CN110309458A - 基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法 - Google Patents

基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、加载BIM模型数据；步骤2、对步骤1加载的BIM模型数据进行处理，优选地，处理后分别构建实例化对象的子场景集合和层级包围盒的子场景集合，形成渲染队列；步骤3、进行渲染调度，优选采用忽略渲染和完全渲染进行。本发明所述方法结合实例化对象和层级包围盒结构实现了大体量BIM数据进行处理，这样，大大提高了BIM模型的渲染效率；同时，在进行渲染调度时，巧妙地采用忽略渲染与完全渲染结合，实现了渐进式渲染，使BIM模型实现了快速高效地渲染，而不会出现任何地卡顿。

Description

基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法
技术领域
本发明涉及BIM模型渲染，尤其涉及基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法。
背景技术
BIM(Building Information Modeling)技术是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，通过三维建筑模型，实现工程监理、物业管理、设备管理、数字化加工、工程化管理等功能。
在网页中基于WebGL渲染查看BIM模型，经常会导致浏览器卡死，尤其是遇到大体量的BIM模型，浏览器容易导致内存不足，而卡死，或者非常卡顿。
因此，亟需一种可以流畅渲染基于WebGL的大体量BIM模型的方法。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，将实例化处理与层级包围盒结合对大体量BIM模型数据进行处理，同时采用忽略渲染与完全渲染进行渲染调度，实现了BIM模型的高效渲染，从而完成本发明。
本发明提供了基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法，具体体现在以下方面：
(1)基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1、加载BIM模型数据；
步骤2、对步骤1加载的BIM模型数据进行处理，优选地，处理后分别构建实例化对象的子场景集合和层级包围盒的子场景集合，形成渲染队列；
步骤3、进行渲染调度。
(2)根据上述(1)所述的方法，其中，步骤2包括以下子步骤：
步骤2-1、对BIM模型数据中的部分数据进行实例化处理，构建实例化网格，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合；
步骤2-2、对BIM模型数据中的剩余数据进行处理，构建层级包围盒结构，并放入不同的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合；
步骤2-3、将步骤2-1得到的实例化对象的子场景集合和步骤2-2得到的层级包围盒的子场景集合进行合并，放置于一个整体的容器内，形成渲染队列。
(3)根据上述(1)或(2)所述的方法，其中，步骤2-1包括以下子步骤：
步骤2-1-1、统计不同几何数据的使用次数；
其中，所述不同几何数据是指具有不同几何结构的数据；
步骤2-1-2、将使用次数大于一定比例的几何数据进行实例化处理，构建实例化网格，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合。
(4)根据上述(1)至(3)之一所述的方法，其中，在步骤2-1-2中，将使用次数大于30次的几何数据进行实例化处理。
(5)根据上述(1)至(4)之一所述的方法，其中，步骤2-2包括以下子步骤：
步骤2-2-1、对没有构建实例化网格的几何数据进行处理，优选计算几何体的包围盒；
步骤2-2-2、根据空间位置关系，对包围盒进行划分，形成层级包围盒，并进行存储，得到层级包围盒结构；
步骤2-2-3、将层级包围盒的节点内所存储的几何体构建成网格对象，并按照类别放置到类别所对应容器内，即按照类别进行划分；
步骤2-2-4、创建与层级包围盒的节点相匹配的子场景，将类别所对应的容器置于与节点相匹配的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合。
(6)根据上述(1)至(5)之一所述的方法，其中，步骤3包括以下子步骤：
步骤3-1、创建渲染模式，形成渲染循环，其中，所述渲染模式包括完全渲染模式和忽略渲染模式；
