CN112085826A - 一种高效的三维空间网格渲染方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效的三维空间网格渲染方法及装置，包括：将每个网格的任一顶点坐标及边长生成三维空间网格数据包，根据三维空间网格数据包中的每个网格的任一顶点坐标及边长，还原每个网格的所有顶点坐标，并去除重复的顶点坐标，对其余顶点坐标进行缓存合并和着色，根据缓存合并和着色的顶点坐标，渲染出三维空间网格对象。本发明通过更精简的三维空间网格数据结构，降低三维空间网格数据冗余度，减少多余的渲染目标，提高三维空间网格数据的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及三维空间网格技术领域，尤其涉及一种高效的三维空间网格渲染方法及装置。
背景技术
“数字孪生城市”是指物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局。现有的北斗时空数字孪生平台中空间对象和数据都用最小包围网格来描述，有些空间对象(如三维建筑物)的最小包围网格由几十万个甚至上百万个网格组成，如何渲染出城市级的三维空间网格则是重中之重。现有技术中，渲染流程如下所示：
1、通过每个空间网格数据由网格的两个对角点(例如左下角与右上角)坐标(包括经度，纬度，高度)表示；
2、服务模块将大量的空间网格数据组织起来一次性传输到显示模块；
3、显示模块根据每个网格的两个对角点坐标算出网格的边长，换算出每个网格的八点顶点坐标；
4、显示模块根据第3步所得的顶点坐标，渲染出一个一个的立方体，即为一组三维空间网格。
然而，在现有技术中，由于每个三维空间网格都有两个对角点坐标组成，多个相邻的三维空间网格总有重叠的重复坐标点，会产生大量的重复以及多余的数据，造成每相邻的三维空间网格之间重叠的部分会重复渲染，将影响后面的数据传输以及数据解析效率。
发明内容
本发明目的在于，提供一种高效的三维空间网格渲染方法及装置，本发明通过更精简的三维空间网格数据结构，降低三维空间网格数据冗余度，减少多余的渲染目标，提高三维空间网格数据的利用率。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种高效的三维空间网格渲染方法，包括：
将每个网格的任一顶点坐标及边长生成三维空间网格数据包；
根据所述三维空间网格数据包中的每个网格的任一顶点坐标及边长，还原每个网格的所有顶点坐标，并去除重复的顶点坐标，对其余顶点坐标进行缓存合并和着色；
根据缓存合并和着色的顶点坐标，渲染出三维空间网格对象。
优选地，根据所有网格的任一顶点坐标及边长得到的三维空间网格数据，采用设定的瓦片机制，将所述三维空间网格数据写入对应的瓦片数据；
采用设定的分层机制，将写入对应的瓦片数据的三维空间网格数据以瓦片金字塔的方式构建影像金字塔，获得具有分层结构的三维空间网格瓦片数据，即生成三维空间网格数据包。
优选地，从所述三维空间网格数据包中，查询并提取与请求的三维空间网格数据对应比例尺级别的瓦片数据；
将所述瓦片数据进行拼接，得到当前所在位置和所在层级的可视化范围内的三维空间网格数据。
本发明的另一实施例提供一种高效的三维空间网格渲染装置，包括：
所述服务模块，用于将每个网格的任一顶点坐标及边长，生成三维空间网格数据包，并将所述三维空间网格数据包传输至所述显示模块；
所述显示模块，用于根据所述三维空间网格数据包中的每个网格的任一顶点坐标及边长，还原每个网格的所有顶点坐标，并去除重复的顶点坐标，对其余顶点坐标进行缓存合并和着色；还用于根据缓存合并和着色的顶点坐标，渲染出三维空间网格对象。
优选地，所述服务模块，具体用于根据所有网格的任一顶点坐标及边长得到的三维空间网格数据，采用设定的瓦片机制，将所述三维空间网格数据写入对应的瓦片数据；并采用设定的分层机制，将写入对应的瓦片数据的三维空间网格数据以瓦片金字塔的方式构建影像金字塔，获得具有分层结构的三维空间网格瓦片数据，即生成三维空间网格数据包。
优选地，所述显示模块，具体用于从所述三维空间网格数据包中，查询并提取与请求的三维空间网格数据对应比例尺级别的瓦片数据；并将所述瓦片数据进行拼接，得到当前所在位置和所在层级的可视化范围内的三维空间网格数据。
本发明实施例还提供一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一实施例所述的一种高效的三维空间网格渲染方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一实施例所述的一种高效的三维空间网格渲染方法。
