CN110827381B - 基于ThreeJS的图形分层显示方法、装置和存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明属于三维显示领域，具体涉及一种基于ThreeJS的图形分层显示方法、装置和存储介质。ThreeJS引擎中可以主动设置网格对象的渲染顺序和当前程序的渲染方式，但是使用起来较为低效、繁琐，在复杂情况下可行性不高，其内嵌的渲染排序算法在透明和非透明物体的排序和遮挡问题上存在矛盾。本发明根据场景业务要求对场景中的各网格对象按类型进行层级划分，并根据层级关系的不同，规定每层的渲染顺序以及各层内网格对象的渲染方式。思路简单，代码更加容易维护；在复杂场景下，便捷性更加明显；能够以层级为单位进行错误定位，调试更加快捷；避免不必要的状态切换，减小性能开销的同时实现高效。

Description

基于ThreeJS的图形分层显示方法、装置和存储介质
技术领域
本发明属于三维显示领域，具体涉及一种基于ThreeJS的图形分层显示方法、装置和存储介质，在大多数需要绘制和管理多种三维物体的场景中都可以应用，降低绘制过程中对渲染顺序和多种渲染方式的控制难度。
背景技术
随着技术的进步和硬件设备性能的不断提升，三维显示的渲染效率也与日俱增。与此同时，也不断增加了新的渲染需求，导致在三维显示时往往需要同时绘制具有遮挡关系及渲染顺序等绘制特征的物体，因此如何对其进行管理就十分重要。
在三维显示时可能有很多的渲染需要。比如有很多种类的网格对象，其中包括三维的模型网格对象、选中模型而产生的高亮网格对象、二维下的约束符号、文字、尺寸标注等，并且每一类网格对象与其他类的遮挡关系都是提前规定好的。而ThreeJS引擎仅提供了对网格对象的基本渲染方法，无法满足实际应用的需要。
在多数场景下，开发人员要对所有需要渲染的物体进行主动排序，保证每一类物体的渲染顺序是正确的。而且渲染不同类的物体(比如二维物体和三维物体)，需要开启不同的渲染方式，所以主动排序并控制渲染方式存在如下几个问题：
1)代码可读性和可维护性差；
2)对于复杂场景，实现可行性很差；
3)难以进行错误定位；
4)渲染方式有可能进行多次不必要的切换，增加性能开销。
针对分层绘制，ThreeJS引擎中可以主动设置网格对象的渲染顺序和当前程序的渲染方式。但是使用起来较为低效、繁琐，需要程序开发人员考虑的情况较多，在复杂情况下可行性不高。另外，其内嵌的渲染排序算法在透明和非透明物体的排序和遮挡问题上存在矛盾，有时并不适合开发人员的项目需要。
发明内容
本发明提出了一种基于ThreeJS的图形分层显示方法、系统、装置和存储介质，目的在于为了满足复杂业务场景的渲染需要，解决复杂场景下多种网格对象的分层渲染问题。
本发明基于ThreeJS引擎，对所有需要绘制的网格对象进行分类，并按照层级特点的不同设置渲染的优先级并完成渲染方式的切换。
需要说明的是：在渲染结果中，很多情况下业务场景中会要求某一类网格对象优先显示于另一类网格对象显示，比如场景规定在同时渲染二维对象和三维对象时，二维对象永远不会被三维对象遮挡，为了表述方便，可以引入“显示优先级”的概念，上面的情况可以表述为二维对象的显示优先级高于三维对象。可以说，显示优先级是对显示结果要求的一种表述，表明渲染结果中，各类网格对象遮挡关系的一种排序。同时还要区别于“渲染优先级”，渲染优先级指的是各类对象在渲染过程中的先后顺序。
本发明提供一种基于ThreeJS的图形分层显示方法，该方法包括以下步骤：
S1、规定场景业务要求；
S2、根据场景业务要求对场景中的各网格对象按类型进行层级划分，并将层级作为属性与各类型的网格对象进行绑定；
S3、根据层级关系的不同，规定每层的渲染顺序以及各层内网格对象的渲染方式，其中显示优先级高的层级在后进行渲染；每层内的二维网格对象中，显示优先级高的网格对象在后进行渲染；每层内的三维网格对象中，通过深度检测在像素点对深度值小的物体进行渲染实现遮挡效果。
进一步的，对于三维网格对象，深度值通过多边形偏移polygon offset来计算。
进一步的，
polygonOffset＝(m×polygonOffsetFactor)+(r×polygonOffsetUnits)
其中m是多边形的深度的斜率，为定值，r是渲染引擎中的固定值，polygonOffsetFactor为多边形偏移因子，polygonOffsetUnits为多边形偏移单位。
进一步的，polygonOffsetFactor取值范围为0.2-0.8，polygonOffsetUnits 取值范围为4-8。
进一步的，所述场景业务要求包括：
(1)二维网格对象的显示优先级高于三维网格对象；
(2)在三维网格对象中，显示优先级排序依次为：选中模型而产生的高亮网格对象>鼠标悬停而产生的高亮网格对象>普通三维网格对象。
进一步的，当三维网格对象为透明对象时，在渲染引擎中将选中模型而产生的高亮网格对象和鼠标悬停而产生的高亮网格对象的透明选项设为true，并将其不透明度设为1。
