CN110415343A - 一种工程bim可视化三维引擎系统 - Google Patents

一种工程bim可视化三维引擎系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程BIM可视化三维引擎系统，所述三维引擎系统包括，地形处理模块；对地形影像数据和地形DEM数据进行数据格式的转换和预处理；模型处理模块；对多源模型数据进行模型轻量化处理；引擎渲染模块；将多源模型数据进行实时优化渲染，根据相机和场景的具体参数，对模型进行拓扑解析、遮挡剔除和渲染排序处理，之后逐帧输出三维渲染结果；三维显示模块；整合三维渲染结果，创建三维接口，以将模型展示到不同的终端平台中。优点是：本三维引擎系统简化了模型和地形轻量化过程，提高了三维渲染显示效率，同时，对模型数据格式进行加密，保证其安全性；也保证了在多比例尺下，地形模型清晰且不失真。

Description

一种工程BIM可视化三维引擎系统
技术领域
本发明涉及计算机视觉、计算机三维图形学、工程BIM可视化及应用的交叉领域，尤其涉及一种工程BIM可视化三维引擎系统。
背景技术
目前，大部分的商业三维引擎系统，存在数据转换与数据传输的规范性较差、平台刷新慢、服务器负载严重以及平台流畅程度等问题，除此之外更为关键的是，主流商业引擎均为基于国外第三方开源进行开发，非完全可控，数据格式安全性较低，无法满足国有企业大型工程建设中数字化平台建设的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工程BIM可视化三维引擎系统及其运行方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种工程BIM可视化三维引擎系统，所述三维引擎系统包括，
地形处理模块；用于对地形影像数据和地形DEM数据进行数据格式的转换和预处理；
模型处理模块；用于对多源模型数据进行模型轻量化处理；
引擎渲染模块；用于对多源模型数据进行实时优化渲染，根据相机和场景的具体参数，对模型进行拓扑解析、遮挡剔除和渲染排序处理，之后逐帧输出三维渲染结果；
三维显示模块；用于整合三维渲染结果，创建三维接口，以将模型展示到不同的终端平台中。
优选的，所述地形处理模块执行的具体内容如下，
A1、对于地形影像数据，根据输入影像的分辨率和用户设定的地形精度参数，自动计算需要建立的影像金字塔层数，并为最后三个层的影像金字塔构建多重纹理；
A2、对于地形DEM数据，拟合多分辨率的DEM数据，并结合影像金字塔对DEM数据进行差值分级，获取DEM分级数据，并定义每级DEM分级数据对应的影像金字塔层数；
A3、将DEM分级数据和影像金字塔进行结合，转化为二进制存储的顶点和纹理结构，再将纹理结构进行拼接转换，形成纹理大图；并将顶点坐标及其索引建立四叉树结构进行分级存储。
优选的，所述模型处理模块执行的具体内容如下：
B1、针对建模软件编写模型转化插件，将模型源数据转换为三维引擎系统能够使用的模型数据格式，即得到整合后的模型数据；
B2、将整合的模型数据根据空间位置和空间关系，构建八叉树模型存储结构，对八叉树模型进行纹理贴图，并对其顶点建立lod层级；
B3、使用参数化几何描述的方式对模型进行轻量化处理整合；
B4、建立模型数据的空间关系，为阴影系统做数据准备；
B5、构建骨骼动画，为水体动态模型和其他动态模型做数据准备。
优选的，所述建模软件为BIM建模软件、倾斜摄影建模软件和3dmax建模软件；当建模软件为倾斜摄影建模软件时，则针对倾斜摄影模型数据，需要单独处理零散的倾斜影像，并进行拼接和编码，以获取整合的模型数据。
优选的，所述三维引擎系统包括模型服务器，所述模型服务器根据IIS进行构建，所述模型服务器中设置有模型在线传输调度机制；所述模型数据和地形数据存储在模型服务器中；所述地形数据包括地形影响数据和地形DEM数据。
优选的，所述引擎渲染模块执行的具体内容包括，
C1、分步读取地形数据、模型数据、光照阴影数据和动态骨骼动画数据；
C2、根据场景光照建立阴影系统，并将其添加到渲染线程；
C3、将模型交互功能的结果添加到渲染线程；所述模型交互功能的结果包括，模型隐藏、模型隔离、模型剖切以及模型颜色变换的用户操作结果；
C4、根据骨骼动画，将动态模型添加到渲染线程；
C5、将大规模地形、模型数据通过海量模型地形渲染机制，添加到渲染线程。
