CN111968212A - 一种基于视点的三维城市场景数据动态调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视点的三维城市场景数据动态调度的方法，包括步骤：确定场景数据的可视区域及瓦片层级信息；建立场景对象具有紧凑包围盒的四叉树空间索引规则，将三维场景数据划分成″三维瓦片″；判断场景对象包围盒与视锥体的几何位置关系，确定场景数据的可视范围；选择可视范围内的渲染对象在当前视野下合适的瓦片层级，对下一步的视点位置、需要加载的场景范围及瓦片层级进行预测加载，并在后台将其调入缓存，实时生成可视范围内三维场景的节点瓦片。本发明通过建立基于视点的三维城市场景动态调度方法，能够按需加载且渲染帧率基本稳定在50fps左右，有效提高了三维城市场景数据在Web端动态调度的高效性和视觉感知效果。
Description
技术领域
本发明涉及数据动态调度领域，尤其涉及一种基于视点的三维城市场景数据动态调度方法。
背景技术
城市三维场景数据的动态调度是建设数字城市的一个重要组成部分，对于数据量巨大的三维城市模型数据，如何进行合理高效的组织以及提高三维城市模型互联网传输及可视化效率具有重要的作用。三维城市场景的数据动态调度是根据目前图形显卡特点、软硬件平台发展水平及三维模型数据组织方式等技术实现对其高效的索引调度，主要技术包括场景数据空间索引结构的构建、数据动态调度策略以及渲染感知性能的优化。
在三维城市模型实时绘制的过程中，如果数据组织不合理，就会造成网络传输压力过大、难以实时传输、降低运行效率从而影响场景渲染效果的问题，而合理的数据组织和管理可以在一定程度上缓解该问题，但目前多数的可视化调度并没有考虑互联网传输的要求。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，在现有的数据组织方式、索引机制及可视化调度策略的基础上对其进行改进，以实现在浏览器端无插件，跨平台，流畅的三维城市场景可视化。
本发明的技术方案是这样实现的，一种基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，包括步骤
S1：针对三维城市模型的复杂性、空间分布不均匀性的特征，构建瓦片对象的空间索引结构，对场景中的模型数据进行合理的组织存储；
S2：获取当前视点参数并确定场景对象的屏幕空间误差阈值；
S3：依据当前视点进行广度优先遍历，创建根节点作为当前瓦片节点，并将当前瓦片节点加入节点瓦片队列；
S4：遍历瓦片队列中的节点，遍历完成，则执行步骤S7，遍历未完成则执行步骤S5；
S5：根据当前视点参数实时生成三维场景的视锥体，对场景数据进行可见性判断，即判断瓦片对象的包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若是，则执行步骤S6；若否，则执行步骤S4；
S6：获取可视范围内每个节点的几何误差并计算出对应的屏幕空间误差，如果满足当前视点的屏幕空间误差阈值，则将该节点加入渲染队列并执行步骤S7；若不满足，则执行步骤S4；
S7：遍历瓦片渲染队列，遍历完成，则执行步骤S10，遍历未完成则执行步骤S8；
S8：进行视锥体检测，判断场景数据是否可见，即判断瓦片对象的包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若是，则执行步骤S9；若否，则从渲染队列中剔除；
S9：取出瓦片的子瓦片并计算出对应的屏幕空间误差，如果满足当前视点的屏幕空间误差阈值，则将该子瓦片替换渲染队列中的父瓦片并执行步骤S10；若不满足，则从渲染队列中剔除；
S10：根据当前视点运动状态和位置，对下一步的视点位置、需要加载的场景范围及瓦片层级进行预测，并在后台将其调入缓存；
S11：对于渲染队列中等待绘制的场景数据，判断该渲染对象是否存在于客户端内存中，如是，则直接返回客户端进行场景数据的加载；如否，则向Web服务器发送数据请求，将返回数据加载到场景队列中并在客户端建立缓存。
进一步地，步骤S1中所述场景对象的空间索引结构为具有紧凑包围盒四叉树的空间数据索引结构。
进一步地，步骤S5中判断瓦片数据是否在可见范围内包括步骤：判断瓦片对象包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若瓦片对象包围盒与场景对象视锥体相交或包含，则表示瓦片对象在可见范围内；若瓦片对象包围盒与场景对象视锥体不相交或不包含，则表示瓦片对象不在可见范围。
进一步地，步骤S9包括步骤
S91：若当前节点产生的屏幕空间误差大于给定阈值，则执行步骤S10；
