CN112509102B - Bim模型数据的轻量可视化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种BIM模型数据的轻量可视化方法，包括获取原始的GIM数据；对获取的原始的GIM数据进行解析；对得到的解析后的数据进行格式转换；构建GIM阅读器并将得到的数据进行可视化展示。本发明提供的这种BIM模型数据的轻量可视化方法，通过对GIM数据进行快速解析、格式转换、误差监测修正和实时展示，实现了工程三维设计成果、工程电网模型数据、工程基础地理数据三维场景等在WEB端的可视化展现，而且本发明方法可靠性高、实用性好。

Description

BIM模型数据的轻量可视化方法
技术领域
本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种BIM模型数据的轻量可视化方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，电力系统的稳定可靠运行，就成为了电力系统最重要的任务之一。
目前，电网系统实行精细化管理，同时对电网的三维设计过程进行全过程监管。GIM工程数据是电网系统推出的三维设计模型交互规范，该规范能够更好的适用于电网系统，从而提高电网系统的运行效率和供电稳定性等。
但是，GIM数据无法直接加载到三维引擎上；GIM数据在加载前，需要对其进行解析，将其组织成三维引擎可以理解的顶点、三角面片的形式或格式，进而实现三维场景的模型信息和属性信息的管理和可视化。同时，在WEB端解析GIM三维模型时，速度较慢，三维模型的加载效率低，而且预览效果不流畅。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对GIM数据进行快速解析，实现GIM数据快速可视化，而且可靠性高、实用性好的BIM模型数据的轻量可视化方法。
本发明提供的这种BIM模型数据的轻量可视化方法，包括如下步骤：
S1.获取原始的GIM数据；
S2.对步骤S1获取的原始的GIM数据进行解析；
S3.对步骤S2得到的解析后的数据进行格式转换；
S4.构建GIM阅读器，从而将步骤S3得到的数据进行可视化展示。
步骤S2所述的对步骤S1获取的原始的GIM数据进行解析，具体为采用7Z算法对GIM文件进行解压缩，然后采用UTF-8解码算法对几何模型单元、组合模型、物理模型、逻辑模型、工程模型以及属性信息进行解码，然后转换为OBJ格式进行存储；其中几何模型单元的扩展名为.mod；组合模型的扩展名为.phm；物理模型的扩展名为.dev；逻辑模型的扩展名为.sch；工程模型的扩展名为.cbm；属性信息的扩展名为.fam。
步骤S3所述的对步骤S2得到的解析后的数据进行格式转换，具体为采用如下步骤进行格式转换：
A.使用边压缩方法对模型网格进行简化：把网格中的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角面片退化，边的两个顶点融合为一个公共顶点；同时，对每次操作的误差进行计算，并将此操作误差作为权值插入到以权值增序的队列中，然后循环对模型进行简化；
B.对模型文件进行索引编码转换：对顶点索引负值的处理，确保顶点正确连接构成面片；
C.对模型的顶点坐标进行处理，从而完成格式转换。
步骤A所述的误差，具体为定义新顶点到折叠边的两顶点的总距离为误差：设定新顶点为V0，折叠边E的顶点为V1、V2，则对于顶点V1、V2模板上的Δt对应的线性方程为ax+by+cz+d＝0，用Gt代替[a b c d]'减少计算量，并设定a2+b2+c2＝1，从而折叠边的误差计算表达式如下：
Figure BDA0002812439520000031
同时，令
Figure BDA0002812439520000032
其中i＝1,2，
Figure BDA0002812439520000033
式中Er(E,V0)xyz为顶点的几何误差；Δt为三维平面表达式；S(V1)为i＝1的倍数；G′t为Gt的导数；V0为新的顶点坐标；S(V2)为i＝2的倍数；Gt为[a b c d]的可能值；
由上式简化为Er(E,V0)xyz＝V′0(Q1+Q2)V0；同时，在简化过程中，由上式计算顶点的误差，并当误差在设定范围内时，认定该折叠边为合理的。
步骤B所述的对模型文件进行索引编码转换：对顶点索引负值的处理，确保顶点正确连接构成面片，具体为搜索模型文件，对存在负索引值的模型文件，将其索引值由-i转换为Nj-i，然后再对模型数据进行优化；Nj为模型顶点的个数总和。
