CN110363845A - 一种bim三维模型分减面存储并重构的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BIM三维模型分减面存储并重构的方法及系统，属于BIM领域。针对现有技术中存在的BIM三维模型结构复杂体积大，处理起来时间成本及人力成本大的问题，本发明提供了一种BIM三维模型分减面存储并重构的方法及系统，将三维模型拆分成顶点、顶点索引、UV、法线和材质信息等关键数据存储，并根据模型的曲率值对三维模型进行缩减优化，同时加入LOD技术，根据程序设定的不同范围在重构过程中重构成不同细节层次的三维实体，可以实时的浏览模型减少系统渲染的压力，使用起来方便，系统运行更流畅；关键数据的处理时，只针对有效信息进行操作，提高了系统运算速度。

Description

一种BIM三维模型分减面存储并重构的方法及系统

技术领域

本发明涉及BIM领域，更具体地说，涉及一种BIM三维模型分减面存储并重构的方法及系统。

背景技术

随着BIM技术的广泛应用，三维模型重构的应用越来越多。三维模型重构及三维模型库的管理技术成为近些年来一个研究的重点。三维模型重构就是将三维模型在计算机中通过三维数据进行模型重构，最后在系统中还原出真实的三维模型。三维重构利用二维投影恢复物体三维信息(形状等)的数学过程和计算机技术，包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。

目前BIM三维模型存在许多缺陷，如：模型结构复杂，面多，体积大等，需要三维模型人员做进一步减面处理工作，减面处理内容繁琐，耗费时间较长，重复工作量大，有变更时需要重复处理，严重耗费人力资源；且模型复杂对计算机配置要求较高，复杂数据处理起来会导致系统性能差。

中国专利申请，申请号201810270981.X，公开日2018年3月19日，公开了一种三维模型的减面方法与装置、存储介质，该发明适用于三维模型技术领域，提供了一种三维模型的减面方法与装置、存储介质，该减面方法包括：获取原始模型文件，并对原始模型文件进行校验与预处理；获取校验与预处理后的原始模型文件中的原始模型的数据信息；根据原始模型的数据信息制定减面策略，并根据减面策略对原始模型进行相应的减面。该减面方法可实现自动根据制定的减面策略对三维模型进行相应的减面，无需手动操作，提高了模型减面的效率，降低了成本。该发明中使用子模型的面数、体积以及表面积计算子模型的面数密度策略复杂计算效率低，并且未提供模型重构的方法。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的BIM三维模型结构复杂体积大，处理时速率低、带宽低，对系统配置要求高，处理分析时时间成本及人力成本大的问题，本发明提供了一种BIM三维模型分减面存储并重构的方法及系统，同时加入LOD技术，将三维模型拆分为关键数据存储，根据关键数据进行减面和重构等操作，将模型数据量减少到原始的十分之一左右，减少实时浏览模型时系统渲染的压力，针对关键数据特定处理，减少对冗余数据的操作，计算量减少50％以上，系统运行速度快，效率高，运行流畅。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种BIM三维模型分减面存储的方法，模型分减面时系统读取三维模型数据，数据提取模块提取三维模型关键数据，数据减面模块根据提取的关键数据进行减面优化，数据存储器模块将优化后的关键数据存储。BIM三维模型数据量大且复杂，在实际应用时对电脑的配置要求高，进行模型处理时往往因为庞大的数据量导致处理缓慢，单位时间的处理效率很低，且需要工作人员实时监控操作，对人力成本要求很高，将三维模型拆分过关键数据进行处理，在进行优化，重构，存储时只针对关键数据进行操作，减少系统运算量，提高运行速度。因为BIM模型体积往往太大，实际使用中需要协同运维，非常不方便，本发明将原本体积庞大的模型缩小到原来的十分之一左右，在BIM领域应用，轻量化后的模型可以广泛的应用到web端和手机客户端，提高了生产效率。

更进一步的，三维模型的关键数据包括顶点、顶点索引、UV、法线和材质信息，将三维模型的最小组成单元作为模型的关键数据，在模型优化，模型存储和模型重构时对数据的提取和使用有针对性的操作，减少无效的数据传输和计算，提升系统的运算速度，减少运算时间，提高运算效率。根据三维模型的最小组成结构单元的关键数据拆分，在进行优化，重构，存储时只针对需要操作的关键数据进行操作，不会因为数据拆分的颗粒度较高无法进行相应操作，也为三维模型的缩减优化提供数据基础，操作起来更为方便。