本发明实施例中，优点在于针对现有技术多个相邻的三维空间网格总有重叠的重复坐标点，产生大量的重复以及多余的数据，影响数据传输以及数据解析效率的问题。本发明通过更精简的三维空间网格数据结构，降低三维空间网格数据冗余度，提高三维空间网格数据的利用率，还利用划分层级与划分瓦片的机制来组织三维空间网格数据结构，能达到更高的数据传输效率与数据的利用效率，最后通过处理重复无用的三维空间网格顶点数据，减少多余的渲染目标，提高对整体的渲染速度，并且拥有更大范围的渲染能力，综上，本发明具有轻量性、高效性和简洁性等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的基础流程示意图；
图2是本发明某一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的流程示意图；
图3是本发明另一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的瓦片切分流程示意图；
图4是本发明又一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的瓦片金字塔示意图；
图5是本发明某一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的参数计算的示意图；
图6是本发明另一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的相机与网格层级关系的示意图；
图7是本发明又一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染方法的顶点合并示意图；
图8是本发明某一实施例提供的一种高效的三维空间网格渲染装置的结构示意图。
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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，本发明实施例提供一种高效的三维空间网格渲染方法，包括以下基础步骤：
S1、每个三维空间网格用一个顶点和此网格的边长表示，目的在于直接减少冗余的数据，并且减少储存与传输的数据量。
S2、将每个用一个顶点和此网格的边长表示的三维空间网格组织起来。
S3、根据一个三维空间网格的顶点与边长，换算出每个网格的八点顶点坐标。
S4、根据S3所得的三维空间网格顶点坐标，渲染出一个一个的立方体，即为三维空间网格对象。
在本实施例中，优点在于针对现有技术多个相邻的三维空间网格总有重叠的重复坐标点，产生大量的重复以及多余的数据，影响数据传输以及数据解析效率的问题。本发明通过更精简的三维空间网格数据结构，降低三维空间网格数据冗余度，提高三维空间网格数据的利用率，还利用划分层级与划分瓦片的机制来组织三维空间网格数据结构，能达到更高的数据传输效率与数据的利用效率，最后通过处理重复无用的三维空间网格顶点数据，减少多余的渲染目标，提高对整体的渲染速度，并且拥有更大范围的渲染能力，综上，本发明具有轻量性、高效性和简洁性等特点。
请参阅图2，本发明又一实施例提供一种高效的三维空间网格渲染方法，包括以下步骤：
S101、将每个网格的任一顶点坐标及边长生成三维空间网格数据包。
由于当前几乎所有的网络地图都采用基于墨卡托投影的瓦片地图的方式管理，一个瓦片的占用空间小，利用金字塔模型进行管理与组织，能够快速有效地对地图进行调度和显示，并且三维空间网格与地理信息系统有许多的相关性，因此本发明采用瓦片机制与分层机制相结合的方式来管理与渲染三维空间网格数据。
墨卡托投影是正轴等角圆柱投影，假想一个与地轴方向一致的圆柱切或割于地球，按等角条件，将经纬网投影到圆柱面上，将圆柱面展为平面后，即得本投影。瓦片地图是一种多分辨率层次模型，从瓦片金字塔的底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变。
在步骤S101中，根据所有网格的任一顶点坐标及边长得到的三维空间网格数据，采用设定的瓦片机制，将三维空间网格数据写入对应的瓦片数据。
参照图3，首先对瓦片数据进行处理，将Web墨卡托投影坐标系空间切分成一块一块的瓦片(例如切成边长为256的瓦片，或者边长为512的瓦片)，瓦片切分方法如下：
1)将三维空间网格区域经纬度范围转为Web墨卡托坐标范围；
2)Web墨卡托坐标转换为瓦片坐标；
3)将瓦片坐标转换为Web墨卡托投影坐标；
4)将Web墨卡托投影坐标转换为经纬度坐标；
5)重复步骤3)和4)，遍历所有瓦片。