进一步的，若场景下需要非透明网格对象遮挡透明网格对象时，通过设定深度值来实现。
进一步的，对于选中模型而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor 取值为0.3，polygonOffsetUnits取值为5；对于鼠标悬停而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.5，polygonOffsetUnits取值为7。
本发明还提供一种基于ThreeJS的图形分层显示装置，该装置包括场景业务要求规定模块、层级划分模块、渲染顺序规定模块以及渲染方式规定模块，其中所述层级划分模块根据场景业务要求对场景中的各网格对象按类型进行层级划分，并将层级作为属性与各类型的网格对象进行绑定；
所述渲染顺序规定模块根据层级关系的不同，规定每层的渲染顺序以及各层内网格对象的渲染方式；
所述渲染方式规定模块规定显示优先级高的层级在后进行渲染；每层内的二维网格对象中，显示优先级高的网格对象在后进行渲染；每层内的三维网格对象中，通过深度检测在像素点对深度值小的物体进行渲染实现遮挡效果。
进一步的，对于三维网格对象，深度值通过多边形偏移polygon offset来计算。
进一步的，
polygonOffset＝(m×polygonOffsetFactor)+(r×polygonOffsetUnits)
其中m是多边形的深度的斜率，为定值，r是渲染引擎中的固定值，polygonOffsetFactor为多边形偏移因子，polygonOffsetUnits为多边形偏移单位。
进一步的，polygonOffsetFactor取值范围为0.2-0.8，polygonOffsetUnits 取值范围为4-8。
进一步的，所述场景业务要求包括：
(1)二维网格对象的显示优先级高于三维网格对象；
(2)在三维网格对象中，显示优先级排序依次为：选中模型而产生的高亮网格对象>鼠标悬停而产生的高亮网格对象>普通三维网格对象。
进一步的，当三维网格对象为透明对象时，在渲染引擎中将选中模型而产生的高亮网格对象和鼠标悬停而产生的高亮网格对象的透明选项设为true，并将其不透明度设为1。
进一步的，若场景下需要非透明网格对象遮挡透明网格对象时，通过设定深度值来实现。
进一步的，对于选中模型而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.3，polygonOffsetUnits取值为5；对于鼠标悬停而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.5，polygonOffsetUnits取值为7。
本发明还提供一种存储介质，用于存储可执行程序，该可执行程序实现如上述的基于ThreeJS的图形分层显示方法。
采用本发明基于ThreeJS的图形分层显示方法，包括以下有益效果：
1、思路简单，代码更加容易维护；
2、在复杂场景下，便捷性更加明显；
3、能够以层级为单位进行错误定位，调试更加快捷；
4、避免不必要的状态切换，减小性能开销的同时实现高效。
附图说明
图1为本发明图形分层显示方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术方案，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
对于某场景，通过基于ThreeJS的图形分层显示方法进行渲染时，包括以下步骤：
S1、规定场景业务要求
(1)二维网格对象永远不会被三维网格对象遮挡，即二维网格对象的显示优先级高于三维网格对象；
(2)在二维网格对象中，显示优先级排序依次为：约束符号>尺寸标注>文字；
(3)在三维网格对象中，显示优先级排序依次为：选中模型而产生的高亮网格对象>鼠标悬停而产生的高亮网格对象>普通三维网格对象；
(4)三维网格对象有可能是一个透明物体，在这种情况也需要保持需求第 (3)条规定的显示优先级。
S2、根据场景业务要求对场景中的各网格对象按类型进行层级划分，并将层级作为属性与各类型的网格对象进行绑定
为了满足上面的业务要求，在逻辑上对所有网格对象进行层级划分，划分依据的具体类别包括：约束符号、尺寸标注、文字、选中模型而产生的高亮网格对象、鼠标悬停而产生的高亮网格对象、普通三维网格对象。将网格对象的层级作为属性与自身绑定。
S3、根据层级关系的不同，规定每层的渲染顺序以及各层内三维网格对象的渲染方式
在层级划分后，通常应该保证同一层级中的网格对象渲染顺序和渲染方式都相同，但为了实现业务场景中的遮挡关系，需要规定每一层中的渲染顺序和渲染方式，保证每个层级都可以正确被绘制。
如果想让二维网格对象显示优先级高于三维网格对象的话，其渲染顺序要在三维网格对象之后，并且需要关闭深度检测，这样就满足了业务场景中的第(1) 条要求。