更进一步的，数据减面模块根据三维模型的曲率值选择要优化掉的顶点，进行坍塌操作，曲率就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线的程度。减面优化处理根据三维模型的曲率值选择要优化掉的顶点，顶点的选择对三维模型的优化很重要，顶点选择的诀窍在于正确的选择坍塌边，最小程度的影响模型的视觉变化，利用三维模型的曲率值选择顶点，平衡三维模型的大小和曲率，只针对模型的冗余信息进行优化，避免模型的失真。三维模型的表面数据往往存在较多的冗余信息，是造成三维模型处理起来数据大，运算慢的主要原因，而在实际BIM应用中，对三维模型的要求根据不同需求有时并不需要高细节的模型，在三维模型数据存储时进行减面的优化，去除冗余信息，减少模型的存储数据，减少数据存储空间，提高模型处理运算速度。

缩减优化处理根据三维模型的曲率值选择要优化掉的顶点，所述模型减面算法为stanmelax缩减算法；相较于传统的模型在坍塌是选择一个顶点，两个面，三条边的模型，选择一个正确的坍塌边可以使坍塌的时候对模型影响的程度最小，视觉变化不明显，需要花费大量的时间用于运算来选择。而使用本发明的缩减算法坍塌边的选择，考虑它的边长与曲率值的乘积，通过比较相邻的两个面法线的点积得到坍塌边UV的曲率值，找到在UV方向上距离其他三角形最远的U的临接三角形，在缩减面的过程中对于面的曲率和大小做了平衡。本发明算法在决定坍塌边的过程中平衡了面的曲率和大小，并且顶点u到v的坍塌值和顶点v到u的坍塌值不一定相同，同时，此公式对于脊状的边的坍塌也是有效的。

更进一步的，数据减面模块先针对顶点和顶点索引进行优化，其他关键数据根据优化后的顶点信息进行优化，在使用以上算法缩减只针对顶点和顶点索引数据进行优化，其他关键数据在缩减算法完成后进行相应的缩减工作，因为材质信息不存在冗余信息，当数据在拆分时材质信息单独分开不参与优化，使用以上算法缩减将原来体积庞大的BIM模型缩小到原来的十分之一左右，假设原始图形有100000个多边形，缩减后只有大约10000个多边形。缩减过程只针对顶点和顶点索引数据进行优化处理，其他关键数据在缩减算法完成后进行相应的缩减工作，数据处理量大大减少，不到原始数据的50％，运行速度提高。较传统的模型优化时将所有数据同时进行操作，本发明仅针对有效数据进行处理，数据处理量减少，处理速度提高，对系统的要求降低，运行的带宽也降低，提高计算机的运算效率。

更进一步的，数据减面模块优化时对坍塌的数据进行保存，在三维模型的缩减过程中，我们还可以将移除的顶点、三角形等信息保留下来，以便以后需要使用这些数据的时候不必重新运算多边形减面，只要在将一个坍塌后的顶点以及坍塌顺序保存下来就可以了。边坍塌序列也可以用在渐进传输中，就像交错存储的GIF或JPG图片可以在网络传输中不断增加细节，处理的模型顶点可以通过坍塌过程的倒序排列来进行数据广播，接受的计算机可以不断的根据接收到的数据流来重建并且显示这个模型。

一种BIM三维模型重构的方法，数据重构模块根据顶点、顶点索引、UV和法线关键数据对三维模型进行mesh信息重构。数据重构模块根据数据库存储器模块存储的关键数据重构关键数据，通过顶点、顶点索引、UV和法线数据进行mesh信息重构三维模型；使用unity3D进行Mesh信息重构，由于unity3D开放了定制网格的方式，通过这些方法可以直接将顶点、顶点索引、UV和法线信息生成三维模型。

更进一步的，数据重构模块将材质信息添加到重构的三维实体生成带材质信息的三维实体，将材质信息与其他关键数据分开存储，因为材质信息不存在冗余信息，在进行缩减的时候材质信息也不参与数据的处理，这样有针对性的对模型的关键数据选择性处理，减小数据处理量，提高处理速度，减小运行的带宽，提高运算效率。

更进一步的，三维模型在重构时根据程序设定不同细节范围生成多层次细节模型，模型的LOD在很多应用中是一个非常重要的组件。根据我们的程序的不同范围设置，可以生成很多细节层次的模型来表示模型的不同的LOD，传统的多边形减面工具无法产生减面过程中的变化信息，在需要利用这些变化信息来使不同的细节层次之间的转换更加平滑需要进行多次从原始数据数据开始的减面算法，本方法的减面优化利用曲率值选择优化的顶点，在优化过程中对三维模型逐步优化，可以获取不同LOD的三维模型。