步骤C所述的对模型的顶点坐标进行处理，具体为采用如下步骤进行处理：
遍历“VetexPositions”部分，获取坐标绝对值的最大值Vmax；然后将该值除以设定值NN并进行取整，得到要缩放的倍数S：当倍数S小于或等于1时，则保持模型坐标不变；若倍数S大于1，则采用如下算式计算得到新的模型顶点坐标：
Figure BDA0002812439520000041
式中(Vix,Viy,Viz)为更新前的模型顶点坐标；(Vixnew,Viynew,Viznew)为更新后的模型顶点坐标。
步骤S4所述的构建GIM阅读器，具体为采用如下步骤构建GIM阅读器：
a.创建一个<canvas>标签在HTML5中，创建canvas元素显示产品模型；
b.获得<canvas>标签的上下文，通过下句获得canvas的上下文，通过变量实现调用WebGL API，从而使用WebGL技术在canvas内渲染显示模型；
c.初始化视口，并定义视口大小；
d.创建若干个缓冲区存放渲染模型的数据信息；
e.创建若干个矩阵定义从顶点缓冲到屏幕空间的转换；
f.创建多个着色器；
g.初始化的着色器参数；
i.绘制模型，实现显示。
本发明提供的这种BIM模型数据的轻量可视化方法，通过对GIM数据进行快速解析、格式转换、误差监测修正和实时展示，实现了工程三维设计成果、工程电网模型数据、工程基础地理数据三维场景等在WEB端的可视化展现，而且本发明方法可靠性高、实用性好。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法中的网格压缩边简化示意图。
图3为本发明方法中的点V0的模板示意图。
图4为本发明方法中的颠倒顶点顺序示意图。
图5为本发明方法中的模型Web显示实现原理示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种BIM模型数据的轻量可视化方法，包括如下步骤：
S1.获取原始的GIM数据；变电站(换流站)工程三维设计模型GIM文件，包含了*.cbm、*.dev、*.sch、*.fam、*.phm、*.mod等一系列描述性文件以及*.ifc、*.stl等不能用基本图元绘制的模型文件(如建筑、水暖等设施模型)，这些文件分别存储在CBM、DEV、PHM、MOD文件夹中；输电线路工程三维设计模型GIM文件，包含了*.cbm、*.dev、*.fam、*.phm、*.mod等一系列描述性文件以及*.stl等不能用参数化描述的模型文件(如金具、绝缘子等模型)；
S2.对步骤S1获取的原始的GIM数据进行解析；具体为采用7Z算法对GIM文件进行解压缩，然后采用UTF-8解码算法对几何模型单元、组合模型、物理模型、逻辑模型、工程模型以及属性信息进行解码，然后转换为OBJ格式进行存储；其中几何模型单元的扩展名为.mod；组合模型的扩展名为.phm；物理模型的扩展名为.dev；逻辑模型的扩展名为.sch；工程模型的扩展名为.cbm；属性信息的扩展名为.fam；
S3.对步骤S2得到的解析后的数据进行格式转换；
通过将GIM解析后，输出为OBJ格式存储；由于模型ΟBJ格式一般压缩比不高，模型数据量仍然较大，这不利于产品模型的网络传输和存储；因此本发明经过文件数据布局转换的基础上，对三维CAD产品模型的几何信息进行简化处理，获得适合网络传输的数量小、传输快、便于Web快速显示浏览的轻量化模型；因此，采用如下步骤进行格式转换：
A.使用边压缩方法对模型网格进行简化(如图2所示)：把网格中的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角面片退化，边的两个顶点融合为一个公共顶点；同时，对每次操作的误差进行计算，并将此操作误差作为权值插入到以权值增序的队列中，然后循环对模型进行简化；
其中，定义新顶点到折叠边的两顶点的总距离为误差(如图3所示)：设定新顶点为V0，折叠边E的顶点为V1、V2，则对于顶点V1、V2模板上的Δt对应的线性方程为ax+by+cz+d＝0，用Gt代替[a b c d]'减少计算量，并设定a2+b2+c2＝1，从而折叠边的误差计算表达式如下：
Figure BDA0002812439520000061
同时，令
Figure BDA0002812439520000062
其中i＝1,2，
Figure BDA0002812439520000063
式中Er(E,V0)xyz为顶点的几何误差；Δt为三维平面表达式；S(V1)为i＝1的倍数；G′t为Gt的导数；V0为新的顶点坐标；S(V2)为i＝2的倍数；Gt为[a b c d]的可能值；