优选的，所述海量模型地形渲染机制是，通过地形处理、四叉树算法、多重纹理构建的方式，提高地形三维渲染显示效率；通过构建模型八叉树结构、参数化模型描述、拓扑解析、遮挡剔除、渲染队列优化排序的方式提高模型三维渲染显示效率。
优选的，所述三维显示模块执行的具体内容为，将渲染的三维显示结果，加载到不同的平台中；所述平台包括PC端平台、WPF大屏展示平台和Web端网页平台；所述PC端平台通过QT建立模型显示窗口，以展示渲染的三维显示结果；所述WPF大屏展示平台，通过com组件技术建立应用于各种大屏终端的模型显示模块，以展示渲染的三维显示结果；所述Web端网页平台为B/S架构，通过ocx技术，建立三维交互接口，以展示渲染的三维显示结果。
本发明的有益效果是：1、本系统通过模型预处理、四叉树算法、八叉树算法，并结合LOD技术，达到了优化渲染的效果，同时简化了程序代码。2、本系统通过访问服务器远程存储的三维模型数据，保证在网络条件下三维模型基础数据的安全性，任何人无法从客户端反生出模型数据。3、本系统通过将多重纹理技术和地形四叉树优化算法相结合，设计并实现了多重纹理地形加载机制，保证在任何比例尺下，都能展示出清晰且不模糊的地形模型。4、本系统通过设置模型转化插件，将模型顶点、模型贴图、模型附着的信息全部无损转换为本引擎的加密模型格式，保证了多源数据导入引擎无信息丢失。5、本系统通过设置双视口，可以对同一地区不同时期的三维模型进行直观的对比浏览，并且能够在不增加模型渲染负荷的情况下，对任意视口中的模型进行单独控制和渲染。
附图说明
图1是本发明实施例中所述三维引擎系统的结构示意图。
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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例中提供了一种工程BIM可视化三维引擎系统，所述三维引擎系统包括，
地形处理模块；用于对地形影像数据和地形DEM数据进行数据格式的转换和预处理；
模型处理模块；用于对多源模型数据进行模型轻量化处理；
引擎渲染模块；用于对多源模型数据进行实时优化渲染，根据相机和场景的具体参数，对模型进行拓扑解析、遮挡剔除和渲染排序处理，之后逐帧输出三维渲染结果；
三维显示模块；用于整合三维渲染结果，创建三维接口，以将模型展示到不同的终端平台中。
本实施例中，通过所述三维引擎系统的地形处理模块，对地形影像数据和地形DEM数据进行处理，所述地形处理模块执行的具体内容如下，
A1、对于地形影像数据，根据输入影像的分辨率和用户设定的地形精度参数，自动计算需要建立的影像金字塔层数，并为最后三个层的影像金字塔构建多重纹理；此内容为设定在所述地形处理模块中的多重纹理地形加载机制。
A2、对于地形DEM数据，拟合多分辨率的DEM数据，并结合影像金字塔对DEM数据进行差值分级，获取DEM分级数据，并定义每级DEM分级数据对应的影像金字塔层数；所述三维引擎系统支持多分辨率的DEM合成，能够根据差值，自动将多分辨率的DEM数据的拼接处进行拟合，不出现地形突变等问题。用户可以自行定义每级DEM分级数据对应的影像金字塔层数。
A3、将DEM分级数据和影像金字塔进行结合，转化为二进制存储的顶点和纹理结构，再将纹理结构进行拼接转换，形成纹理大图；并将顶点坐标及其索引建立四叉树结构进行分级存储。
本实施例中，本实施例中，传统的三维引擎系统中，在加载大规模地形时，视角扩大到地形局部细节，很容易出现地形模糊、马赛克的问题，不能同时兼顾大场景和精细化地形模型的渲染展示，本三维引擎系统通过将多重纹理技术和地形四叉树优化算法相结合，设计并实现了多重纹理地形加载机制，保证在任何比例尺下，都能展示出清晰且不模糊的地形模型。
本实施例中，所述模型处理模块执行的具体内容如下：
B1、针对建模软件编写模型转化插件，将模型源数据转换为三维引擎系统能够使用的模型数据格式，即得到整合后的模型数据；所述建模软件为BIM建模软件、倾斜摄影建模软件、3dmax建模软件等建模平台。所述模型处理模块中设置有编写好的模型转化插件，当模型源数据导入到模型处理模块时，模型源数据经模型转换插件，转化为本三维引擎系统能够使用的模型数据格式，即获取整合的模型数据。
B2、将整合的模型数据根据空间位置和空间关系，构建八叉树模型存储结构，对八叉树模型进行纹理贴图，并对其顶点建立lod层级；
B3、使用参数化几何描述的方式对模型进行轻量化处理整合。
B3、建立模型数据的空间关系，为阴影系统做数据准备；
B4、构建骨骼动画，为水体动态模型和其他动态模型做数据准备。