上面的规定已经保证了二维网格对象和三维网格对象之间的关系，还需要分别对二维网格对象和三维网格对象进行进一步设置，来保证所有网格对象的显示优先级符合场景需求。
渲染二维网格对象时，一般深度值是不开启的。所以为了满足业务场景中第 (2)条要求，需要保证按“文字→尺寸标注→约束符号”这样的渲染顺序进行渲染。
渲染三维网格对象时，一般为了3d场景的正常遮挡效果需开启深度检测，并且在场景中由选中模型而产生的高亮网格对象、鼠标悬停而产生的高亮网格对象、普通三维网格对象这三种网格对象，由于遮挡关系存在变化且其渲染优先级同为1，所以这里需要引入深度缓冲的概念(Z-Buffer)进行处理。在3d渲染中，如果开启了深度检测机制，渲染引擎会根据深度缓冲确定场景哪部分可见，哪部分不可见。深度缓冲是通过一个二维数组，二维数组中的每一个元素对应屏幕上的一个像素，如果场景中的两个模型在同一个像素生成渲染结果，那么图形处理卡就会比较二者的深度，并且保留深度值小的物体在该像素点的渲染结果，这样就形成了近的模型遮挡远的模型的结果。由于场景中由选中模型而产生的高亮网格对象、鼠标悬停而产生的高亮网格对象、普通三维网格对象这三种网格对象在相同位置的顶点和位置数据都是相同的，所以在渲染时其深度值也是相同的。我们要想区分其显示优先级，考虑修改其对应的深度值，这样渲染引擎在绘制时就可以通过深度值判断对应的对象是显示还是被遮挡。这样的话如果想保证应用场景中的第(3)条要求，需要满足的条件为：由选中模型而产生的高亮网格对象的深度值<鼠标悬停而产生的高亮网格对象的深度值<普通三维网格对象的深度值。
上文中我们知道在开启深度检测的情况下，深度值越小的物体显示优先级越高，而当前场景下，由于选中模型而产生的高亮网格对象、鼠标悬停而产生的高亮网格对象、普通三维网格对象这三种网格对象在相同位置的顶点和位置数据相同，所以其初始深度值都相同。要想达到选中模型而产生的高亮网格对象的深度值<鼠标悬停而产生的高亮网格对象的深度值<普通三维网格对象的深度值的情况，只需要满足：选中模型而产生的高亮网格对象的深度偏移<鼠标悬停而产生的高亮网格对象的深度偏移<普通三维网格对象的深度偏移。
在渲染引擎中，采用多边形偏移(polygonOffset)修改深度值，该机制中涉及三个变量——是否开启多边形偏移，多边形偏移因子 (polygonOffsetFactor)，多边形偏移单位(polygonOffsetUnits)。多边形偏移的计算公式为：
polygonOffset＝(m×polygonOffsetFactor)+(r×polygonOffsetUnits)
上式中m是多边形的深度的斜率，因为三种三维对象在相同位置的顶点数据完全相同，所以m值都相同。r是渲染引擎中的固定值。所以通过给三维对象设置是否开启多边形偏移、多边形偏移因子、多边形偏移单位的属性值可达到业务场景中第(3)条要求。
关于参数具体如何取值，目前绝大多数场景并没有相应的标准，当取值不合适时，有可能会出现物体交叉显示，闪烁和其他显示错误问题。本发明经过综合经验和分析得出优化后的参数标准，在此给出表1中优化的取值方案，可以达到场景中的第(3)条要求。
表1
Figure SMS_1
对包含透明物体的特殊处理
在ThreeJS引擎中确定渲染顺序的总体策略是：将所有网格对象划分为透明和非透明两种，并先绘制非透明网格对象，然后绘制透明网格对象。但是实际业务场景中，普通三维网格对象有可能为透明对象，这时渲染顺序若按上述策略执行，会出现显示异常的情况，所以需要此种情况进行特殊处理。
当三维网格对象为透明对象时，可以将选中模型而产生的高亮网格对象和鼠标悬停而产生的高亮网格对象的透明选项设为true，并将其不透明度设为1(对三维网格对象进行渲染)。这样渲染引擎会将选中模型而产生的高亮网格对象、鼠标悬停而产生的高亮网格对象和普通三维网格对象都按透明对象处理，这样渲染顺序和遮挡关系都可以保持正确。
若场景下需要非透明网格对象遮挡透明网格对象，仅仅使用内设渲染顺序的方式并不能满足第(4)条要求，特别是两种三维网格对象的位置和顶点数据完全相同的情况，对此情况的处理可以使用多边形偏移、多边形偏移因子、多边形偏移单位来使得三维网格对象在渲染过程中，具有不同的深度值，经过深度检测之后，可保证应用场景中的第(4)条要求。

Claims (15)

1.一种基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、规定场景业务要求，其中，所述场景业务要求包括：(1)二维网格对象的显示优先级高于三维网格对象；(2)在三维网格对象中，显示优先级排序依次为：选中模型而产生的高亮网格对象>鼠标悬停而产生的高亮网格对象>普通三维网格对象；
S2、根据场景业务要求对场景中的各网格对象按类型进行层级划分，并将层级作为属性与各类型的网格对象进行绑定；
S3、根据层级关系的不同，规定每层的渲染顺序以及各层内网格对象的渲染方式，其中显示优先级高的层级在后进行渲染；每层内的二维网格对象中，显示优先级高的网格对象在后进行渲染；每层内的三维网格对象中，通过深度检测在像素点对深度值小的物体进行渲染实现遮挡效果。