S92：若当前节点产生的屏幕空间误差小于或等于给定阈值，则将该对象从渲染队列中剔除。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过建立具有紧凑包围盒四叉树的场景数据索引结构并采用替换式渐进传输方式，能够按需加载且渲染帧率基本稳定在50fps左右，有效地提高了三维城市场景数据动态调度的高效性及视觉感知效果。
附图说明
图1是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法流程图；
图2a是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例通过代码监测的附加式场景传输方式加载过程中数据下载量性能测试示意图；
图2b是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例通过代码监测的替换式场景传输方式加载过程中数据下载量性能测试示意图；
图3a是是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例通过代码监测的附加式场景传输方式加载过程中帧率性能测试示意图；
图3b是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例通过代码监测的替换式场景传输方式加载过程中帧率性能测试示意图；
图4a是是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例通过代码监测的附加式场景传输方式加载过程中调用WebGL绘制命令数量性能测试示意图；
图4b是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例通过代码监测的替换式场景传输方式加载过程中调用WebGL绘制命令数量性能测试示意图；
图5是本发明基于视点的三维城市场景数据动态调度方法一个实施例中场景漫游过程中帧率的变化状态图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明提供了一种基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，包括如下步骤：
S1、针对三维城市模型的复杂性、空间分布不均匀性的特征，构建瓦片对象的空间索引结构，对场景中的模型数据进行合理的组织存储；所述场景数据组织方式为具有紧凑包围盒四叉树的空间数据索引结构。
S2、获取当前视点参数并确定场景对象的屏幕空间误差阈值；
S3、依据当前视点进行广度优先遍历，创建根节点作为当前瓦片节点，并将当前瓦片节点加入节点瓦片队列；
S4、遍历瓦片队列中的节点，遍历完成，则执行步骤S7，遍历未完成则执行步骤S5；
S5、根据当前视点参数实时生成三维场景的视锥体，对场景数据进行可见性判断，即判断瓦片对象的包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若是，则执行步骤S6；若否，则执行步骤S4；
S6、获取可视范围内每个节点的几何误差并计算出对应的屏幕空间误差，如果满足当前视点的屏幕空间误差阈值，则将该节点加入渲染队列并执行步骤S7；若不满足，则执行步骤S4；
S7、遍历瓦片渲染队列，遍历完成，则执行步骤S10，遍历未完成则执行步骤S8；
S8、进行视锥体检测，判断场景数据是否可见，即判断瓦片对象的包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若是，则执行步骤S9；若否，则从渲染队列中剔除；
S9、取出瓦片的子瓦片并计算出对应的屏幕空间误差，如果满足当前视点的屏幕空间误差阈值，则将该子瓦片替换渲染队列中的父瓦片并执行步骤S10；若不满足，则从渲染队列中剔除；
S10、根据当前视点运动状态和位置，对下一步的视点位置、需要加载的场景范围及瓦片层级进行预测，并在后台将其调入缓存；
S11、对于渲染队列中等待绘制的场景数据，判断该渲染对象是否存在于客户端内存中，如是，则直接返回客户端进行场景数据的加载；如否，则向Web服务器发送数据请求，将返回数据加载到场景队列中并在客户端建立缓存。
步骤S1中所述场景对象的空间索引结构，针对三维城市模型的复杂性、空间分布不均匀性的特性，为实现对可见区域场景数据的快速调取及渲染绘制，选择具有紧凑包围盒四叉树的空间数据索引结构作为城市场景数据的组织方式。
步骤S5中判断瓦片数据是否在可见范围内，是通过判断瓦片对象包围盒与场景视锥体是否相交或包含来确定的；若瓦片对象包围盒与场景对象视锥体相交或包含，则表示瓦片对象在可见范围内；若瓦片对象包围盒与场景对象视锥体不相交或不包含，则表示瓦片对象不在可见范围。
步骤S9中包括两种情况：
A1、若当前节点产生的屏幕空间误差大于给定阈值，则执行步骤S10；
A2、若当前节点产生的屏幕空间误差小于或等于给定阈值，则将该对象从渲染队列中剔除。
请参见图2a、图2b、图3a、图3b、图4a和图4b可以对比说明本方法的数据调度效果。