本实施例中，所述轻量化处理具体为参数化几何转换以及图元合并等相关处理操作。
本实施例中，所述建模软件为BIM建模软件、倾斜摄影建模软件和3dmax建模软件；当建模软件为倾斜摄影建模软件时，则针对倾斜摄影模型数据，需要单独处理零散的倾斜影像，并进行拼接和编码，以获取整合的模型数据。
本实施例中，设计了支持BIM建模软件、倾斜摄影建模软件、3dmax建模软件的模型转换插件，可以将模型顶点、模型贴图、模型附着的信息全部无损转换为本引擎的加密模型格式，保证了多源数据导入引擎无信息丢失。
本实施例中，所述三维引擎系统包括模型服务器，所述模型服务器根据IIS进行构建，所述模型服务器中设置有模型在线传输调度机制；所述模型数据和地形数据存储在模型服务器中；所述地形数据包括地形影响数据和地形DEM数据。
本实施例中，通过引擎渲染模块，将在线传输的模型数据加入到渲染线程；根据相机和场景具体参数，将模型数据处理后，渲染到三维显示模块上进行显示。
所述引擎渲染模块执行的具体内容包括，
C1、分步读取地形数据、模型数据、光照阴影数据和动态骨骼动画数据；
C2、根据场景光照建立阴影系统，并将其添加到渲染线程；
C3、将模型交互功能的结果添加到渲染线程；所述模型交互功能的结果包括，模型隐藏、模型隔离、模型剖切以及模型颜色变换的用户操作结果；
C4、根据骨骼动画，将动态模型添加到渲染线程；
C5、将大规模地形、模型数据通过海量模型地形渲染机制，添加到渲染线程。
本实施例中，所述海量模型地形渲染机制是，通过地形处理、四叉树算法、多重纹理构建的方式，提高地形三维渲染显示效率；通过构建模型八叉树结构、参数化模型描述、拓扑解析、遮挡剔除、渲染队列优化排序的方式提高模型三维渲染显示效率。
本实施例中，三维引擎系统能够同时操控两个视口，两个视口模型不同。可以对同一地区不同时期的三维模型进行直观的对比浏览，并且能够在不增加模型渲染符合的情况下，在任意视口中的模型进行单独控制和渲染。
本实施例中，所述三维显示模块执行的具体内容为，将渲染的三维显示结果，加载到不同的平台中；所述平台包括PC端平台、WPF大屏展示平台和Web端网页平台；所述PC端平台通过QT建立模型显示窗口，以展示渲染的三维显示结果；所述WPF大屏展示平台，通过com组件技术建立应用于各种大屏终端的模型显示模块，以展示渲染的三维显示结果；所述Web端网页平台为B/S架构，通过ocx技术，建立三维交互接口，以展示渲染的三维显示结果。
本实施例中，所述三维引擎系统结合四叉树算法、八叉树算法、三维渲染管线的原理机制，设计并实现了一套独有的海量三维数据渲染和展示机制，该机制通过模型预处理，首先将三维数据进行压缩编码，然后将编码后的地形数据通过四叉树算法进行优化，为单体面数多的模型数据建立完善的自动化减面机制，再通过八叉树算法结合LOD、拓扑解析、遮挡剔除、渲染队列优化排序等方式，提高三维模型渲染显示效率。通过上述三种分类优化方式，能够达到海量地形模型数据流畅渲染显示的效果。
本实施例中，所述三维引擎系统同时支持B/S架构和C/S架构，两种架构下，都是通过访问服务器远程存储的三维模型数据。现有的很多其他的远程模型存储调度方法，不能保证模型数据的安全性，用户可以在客户端直接反生出模型数据，模型数据保密性很差；而本三维引擎系统结合pak Quake技术，设计实现了独有的模型数据格式加密功能，保证在网络条件下三维模型数据的安全性，任何人都无法从客户端反生出模型数据。
本实施例中，三维引擎系统能够同步加载42亿面元三维数据(约50GB模型数据)、9.6GB地形模型数据、百兆信息数据，能够保证每秒45帧以上的流畅度和毫秒级数据交互响应。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种工程BIM可视化三维引擎系统，本系统通过模型预处理、四叉树算法、八叉树算法，并结合LOD技术，达到了优化渲染的效果，同时简化了程序代码；本系统通过访问服务器远程存储的三维模型数据，保证在网络条件下三维模型基础数据的安全性，任何人无法从客户端反生出模型数据；本系统通过将多重纹理技术和地形四叉树优化算法相结合，设计并实现了多重纹理地形加载机制，保证在任何比例尺下，都能展示出清晰且不模糊的地形模型；本系统通过设置模型转化插件，将模型顶点、模型贴图、模型附着的信息全部无损转换为本引擎的加密模型格式，保证了多源数据导入引擎无信息丢失；本系统通过设置双视口，可以对同一地区不同时期的三维模型进行直观的对比浏览，并且能够在不增加模型渲染负荷的情况下，对任意视口中的模型进行单独控制和渲染。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述三维引擎系统包括，