其中，所述完全渲染是指将所有的场景数据提交到GPU的一次完整渲染操作；所述忽略渲染(或部分渲染)是指只提交当前场景(或子场景)的部分模型数据的一次渲染操作；
步骤3-2、在视图操作过程中进入忽略渲染模式，并清空当前的渲染缓冲区内的数据；
步骤3-3、忽略渲染结束后，保存当前忽略渲染缓冲区内的数据，进入完全渲染模式；
步骤3-4、完全渲染模式结束后，完成渲染循环。
(7)根据上述(1)至(6)之一所述的方法，其中，任选地，在步骤3-2之前，即忽略渲染之前，根据相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除；
其中，对视椎体内的包围盒进行剔除，以减小渲染数据，提高渲染效率。
(8)根据上述(1)至(7)之一所述的方法，其中，在步骤3-2中，
对步骤2得到的渲染队列进行忽略渲染；优选地，按照先实例化对象的子场景集合、再层级包围盒的子场景集合的顺序对渲染队列进行忽略渲染；和/或
在忽略渲染模式下，记录每个子场景渲染所花费的时间和当前子场景的索引；优选地，在忽略渲染模式下，累加渲染过场景的时间；更优选地，当超过2000毫秒退出当前渲染队列。
(9)根据上述(1)至(8)之一所述的方法，其中，在步骤3-3中，忽略渲染结束后，优选在完成视图操作300毫秒后，进入完全渲染模式，对步骤3-2未渲染的部分进行完全渲染；
优选地，忽略渲染结束后，优选在完成视图操作300毫秒后，进入完全渲染模式，对步骤3-2中未渲染的层级包围盒的子场景集合进行完全渲染。
(10)根据上述(1)至(9)之一所述的方法，其中，在步骤3-2之后、步骤3-3之前进行如下步骤：
步骤3-2’、对层级包围盒的子场景集合中的模型数据进行可见性剔除；
优选地，根据投影比和相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除，优选地，当投影比小于0.4、且包围盒与视椎体不相交(不在视椎体内)时对节点进行剔除；
更优选地，所述投影比如下获得：遍历层级包围盒所有的节点，计算每个节点的投影面积占当前画布的比例，即得投影比。
附图说明
图1示出本发明所述方法的流程示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
本发明提供了基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、加载BIM模型数据；
其中，所述BIM模型数据包括梁、柱、管道和家居等几何数据；优选地，将BIM模型数据加载至内存。
步骤2、对步骤1加载的BIM模型数据进行处理；
步骤3、进行渲染调度。
根据本发明一种优选的实施方式，步骤2包括以下子步骤：
步骤2-1、对BIM模型数据中的部分数据进行实例化处理，构建实例化网格(优选根据几何数据和位置变换矩阵进行构建)，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合；
步骤2-2、对BIM模型数据中的剩余数据进行处理，构建层级包围盒结构，并放入不同的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合；
步骤2-3、将步骤2-1得到的实例化对象的子场景集合和步骤2-2得到的层级包围盒的子场景集合进行合并，放置于一个整体的容器内，形成渲染队列。
根据本发明一种优选的实施方式，步骤2-1包括以下子步骤：
步骤2-1-1、统计不同几何数据的使用次数；
其中，所述不同几何数据是指具有不同几何结构的数据；
步骤2-1-2、将使用次数大于一定比例的几何数据进行实例化处理，构建实例化网格，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合。
在进一步优选的实施方式中，在步骤2-1-2中，将使用次数大于30次的几何数据进行实例化处理。
在更进一步优选的实施方式中，所述实例化处理是指对多次使用的、具有相同几何结构、不同位置关系的几何数据进行实例化渲染(Instancing Rendering)。
其中，所述实例化渲染是GPU提供的一种计算方式。
根据本发明一种优选的实施方式，步骤2-2包括以下子步骤：
步骤2-2-1、对没有构建实例化网格的几何数据进行处理，优选计算几何体的包围盒；
其中，包围盒是一种求解离散点集最优包围空间的算法，基本思想是用体积稍大且特性简单的几何体(称为包围盒)来近似地代替复杂的几何对象。所述计算几何体的包围盒是指计算包围盒的长宽高等参数。
步骤2-2-2、根据空间位置关系，对包围盒进行划分，形成层级包围盒，并进行存储，得到层级包围盒结构；
步骤2-2-3、将层级包围盒的节点内所存储的几何体构建成网格，并按照类别放置到类别所对应容器内，即按照类别进行划分；
其中，所述类别包括家具、墙、窗户、门、灯、花等类别。