本实施例中，区域内的模型数据为单体化后的倾斜摄影模型，总数据量为1.63GB，运行环境为支持WebGL的谷歌浏览器。
图2a、图2b、图3a、图3b、图4a和图4b是通过代码监测的两种场景传输方式过程中数据下载量、帧率及调用WebGL绘制命令次数的对比图。其中，图2a和图2b对比表明整个三维场景完成加载时，通过替换式加载层次细节，在加载时间和内存占用上大约减少了30％，而且当没有瓦片加载的时候其稳定状态并没有性能差异；图3a和图3b对比表明帧率在很大程度上基本不受影响，这就说明替换式加载也可以提供较好的视觉效果；通过图4a和图4b对比可以看出，当大部分模型还没有加载的时候，替换式加载调用的绘制命令函数明显要比附加式调用的数量要多，这就表明替换式加载会需要额外的绘制命令来混合层次细节，从而在瓦片数据层级切换时不至于出现″抖动″(popping)现象，但是最终两种方式调用的绘制命令基本相等。
采用追加式传输和替换式传输两种方式，追加式传输在某位置采集的5个帧，替换式在同一位置、同样时间间隔采集的5个帧，替换式在相同的时间内可以较快加载出更精细的瓦片数据。
请参见图5，按照图1设计的数据实时动态调度流程对场景数据进行调度、绘制，进而测试其渲染性能的优劣，图5记录了场景漫游过程中帧率的变化状态，在整个漫游过程中，帧率基本稳定在50fps左右，这表明系统运行流畅，渲染效果较好。
本发明在三维场景漫游的过程中，随着视点参数的变化，动态选择用户可见区域内需要加载的瓦片层次细节，真正做到按需加载。而且在整个漫游过程中，相邻层级瓦片切换时无明显的″抖动″现象，可以实现平滑过渡，使得三维城市模型的可视化视觉感知体验较好。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，其特征在于，包括步骤
S1：针对三维城市模型的复杂性、空间分布不均匀性的特征，构建瓦片对象的空间索引结构，对场景中的模型数据进行合理的组织存储；
S2：获取当前视点参数并确定场景对象的屏幕空间误差阈值；
S3：依据当前视点进行广度优先遍历，创建根节点作为当前瓦片节点，并将当前瓦片节点加入节点瓦片队列；
S4：遍历瓦片队列中的节点，遍历完成，则执行步骤S7，遍历未完成则执行步骤S5；
S5：根据当前视点参数实时生成三维场景的视锥体，对场景数据进行可见性判断，即判断瓦片对象的包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若是，则执行步骤S6；若否，则执行步骤S4；
S6：获取可视范围内每个节点的几何误差并计算出对应的屏幕空间误差，如果满足当前视点的屏幕空间误差阈值，则将该节点加入渲染队列并执行步骤S7；若不满足，则执行步骤S4；
S7：遍历瓦片渲染队列，遍历完成，则执行步骤S10，遍历未完成则执行步骤S8；
S8：进行视锥体检测，判断场景数据是否可见，即判断瓦片对象的包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若是，则执行步骤S9；若否，则从渲染队列中剔除；
S9：取出瓦片的子瓦片并计算出对应的屏幕空间误差，如果满足当前视点的屏幕空间误差阈值，则将该子瓦片替换渲染队列中的父瓦片并执行步骤S10；若不满足，则从渲染队列中剔除；
S10：根据当前视点运动状态和位置，对下一步的视点位置、需要加载的场景范围及瓦片层级进行预测，并在后台将其调入缓存；
S11：对于渲染队列中等待绘制的场景数据，判断该渲染对象是否存在于客户端内存中，如是，则直接返回客户端进行场景数据的加载；如否，则向Web服务器发送数据请求，将返回数据加载到场景队列中并在客户端建立缓存。
2.如权利要求1所述的基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，其特征在于，步骤S1中所述场景对象的空间索引结构为具有紧凑包围盒四叉树的空间数据索引结构。
3.如权利要求1所述的基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，其特征在于，步骤S5中判断瓦片数据是否在可见范围内包括步骤：判断瓦片对象包围盒与场景视锥体是否相交或包含，若瓦片对象包围盒与场景对象视锥体相交或包含，则表示瓦片对象在可见范围内；若瓦片对象包围盒与场景对象视锥体不相交或不包含，则表示瓦片对象不在可见范围。
4.如权利要求1所述的基于视点的三维城市场景数据动态调度方法，其特征在于，步骤S9包括步骤
S91：若当前节点产生的屏幕空间误差大于给定阈值，则执行步骤S10；
S92：若当前节点产生的屏幕空间误差小于或等于给定阈值，则将该对象从渲染队列中剔除。
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