地形处理模块；用于对地形影像数据和地形DEM数据进行数据格式的转换和预处理；
模型处理模块；用于对多源模型数据进行模型轻量化处理；
引擎渲染模块；用于对多源模型数据进行实时优化渲染，根据相机和场景的具体参数，对模型进行拓扑解析、遮挡剔除和渲染排序处理，之后逐帧输出三维渲染结果；
三维显示模块；用于整合三维渲染结果，创建三维接口，以将模型展示到不同的终端平台中。
2.根据权利要求1所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述地形处理模块执行的具体内容如下，
A1、对于地形影像数据，根据输入影像的分辨率和用户设定的地形精度参数，自动计算需要建立的影像金字塔层数，并为最后三个层的影像金字塔构建多重纹理；
A2、对于地形DEM数据，拟合多分辨率的DEM数据，并结合影像金字塔对DEM数据进行差值分级，获取DEM分级数据，并定义每级DEM分级数据对应的影像金字塔层数；
A3、将DEM分级数据和影像金字塔进行结合，转化为二进制存储的顶点和纹理结构，再将纹理结构进行拼接转换，形成纹理大图；并将顶点坐标及其索引建立四叉树结构进行分级存储。
3.根据权利要求1所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述模型处理模块执行的具体内容如下：
B1、针对建模软件编写模型转化插件，将模型源数据转换为三维引擎系统能够使用的模型数据格式，即得到整合后的模型数据；
B2、将整合的模型数据根据空间位置和空间关系，构建八叉树模型存储结构，对八叉树模型进行纹理贴图，并对其顶点建立lod层级；
B3、使用参数化几何描述的方式对模型进行轻量化处理整合；
B4、建立模型数据的空间关系，为阴影系统做数据准备；
B5、构建骨骼动画，为水体动态模型和其他动态模型做数据准备。
4.根据权利要求3所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述建模软件为BIM建模软件、倾斜摄影建模软件和3dmax建模软件；当建模软件为倾斜摄影建模软件时，则针对倾斜摄影模型数据，需要单独处理零散的倾斜影像，并进行拼接和编码，以获取整合的模型数据。
5.根据权利要1所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述三维引擎系统包括模型服务器，所述模型服务器根据IIS进行构建，所述模型服务器中设置有模型在线传输调度机制；所述模型数据和地形数据存储在模型服务器中；所述地形数据包括地形影响数据和地形DEM数据。
6.根据权利要求1所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述引擎渲染模块执行的具体内容包括，
C1、分步读取地形数据、模型数据、光照阴影数据和动态骨骼动画数据；
C2、根据场景光照建立阴影系统，并将其添加到渲染线程；
C3、将模型交互功能的结果添加到渲染线程；所述模型交互功能的结果包括，模型隐藏、模型隔离、模型剖切以及模型颜色变换的用户操作结果；
C4、根据骨骼动画，将动态模型添加到渲染线程；
C5、将大规模地形、模型数据通过海量模型地形渲染机制，添加到渲染线程。
7.根据权利要求6所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述海量模型地形渲染机制是，通过地形处理、四叉树算法、多重纹理构建的方式，提高地形三维渲染显示效率；通过构建模型八叉树结构、参数化模型描述、拓扑解析、遮挡剔除、渲染队列优化排序的方式提高模型三维渲染显示效率。
8.根据权利要求1所述的工程BIM可视化三维引擎系统，其特征在于：所述三维显示模块执行的具体内容为，将渲染的三维显示结果，加载到不同的平台中；所述平台包括PC端平台、WPF大屏展示平台和Web端网页平台；所述PC端平台通过QT建立模型显示窗口，以展示渲染的三维显示结果；所述WPF大屏展示平台，通过com组件技术建立应用于各种大屏终端的模型显示模块，以展示渲染的三维显示结果；所述Web端网页平台为B/S架构，通过ocx技术，建立三维交互接口，以展示渲染的三维显示结果。
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