经过以上的处理过程就可以得到三维空间网格范围内所有瓦片的经纬度坐标。
参照图3，其次将三维空间网格数据放入瓦片数据中。在上述瓦片的切分过程中，可以确定每个瓦片在空间中的位置的瓦片原点与瓦片坐标，瓦片切分的范围。三维空间网格数据转换可将三维空间网格数据按照瓦片切分：
1)根据瓦片坐标创建瓦片数据文件，如“x/y.json”
2)根据每个瓦片的范围，查找并确认在此瓦片范围内的三维空间网格；
3)将此瓦片的范围内的三维空间网格数据写入此瓦片数据文件中；
4)重复步骤2)和3)，则可获得此三维空间网格数据的所有瓦片数据。
采用设定的分层机制，将写入对应的瓦片数据的三维空间网格数据以瓦片金字塔的方式构建影像金字塔，获得具有分层结构的三维空间网格瓦片数据，即生成三维空间网格数据包，具体的，如下：
参照图4，将三维空间网格数据按照瓦片金字塔的方式组织，即最低层就是提取和划分出的比例尺最小的一级的瓦片，而最上层的则是比例尺最大的一级的瓦片。
在瓦片切分的过程中，可根据瓦片金字塔的原理定义出一系列的比例尺层级，同时将三维空间网格定义出一系列不同边长的三维空间网格数据，使不同边长的三维空间网格数据与对应的瓦片比例尺层级相对应起来。与三维空间网格数据处理结合，可设计出具有分层结构的三维空间网格瓦片数据。步骤如下：
1)根据瓦片坐标和比例尺级别创建瓦片数据文件，如“z/x/y.json”；(其中z为比例尺层级，x、y为瓦片横轴与纵轴的坐标)
2)根据每个瓦片的范围与对应的层级，查找并确认在此瓦片范围内的三维空间网格；
3)将此瓦片的范围内的三维空间网格数据写入此瓦片数据文件中；
4)重复步骤2)和3)，则可获得此三维空间网格数据的所有瓦片数据。
S102、根据所述三维空间网格数据包中的每个网格的任一顶点坐标及边长，还原每个网格的所有顶点坐标，并去除重复的顶点坐标，对其余顶点坐标进行缓存合并和着色。
本发明的瓦片数据坐标是按照瓦片的比例尺级别、横轴坐标(行号)、纵轴坐标(列号)来组织的。标准的WMS请求中也涉及到行列号的换算，WMS请求中有一个Bbox的参数，而这个参数也与行列号的换算有关系。而标准的WMTS请求中，TILEMATRIX、TILEROW、TILECOL这三个参数代表的就是瓦片的比例尺级别、行号、列号。
参照图5，根据分层机制的处理过程，可以通过以下步骤得到瓦片的行列号，以及需要的在X、Y轴的个数，最终获得瓦片数据。
1)获得请求地理范围中的中心点(centerPoint)；
2)计算当前比例尺级别(level)；
3)算出屏幕范围所对应的地理范围(minX、minY、maxX、maxY)；
4)计算瓦片行列的起始号以及瓦片个数。
S103、根据缓存合并和着色的顶点坐标，渲染出三维空间网格对象。
参照图4，建立了影像金字塔后，在切好的瓦片数据文件中，找到对应比例尺级别中对应的瓦片，提取该瓦片数据。参照图6，通过相机与目标的距离可定义出一系列的层级，结合瓦片数据坐标的处理过程得到的瓦片数据，从三维空间网格数据包中，查询并提取与请求的三维空间网格数据对应比例尺级别的瓦片数据，将瓦片数据进行拼接，得到当前所在位置和所在层级的可视化范围内的三维空间网格数据，以此提高数据的利用率，提高数据传输的效率。
参照图7，可根据相邻空间网格顶点重叠情况，去除重复的顶点数据，去除多余的重复渲染，目的在于降低渲染资源的开销，并根据得到的空间网格顶点数据，进行几何数据的缓存合并，顶点着色，目的在于提高渲染效率，降低渲染资源的开销。
在本实施例中，优点在于针对现有技术多个相邻的三维空间网格总有重叠的重复坐标点，产生大量的重复以及多余的数据，影响数据传输以及数据解析效率的问题。本发明通过更精简的三维空间网格数据结构，降低三维空间网格数据冗余度，提高三维空间网格数据的利用率，还利用划分层级与划分瓦片的机制来组织三维空间网格数据结构，能达到更高的数据传输效率与数据的利用效率，最后通过处理重复无用的三维空间网格顶点数据，减少多余的渲染目标，提高对整体的渲染速度，并且拥有更大范围的渲染能力，综上，本发明具有轻量性、高效性和简洁性等特点。
请参阅图8，本发明实施例提供一种高效的三维空间网格渲染装置，应用于上述任意一个实施例中的一种高效的三维空间网格渲染装置。
关于一种高效的三维空间网格渲染装置的具体限定可以参见上文中对于的限定，在此不再赘述。上述一种高效的三维空间网格渲染装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本发明实施例提供一种计算机终端设备，包括一个或多个处理器和存储器。存储器与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任意一个实施例中的一种高效的三维空间网格渲染方法。