步骤2-2-4、创建与层级包围盒的节点相匹配的子场景，将类别所对应的容器置于与节点相匹配的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合。
在发明中采用层级包围盒而非其他层次结构例如八叉树结构进行处理，其中，八叉树结构有如下缺点，具体地，划分最小粒度较难确定，粒度过大有些叶子结点的数据量可能较大，粒度过小则八叉树深度过深，并且导致存储空间的冗余较多，动态场景中对树结构修改的开销较大。
根据本发明一种优选的实施方式，步骤3包括以下子步骤：
步骤3-1、创建渲染模式，形成渲染循环，其中，所述渲染模式包括完全渲染模式和忽略渲染模式；
其中，所述完全渲染是指将所有的场景数据提交到GPU的一次完整渲染操作；所述忽略渲染(或部分渲染)是指只提交当前场景(或子场景)的部分模型数据的一次渲染操作；
步骤3-2、在视图操作过程中进入忽略渲染模式，并清空当前的渲染缓冲区内的数据；
步骤3-3、忽略渲染结束后，保存当前忽略渲染缓冲区内的数据，进入完全渲染模式；
步骤3-4、完全渲染模式结束后，完成渲染循环。
根据本发明一种优选的实施方式，任选地，在步骤3-2之前，即忽略渲染之前，根据相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除。
其中，对视椎体内的包围盒进行剔除，以减小渲染数据，提高渲染效率。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3-2中，对步骤2得到的渲染队列进行忽略渲染。
在进一步优选的实施方式中，按照先实例化对象的子场景集合、再层级包围盒的子场景集合的顺序对渲染队列进行忽略渲染。
其中，在进行忽略渲染时，按照实例化对象的子场景集合、层级包围盒的子场景集合的顺序进行渲染，当2000毫秒退出忽略渲染时，实例化对象的子场景集合被全部渲染，但层级包围盒的子场景集合被部分渲染。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3-2中，在忽略渲染模式下，记录每个子场景渲染所花费的时间和当前子场景的索引。
在进一步优选的实施方式中，在步骤3-2中，在忽略渲染模式下，累加渲染过场景的时间。
在更进一步优选的实施方式中，当超过2000毫秒退出当前渲染队列。
其中，发明人经过大量研究与测试后发现，当前忽略渲染的最大极限值为2000毫秒，若是低于2000毫秒退出当前循环，会导致渲染场景过少、渲染时间延长、渲染效率降低，若高于2000毫秒会导致渲染卡顿。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3-3中，忽略渲染结束后，优选在完成视图操作300毫秒后，对步骤3-2未渲染的部分进行完全渲染，进入完全渲染模式。
在进一步优选的实施方式中，在步骤3-3中，忽略渲染结束后，优选在完成视图操作300毫秒后，对步骤3-2中未渲染的层级包围盒的子场景集合进行完全渲染，进入完全渲染模式。
其中，在忽略渲染模式中，只对渲染队列中的部分场景进行渲染，而没有进行渲染的部分则采用完全渲染，这样，实现了BIM模型数据的渐进式渲染。
根据本发明一种优选的实施方式，在步骤3-2之后、步骤3-3之前进行如下步骤：
步骤3-2’、对层级包围盒的子场景集合中的模型数据进行可见性剔除。
在进一步优选的实施方式中，根据投影比和相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除，优选地，当投影比小于0.4、且包围盒与视椎体不相交(不在视椎体内)时对节点进行剔除。
其中，所述视椎体是指场景中摄像机的可见的一个椎体范围，其中，在视椎体内的景物可见，反之则不可见。
在更进一步优选的实施方式中，所述投影比如下获得：遍历层级包围盒所有的节点，计算每个节点的投影面积占当前画布的比例，即得投影比。
这样，在对层级包围盒的子场景集合进行完全渲染之前，将投影比较小且不在视椎体内的节点进行剔除，这样，大大减小了层级包围盒的子场景集合内的数据，进一步提高完全渲染的效率。
在本发明中：
(1)WebGL：(全写Web Graphics Library)是一种3D绘图协议，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定，WebGL可以为HTML5Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡来在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型了，还能创建复杂的导航和数据视觉化。显然，WebGL技术标准免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，可被用于创建具有复杂3D结构的网站页面，甚至可以用来设计3D网页游戏等等。