一种BIM三维模型分减面存储并重构的系统，使用上述的BIM三维模型分减面存储及重构方法，该系统包括数据提取模块，数据减面模块，数据重构模块和数据库存储器模块构成；数据提取模块与数据减面模块连接，数据减面模块和数据重构模块均与数据库存储器模块连接。数据提取模块提取三维模型关键数据，数据减面模块根据提取的关键数据进行减面优化，数据存储器模块将优化后的关键数据存储；模型重构时数据重构模块根据数据库存储器模块的关键数据重构三维实体。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

将三维模型根据最小组成单元拆分成包括顶点、顶点索引、UV、法线和材质信息的关键数据并进行储存的方法，不需要三维模型人员进行处理就可以进行三维模型关键数据的提取，进一步对三维模型进行减面以及三维模型数据的存储操作，减轻了三维模型人员的工作量，减面的优化去除了模型的冗余信息；因为BIM模型体积往往太大，实际使用中需要协同运维，非常不方便，本发明将原本体积庞大的模型缩小到原来的十分之一左右，在BIM领域应用，轻量化后的模型可以广泛的应用到web端和手机客户端，提高了生产效率；通过关键数据进行三维模型重构的方法，将三维模型关键数据通过三维模型结构重新生成模型，同时在三维模型重构方法中加入了LOD的技术，根据程序设定的不同范围生成不同细节层次(LOD)的模型，满足在不同情况下对三维模型既可以实时的浏览模型又可以减轻系统渲染的压力，使系统操作更流畅。

附图说明

图1为本发明将三维模型拆分关键数据以及缩减并储存的方法的流程图；

图2为本发明根据三维模型关键数据进行重构方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

一种BIM三维模型分减面存储并重构的系统，包括数据提取模块，数据减面模块，数据重构模块和数据库存储器模块构成；数据提取模块读取模型数据，数据减面模块对数据提取模块提取数据进行处理，数据库存储器模块用来存取数据减面模块数据，数据重构模块读取数据库存储器模块数据进行模型重构。

如图1所示，一种BIM三维模型分减面存储的方法包括以下步骤：

步骤A：三维模型本地读取，将需要处理的三维模型文件进行数据读取；

步骤B：模型数据提取模块根据读取的三维模型文件的结构特点提取关键模型数据，模型数据提取模块是将三维模型按照其组织结构提取出关键的部分，关键数据依据三维模型的最小单元拆分，包括顶点、顶点索引、UV、法线和材质信息。将数据拆分到最小单元进行处理，可以完整的对模型进行重构，不会产生信息的丢失；操作时只选取需要的数据进行处理，在数据庞大且复杂的BIM三维模型中运用，可以减少处理数据量，快速提高处理速度，提高系统效率，带宽需求降低，对系统的要求也降低；将关键信息进行分类存储，方便后期的减面优化；

步骤C：模型数据减面模块，模型数据减面模块是通过模型减面算法将提取到的模型关键数据进行优化处理，去除冗余数据；所述模型减面算法为stanmelax缩减算法；利用stanmelax缩减算法进行关键模型数据的减面优化工作，相较于传统的模型在坍塌是选择一个顶点，两个面，三条边的模型，选择一个正确的坍塌边可以使坍塌的时候对模型影响的程度最小，视觉变化不明显，需要花费大量的时间用于运算来选择。而使用本发明的缩减算法坍塌边的选择，考虑它的边长与曲率值的乘积，通过比较相邻的两个面法线的点积得到坍塌边UV的曲率值，找到在UV方向上距离其他三角形最远的U的临接三角形，在缩减面的过程中对于面的曲率和大小做了平衡；求边坍塌值的公式如下：

Tu是包含顶点u的三角形的集合，Tuv是同时包含顶点u和顶点v的三角形的集合。该算法在决定坍塌边的过程中平衡了面的曲率和大小，并且顶点u到v的坍塌值和顶点v到u的坍塌值不一定相同，同时，此公式对于脊状的边的坍塌也是有效的。

在三维模型的缩减过程中，我们还可以将移除的顶点、三角形等信息保留，将坍塌后的顶点以及坍塌顺序保存，以便以后需要使用这些数据的时候无需再重新运算减面的过程。保留的坍塌序列也可以用在渐进传输中，就像GIF或JPG图片在交错存储时可以在网络传输中不断增加细节，处理的模型顶点可以通过坍塌过程的倒序排列来进行数据广播，接受数据的主机可以不断的根据接收到的数据流来重建并且显示这个模型。在使用以上算法缩减将原来体积庞大的BIM模型缩小到原来的十分之一左右，假设原始图形有100000个多边形，缩减后只有大约10000个多边形。缩减过程只针对顶点和顶点索引数据进行优化处理，其他关键数据在缩减算法完成后进行相应的缩减工作，数据处理量大大减少，不到原始数据的50％，运行速度提高。因为材质信息不存在冗余信息，当数据在拆分时材质信息单独分开不参与优化，较传统的模型优化时将所有数据同时进行操作，本实施例仅针对有效数据进行处理，对系统的要求降低，运行的带宽也降低，提高计算机的运算效率；