处理器用于控制该计算机终端设备的整体操作，以完成上述的一种高效的三维空间网格渲染方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该计算机终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该计算机终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
在一示例性实施例中，计算机终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific 1ntegrated Circuit，简称AS1C)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device,简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的一种高效的三维空间网格渲染方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的一种高效的三维空间网格渲染方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由计算机终端设备的处理器执行以完成上述的一种高效的三维空间网格渲染方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
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 (8)
1.一种高效的三维空间网格渲染方法，其特征在于，包括：
将每个网格的任一顶点坐标及边长生成三维空间网格数据包；
根据所述三维空间网格数据包中的每个网格的任一顶点坐标及边长，还原每个网格的所有顶点坐标，并去除重复的顶点坐标，对其余顶点坐标进行缓存合并和着色；
根据缓存合并和着色的顶点坐标，渲染出三维空间网格对象。
2.根据权利要求1所述的一种高效的三维空间网格渲染方法，其特征在于，所述将每个网格的任一顶点坐标及边长生成三维空间网格数据包，包括：
根据所有网格的任一顶点坐标及边长得到的三维空间网格数据，采用设定的瓦片机制，将所述三维空间网格数据写入对应的瓦片数据；
采用设定的分层机制，将写入对应的瓦片数据的三维空间网格数据以瓦片金字塔的方式构建影像金字塔，获得具有分层结构的三维空间网格瓦片数据，即生成三维空间网格数据包。
3.根据权利要求2所述的一种高效的三维空间网格渲染方法，其特征在于，所述渲染出三维空间网格对象，包括：
从所述三维空间网格数据包中，查询并提取与请求的三维空间网格数据对应比例尺级别的瓦片数据；
将所述瓦片数据进行拼接，得到当前所在位置和所在层级的可视化范围内的三维空间网格数据。
4.一种高效的三维空间网格渲染装置，其特征在于，包括：服务模块和显示模块；其中，
所述服务模块，用于将每个网格的任一顶点坐标及边长，生成三维空间网格数据包，并将所述三维空间网格数据包传输至所述显示模块；
所述显示模块，用于根据所述三维空间网格数据包中的每个网格的任一顶点坐标及边长，还原每个网格的所有顶点坐标，并去除重复的顶点坐标，对其余顶点坐标进行缓存合并和着色；还用于根据缓存合并和着色的顶点坐标，渲染出三维空间网格对象。
5.根据权利要求4所述的一种高效的三维空间网格渲染装置，其特征在于，
所述服务模块，具体用于根据所有网格的任一顶点坐标及边长得到的三维空间网格数据，采用设定的瓦片机制，将所述三维空间网格数据写入对应的瓦片数据；并采用设定的分层机制，将写入对应的瓦片数据的三维空间网格数据以瓦片金字塔的方式构建影像金字塔，获得具有分层结构的三维空间网格瓦片数据，即生成三维空间网格数据包。
6.根据权利要求5所述的一种高效的三维空间网格渲染装置，其特征在于，
所述显示模块，具体用于从所述三维空间网格数据包中，查询并提取与请求的三维空间网格数据对应比例尺级别的瓦片数据；并将所述瓦片数据进行拼接，得到当前所在位置和所在层级的可视化范围内的三维空间网格数据。
7.一种计算机终端设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至3任一项所述的一种高效的三维空间网格渲染方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述的一种高效的三维空间网格渲染方法。
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