2.根据权利要求1所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于：对于三维网格对象，深度值通过多边形偏移polygon offset来计算。
3.根据权利要求2所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于：
polygonOffset＝(m×polygonOffsetFactor)+(r×polygonOffsetUnits)
其中m是多边形的深度的斜率，为定值，r是渲染引擎中的固定值，
polygonOffsetFactor为多边形偏移因子，polygonOffsetUnits为多边形偏移单位。
4.根据权利要求3所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于：
polygonOffsetFactor取值范围为0.2-0.8，polygonOffsetUnits取值范围为4-8。
5.根据权利要求4所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于：当三维网格对象为透明对象时，在渲染引擎中将选中模型而产生的高亮网格对象和鼠标悬停而产生的高亮网格对象的透明选项设为true，并将其不透明度设为1。
6.根据权利要求5所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于：若场景下需要非透明网格对象遮挡透明网格对象时，通过设定深度值来实现。
7.根据权利要求4所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法，其特征在于：对于选中模型而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.3，polygonOffsetUnits取值为5；对于鼠标悬停而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.5，polygonOffsetUnits取值为7。
8.一种基于ThreeJS的图形分层显示装置，其特征在于：该装置包括场景业务要求规定模块、层级划分模块、渲染顺序规定模块以及渲染方式规定模块，
其中所述层级划分模块根据场景业务要求对场景中的各网格对象按类型进行层级划分，并将层级作为属性与各类型的网格对象进行绑定，所述场景业务要求包括：(1)二维网格对象的显示优先级高于三维网格对象；(2)在三维网格对象中，显示优先级排序依次为：选中模型而产生的高亮网格对象>鼠标悬停而产生的高亮网格对象>普通三维网格对象；
所述渲染顺序规定模块根据层级关系的不同，规定每层的渲染顺序以及各层内网格对象的渲染方式；
所述渲染方式规定模块规定显示优先级高的层级在后进行渲染；每层内的二维网格对象中，显示优先级高的网格对象在后进行渲染；每层内的三维网格对象中，通过深度检测在像素点对深度值小的物体进行渲染实现遮挡效果。
9.根据权利要求8所述的图形分层显示装置，其特征在于：对于三维网格对象，深度值通过多边形偏移polygon offset来计算。
10.根据权利要求9所述的图形分层显示装置，其特征在于：
polygonOffset＝(m×polygonOffsetFactor)+(r×polygonOffsetUnits)
其中m是多边形的深度的斜率，为定值，r是渲染引擎中的固定值，polygonOffsetFactor为多边形偏移因子，polygonOffsetUnits为多边形偏移单位。
11.根据权利要求10所述的图形分层显示装置，其特征在于：polygonOffsetFactor取值范围为0.2-0.8，polygonOffsetUnits取值范围为4-8。
12.根据权利要求11所述的图形分层显示装置，其特征在于：当三维网格对象为透明对象时，在渲染引擎中将选中模型而产生的高亮网格对象和鼠标悬停而产生的高亮网格对象的透明选项设为true，并将其不透明度设为1。
13.根据权利要求12所述的图形分层显示装置，其特征在于：若场景下需要非透明网格对象遮挡透明网格对象时，通过设定深度值来实现。
14.根据权利要求11所述的图形分层显示装置，其特征在于：对于选中模型而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.3，polygonOffsetUnits取值为5；对于鼠标悬停而产生的高亮网格对象，polygonOffsetFactor取值为0.5，polygonOffsetUnits取值为7。
15.一种存储介质，用于存储可执行程序，该可执行程序实现如权利要求1-7中任一项所述的基于ThreeJS的图形分层显示方法。
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