(2)BIM：建筑信息模型(Building Information Modeling)或者建筑信息管理(Building Information Management)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。将建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等项目参与方在同一平台上，共享同一建筑信息模型。利于项目可视化、精细化建造。
(3)GPU：图形处理器(英语：Graphics Processing Unit，缩写：GPU)，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上图像运算工作的微处理器。
(4)渲染(Rendering)：就是图形数据的实时计算和输出，是指用数学模型模拟客观世界中物体与可见光的相互作用生成真实感图像的过程。
(5)完全渲染：将所有的场景数据提交到GPU的一次完整渲染操作。
(6)忽略渲染：只提交当前场景的部分模型数据的一次渲染操作。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)本发明所述方法结合实例化对象和层级包围盒结构实现了大体量BIM数据进行处理，这样，大大较小了BIM数据的大小；
(2)同时，在进行渲染调度时，巧妙地采用忽略渲染与完全渲染结合，实现了渐进式渲染，使BIM模型实现了快速高效地渲染，而不会出现任何地卡顿。
实施例
实施例1
分别对编号1～5的源文件(均为建筑商业楼)按照本发明所述方法进行处理并渲染，具体如下：
加载BIM模型数据。
统计不同几何数据的使用次数，将使用次数大于30次的几何数据进行实例化处理，并根据几何数据和位置变换矩阵构建实例化网格，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合；
对BIM模型数据中的剩余数据进行处理，计算几何体的包围盒，根据空间位置关系，对包围盒进行划分，形成层级包围盒，并进行存储，得到层级包围盒结构，将层级包围盒的节点内所存储的几何体构建成网格，并按照类别放置到类别所对应容器内，即按照类别进行划分，创建与层级包围盒的节点相匹配的子场景，将类别所对应的容器置于与节点相匹配的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合；
将得到的实例化对象的子场景集合和层级包围盒的子场景集合进行合并，放置于一个整体的容器内，形成渲染队列。
创建渲染模式，形成渲染循环，其中，所述渲染模式包括完全渲染模式和忽略渲染模式；
根据相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除，在视图操作过程中进入忽略渲染模式，并清空当前的渲染缓冲区内的数据；对得到的渲染队列按照先实例化对象的子场景集合、再层级包围盒的子场景集合的顺序进行忽略渲染，其中，在忽略渲染模式下，记录每个子场景渲染所花费的时间和当前子场景的索引，累加渲染过场景的时间，当超过2000毫秒退出当前渲染队列；
忽略渲染结束后，保存当前忽略渲染缓冲区内的数据，并根据投影比小于0.4和相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除；
并在完成视图操作300毫秒后，进入完全渲染模式，完全渲染模式结束后，完成渲染循环。
其中，在整个过程并未出现任何卡顿，并且，具体处理和渲染数据结果如表1所示：
表1：
由表1可以看出，经过本发明所述方法的步骤2进行处理后可以实现高效渲染。
对比例
对比例1
对3#模型重复实施例1的过程，区别在于：在步骤2中，只进行步骤2-1而不进行步骤2-2，即对BIM数据只进行实例化处理(对于使用次数超过30次的几何数据进行实例化处理)而不进行层级包围盒处理。
对3#模型只进行实例化处理，渲染帧率会下降30％左右。
对比例2
对于4#模型重复实施例1的过程，区别在于：在步骤2中，只进行步骤2-2而不进行步骤2-1，即对BIM数据不进行实例化处理而只进行层级包围盒处理。
如果只进行层级包围盒处理而不进行实例化处理，模型加载能力变化不大，场景中被显示的对象，会明显变少。
对比例3
对1#模型重复实施例1的过程，区别在于：在步骤3中，对渲染队列直接进行完全渲染，发现，渲染非常卡顿，渲染效率非常低，具体地，在1#模型的操作过程中，帧率会下降70％以上。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于WebGL的BIM模型显示及渲染方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、加载BIM模型数据；