步骤D：模型数据存储模块将优化后的关键模型数据，包括三维模型的顶点、顶点索引、UV、法线和材质信息，上传到服务器数据库进行保存。

如图2所示，一种BIM三维模型重构的方法，包括以下步骤：

步骤Ⅰ：系统从数据库存储器模块读取模型关键数据信息，此时读取的模型关键数据信息包括顶点、顶点索引、UV和法线信息；根据关键数据的不同类别在数据库存储器模块快速将数据提取出来进行下一步操作；

步骤Ⅱ：根据所读取到的三维模型关键数据信息进行Mesh信息重构；通过顶点、顶点索引、UV和法线数据进行mesh信息重构三维模型；使用unity3D进行Mesh信息重构，由于unity3D开放了定制网格的方式，通过这些方法可以直接将顶点、顶点索引、UV和法线信息生成三维模型；

步骤Ⅲ：系统将重构后的Mesh信息生成为三维实体，根据重构后的三维实体判断三维模型关键数据中的顶点、顶点索引、UV和法线数据是否全部读取完成，若数据未完成全部读取则回到步骤Ⅰ进行再次读取，若数据读取完成则进行下一步操作；

步骤Ⅳ：系统从数据库存储器模块读取三维模型关键数据中的材质信息；

步骤Ⅴ：系统在步骤Ⅲ重构的三维实体上添加材质信息，将所有重构后的Mesh信息生成带材质信息的三维实体；将材质信息与其他关键数据分开存储，因为材质信息不存在冗余信息，在进行缩减的时候材质信息也不参与数据的处理，这样有针对性的对模型的关键数据选择性处理，减小数据处理量，提高处理速度，减小运行的带宽，提高运算效率；

步骤Ⅵ：根据程序设定的不同细节范围动态生成不同三维模型的细节层次(LOD)，根据摄像机离模型的远近范围，动态生成多个LOD(多层次细节)，一般情况下，程序设定的范围包括如下区间：60％～100％为LOD0，30％～60％为LOD1，10％～30％为LOD2，0％～10％为Culled；根据程序设定不同范围生成的不同细节层次的三维模型，根据不同的浏览需求选择不同的LOD模型，既可以实时的浏览模型又可以减轻系统渲染的压力，使系统操作更流畅；

步骤Ⅶ：不同细节层次的三维模型生成完成。

本发明将原本体积庞大的模型缩小到原来的十分之一左右，在BIM领域应用，轻量化后的模型可以广泛的应用到web端和手机客户端，提高了生产效率。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。

Claims (10)

1.一种BIM三维模型分减面存储的方法，其特征在于，模型分减面时系统读取三维模型数据，数据提取模块提取三维模型关键数据，数据减面模块根据提取的关键数据进行减面优化，数据存储器模块将优化后的关键数据存储。

2.根据权利要求1所述的一种BIM三维模型分减面存储的方法，其特征在于，三维模型的关键数据包括顶点、顶点索引、UV、法线和材质信息。

3.根据权利要求1所述的一种BIM三维模型分减面存储的方法，其特征在于，数据减面模块根据三维模型的曲率值选择要优化掉的顶点，进行坍塌操作。

4.根据权利要求3所述的一种BIM三维模型分减面存储的方法，其特征在于，数据减面模块先针对顶点和顶点索引进行优化，其他关键数据根据优化后的顶点信息进行优化。

5.根据权利要求4所述的一种BIM三维模型分减面存储的方法，其特征在于，数据减面模块优化时对坍塌的数据进行保存。

6.一种BIM三维模型重构的方法，其特征在于，数据重构模块根据顶点、顶点索引、UV和法线数据对三维模型进行mesh信息重构。

7.根据权利要求6所述的一种BIM三维模型分减面重构的方法，其特征在于，数据重构模块将材质信息添加到重构的三维实体生成带材质信息的三维实体。

8.根据权利要求7所述的一种BIM三维模型分减面重构的方法，其特征在于，三维模型在重构时根据程序设定不同细节范围生成多层次细节模型。

9.一种BIM三维模型分减面存储并重构的系统，其特征在于，系统使用如权利要求1-8所述任意方法。

10.根据权利要求9所述的一种BIM三维模型分减面存储并重构的系统，其特征在于，包括数据提取模块，数据减面模块，数据重构模块和数据库存储器模块构成；数据提取模块与数据减面模块连接，数据减面模块和数据重构模块均与数据库存储器模块连接。