，其特征在于：静态批次合并时创建第二新图元，该第二新图元包括了材质信息以及同一坐标下分组中各图元的顶点数据。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的批次渲染方法，其特征在于：当场景发生编辑时，将批次合并的图元拆开还原成未打包分组的图元，修改编辑图元信息后重新打包分组并合并。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的批次渲染方法，其特征在于：形状相似是指顶点数组完全相同，通过矩阵的旋转、平移、错切和/或镜像操作相互转换。

6.根据权利要求5所述的批次渲染方法，其特征在于：在打包分组之前，根据图元的优先级对图元进行分级处理，形成不同优先级的图元分组。

7.根据权利要求5所述的批次渲染方法，其特征在于：每次重绘时，当待打包队列中收集的图元满足设定的数量要求时，将需要绘制的图元添加到批次渲染管理列表中，进入等待被打包状态。

8.根据权利要求5所述的批次渲染方法，其特征在于：对于每一打包分组后的图元，根据预设条件进行分割。

9.根据权利要求5所述的批次渲染方法，其特征在于：采用本方法对指定空间内的图元进行合并。

10.根据权利要求5所述的批次渲染方法，其特征在于：采用本方法对同一产品下的图元进行合并。