步骤2、对步骤1加载的BIM模型数据进行处理，优选地，处理后分别构建实例化对象的子场景集合和层级包围盒的子场景集合，形成渲染队列；
步骤3、进行渲染调度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2包括以下子步骤：
步骤2-1、对BIM模型数据中的部分数据进行实例化处理，构建实例化网格，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合；
步骤2-2、对BIM模型数据中的剩余数据进行处理，构建层级包围盒结构，并放入不同的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合；
步骤2-3、将步骤2-1得到的实例化对象的子场景集合和步骤2-2得到的层级包围盒的子场景集合进行合并，放置于一个整体的容器内，形成渲染队列。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤2-1包括以下子步骤：
步骤2-1-1、统计不同几何数据的使用次数；
其中，所述不同几何数据是指具有不同几何结构的数据；
步骤2-1-2、将使用次数大于一定比例的几何数据进行实例化处理，构建实例化网格，并放入不同的子场景内，形成实例化对象的子场景集合。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在步骤2-1-2中，将使用次数大于30次的几何数据进行实例化处理。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，步骤2-2包括以下子步骤：
步骤2-2-1、对没有构建实例化网格的几何数据进行处理，优选计算几何体的包围盒；
步骤2-2-2、根据空间位置关系，对包围盒进行划分，形成层级包围盒，并进行存储，得到层级包围盒结构；
步骤2-2-3、将层级包围盒的节点内所存储的几何体构建成网格对象，并按照类别放置到类别所对应容器内，即按照类别进行划分；
步骤2-2-4、创建与层级包围盒的节点相匹配的子场景，将类别所对应的容器置于与节点相匹配的子场景内，形成层级包围盒的子场景集合。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，步骤3包括以下子步骤：
步骤3-1、创建渲染模式，形成渲染循环，其中，所述渲染模式包括完全渲染模式和忽略渲染模式；
其中，所述完全渲染是指将所有的场景数据提交到GPU的一次完整渲染操作；所述忽略渲染(或部分渲染)是指只提交当前场景(或子场景)的部分模型数据的一次渲染操作；
步骤3-2、在视图操作过程中进入忽略渲染模式，并清空当前的渲染缓冲区内的数据；
步骤3-3、忽略渲染结束后，保存当前忽略渲染缓冲区内的数据，进入完全渲染模式；
步骤3-4、完全渲染模式结束后，完成渲染循环。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，任选地，在步骤3-2之前，即忽略渲染之前，根据相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在步骤3-2中，
对步骤2得到的渲染队列进行忽略渲染；优选地，按照先实例化对象的子场景集合、再层级包围盒的子场景集合的顺序对渲染队列进行忽略渲染；和/或
在忽略渲染模式下，记录每个子场景渲染所花费的时间和当前子场景的索引；优选地，在忽略渲染模式下，累加渲染过场景的时间；更优选地，当超过2000毫秒退出当前渲染队列。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在步骤3-3中，忽略渲染结束后，优选在完成视图操作300毫秒后，进入完全渲染模式，对步骤3-2未渲染的部分进行完全渲染；
优选地，忽略渲染结束后，优选在完成视图操作300毫秒后，进入完全渲染模式，对步骤3-2中未渲染的层级包围盒的子场景集合进行完全渲染。
10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，在步骤3-2之后、步骤3-3之前进行如下步骤：
步骤3-2’、对层级包围盒的子场景集合中的模型数据进行可见性剔除；
优选地，根据投影比和相机的视椎体对层级包围盒的节点进行可见性剔除，优选地，当投影比小于0.4、且包围盒与视椎体不相交(不在视椎体内)时对节点进行剔除；
更优选地，所述投影比如下获得：遍历层级包围盒所有的节点，计算每个节点的投影面积占当前画布的比例，即得投影比。
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