由上式简化为Er(E,V0)xyz＝V′0(Q1+Q2)V0；同时，在简化过程中，由上式计算顶点的误差，并当误差在设定范围内时，认定该折叠边为合理的；
B.对模型文件进行索引编码转换：对顶点索引负值的处理，确保顶点正确连接构成面片；具体为搜索模型文件，对存在负索引值的模型文件，将其索引值由-i转换为Nj-i，然后再对模型数据进行优化；Nj为模型顶点的个数总和；
对三维产品模型文件进行简化得到轻量型OBJ格式，为确保模型显示的精度，本发明在文件布局转换处理的基础上再对模型文件进行索引编码转换，对顶点索引负值的处理，确保顶点正确连接构成面片；
当索引值为负时，面片相当于按倒序连接点，例如对于5个顶点模型，模型的顶点索引数据，以及处理顶点面片连接顺序如下表1中显示：
表1模型的顶点索引数据及处理顶点面片连接顺序示意表
Figure BDA0002812439520000071
由上表中数据连接顶点构成的面片如图4所示；
从图4(a)、(b)两个面片结构可以看到，颠倒顶点顺序连接面片构成的模型与真实模型存在极大误差和变形失真；可知顶点索引的连接顺序对网格模型的显示精度具有很大影响；为保证模型的显示精度，本发明对模型顶点索引进行优化处理，特别是存在负值索引的产品模型；主要将索引值进行反转，由-i转换为Nj-i，其中Nj为模型顶点的个数总和，再在此基础上根据优化算法对模型数据进行处理；
C.对模型的顶点坐标进行处理，从而完成格式转换；
标准OBJ文件经简化转换后，结合MTL材质库文件中纹理材质、光照等模型信息，进行整合形成如下形式的初始JSON文件：
{
"VertexPositions":[xp1,yp1,zp1,……xpn,ypn,zpn],//面片顶点坐标
"VertexNormals":[xN1,yN1,zN1,……xNn,yNn,zNn],//各顶点的法向量
"VertexTexture Coords":[ut1,vt1,……utn,vtn],//纹理坐标
"Indices":[0,1,2,……n-1]//三角面片的顶点索引
}
为保证产品模型显示精度和交互质量，得到初始JSON格式后，考虑模型的数据参数，提出以下表达式分别对模型的顶点坐标进行处理；
模型顶点坐标在-15～15这个范围内，模型显示精度较高。因此在转换数据时，考虑模型的所有顶点坐标即对初始JSON文件中的模型顶点坐标"VertexPositions"部分用表达式对整体进行缩放，优化模型数据；
遍历“VetexPositions”部分，获取坐标绝对值的最大值Vmax；然后将该值除以设定值NN(优选为15)并进行取整，得到要缩放的倍数S：当倍数S小于或等于1时，则保持模型坐标不变；若倍数S大于1，则采用如下算式计算得到新的模型顶点坐标：
Figure BDA0002812439520000081
式中(Vix,Viy,Viz)为更新前的模型顶点坐标；(Vixnew,Viynew,Viznew)为更新后的模型顶点坐标；
到此完成对模型文件的转换处理，得到适用Web浏览器识别、读取且利于网络高效传输的标准JSON文件格式；
S4.构建GIM阅读器，从而将步骤S3得到的数据进行可视化展示；具体为采用如下步骤构建GIM阅读器：
GIM阅读器通过集成WebGL技术，利用HTML5.0技术、CSS技术、ES6和WebGL技术实现三维模型动态可视化，其中HTML语言构成前端页面的结构；CSS用来控制前端页面的样式；JavaScript用来实现业务逻辑和动态可视化，WebGL提供了基于GPU硬件加速的三维可视化；
a.创建一个<canvas>标签在HTML5中，创建canvas元素显示产品模型；
“<canvas id-"example-canvas"style＝"border:none；"width＝"500"
height＝"500"><canvas>”
b.获得<canvas>标签的上下文，通过下句获得canvas的上下文，通过变量实现调用WebGL API，从而使用WebGL技术在canvas内渲染显示模型；
Figure BDA0002812439520000091
c.初始化视口，并定义视口大小；
每个三维场景都应有视口，以规定用户通过什么角度观察产品模型；在获得canvas的上下文后，需要对视口进行初始化，即对三维模型矩形绘制区域大小的设置。本文如下设置，定义绘制区域与canvas大小重合；
function init Viewport(gl,canvas)
{
gl.viewport(0,0,canvas.width,canvas.height)；
}
d.创建若干个缓冲区存放渲染模型的数据信息；
定义创建缓冲区临时存放模型数据；三维模型文件一般都由很多顶点信息构成，本文的三维模型Web显示格式JSON,也是以类似于三角面片的形式记录模型数据；包含构成一个三角面片的顶点坐标以及顶点索引，还有各个顶点的法矢向量，纹理坐标等模型数据；通过创建顶点缓冲区VertexPositionBuffer、顶点法矢缓冲区VertexNormalBuffer、顶点纹理缓冲区VertexTextureCoordBuffer、顶点索引缓冲区Vertex IndexBuffer来临时存储三维产品模型的数据，并将这些缓冲区属性itemSize对应的分别设置为3、3、2、1，由此在读取模型数据时，以itemSize设置的个数读取产品模型数据；
e.创建若干个矩阵定义从顶点缓冲到屏幕空间的转换；
缓存模型数据之后，定义模型矩阵和视图矩阵；顶点缓冲转换到屏幕空间，以及模型的变换(移动、旋转、缩放)，都通过计算模型矩阵，再对模型顶点数据进行处理，实现对模型的操作；定义视图矩阵变换用户的观察位置；
f.创建多个着色器；
定义着色器，分为顶点着色器和片元着色器；在计算机中，三维模型一般都是通过顶点连接构成三角面片去描述并进行渲染显示的；顶点着色器主要处理模型的顶点数据，片元着色器则是通过对模型三角面片三个顶点进行插值，处理三角面片上其他非顶点数据；
g.初始化的着色器参数；分别对顶点着色器和片元着色器进行初始化；
i.绘制模型，实现显示；调用WebGLAPI实现模型Web显示；
模型Web显示实现原理如图5所示；可知在浏览器支持WebGL的条件下，调用WebGL对象的方法进行初始化设置后，包括着色器，定义元素数组对象等的初始化；利用XMLHttpRequest对象的open()方法初始化HTTP请求，和使用JSON.parse(方法读取服务器上模型文件的相关数据；send()方法向Web服务器发送HTTP请求，实现模型导入；提取模型数据不同列表，赋值给初始定义的数组对象；利用缓冲区将结构化的模型数据处理成着色器能够理解的变量类型；着色器中的顶点着色器将接收的三维空间中点的坐标，处理为二维空间中的坐标并输出，经过图元光栅化后发送到片元着色器；再推送到系统显卡，绘制渲染，实现模型显示。

Claims (2)

1.一种BIM模型数据的轻量可视化方法，包括如下步骤：
S1.获取原始的GIM数据；
S2.对步骤S1获取的原始的GIM数据进行解析；
S3.对步骤S2得到的解析后的数据进行格式转换；具体为采用如下步骤进行格式转换：
A.使用边压缩方法对模型网格进行简化：把网格中的一条边压缩为一个顶点，与该边相邻的两个三角面片退化，边的两个顶点融合为一个公共顶点；同时，对每次操作的误差进行计算，并将此操作误差作为权值插入到以权值增序的队列中，然后循环对模型进行简化；所述的误差，定义新顶点到折叠边的两顶点的总距离为误差：设定新顶点为V0，折叠边E的顶点为V1、V2，则对于顶点V1、V2模板上的Δt对应的线性方程为ax+by+cz+d＝0，用Gt代替[ab c d]'减少计算量，并设定a2+b2+c2＝1，从而折叠边的误差计算表达式如下：
Figure FDA0003989553850000011
同时，令
Figure FDA0003989553850000012
其中i＝1,2，
Figure FDA0003989553850000013
式中Er(E,V0)xyz为顶点的几何误差；Δt为三维平面表达式；S(V1)为i＝1的倍数；Gt'为Gt的导数；V0为新的顶点坐标；S(V2)为i＝2的倍数；Gt为[a b c d]的可能值；
由上式简化为Er(E,V0)xyz＝V0'(Q1+Q2)V0；同时，在简化过程中，由上式计算顶点的误差，并当误差在设定范围内时，认定该折叠边为合理的；
B.对模型文件进行索引编码转换：对顶点索引负值的处理，确保顶点正确连接构成面片；所述的对模型文件进行索引编码转换：对顶点索引负值的处理，确保顶点正确连接构成面片，具体为搜索模型文件，对存在负索引值的模型文件，将其索引值由-i转换为Nj-i，然后再对模型数据进行优化；Nj为模型顶点的个数总和；
C.对模型的顶点坐标进行处理，从而完成格式转换；具体为采用如下步骤进行处理：
遍历“VetexPositions”部分，获取坐标绝对值的最大值Vmax；然后将该值除以设定值NN并进行取整，得到要缩放的倍数S：当倍数S小于或等于1时，则保持模型坐标不变；若倍数S大于1，则采用如下算式计算得到新的模型顶点坐标：
Figure FDA0003989553850000021
式中(Vix,Viy,Viz)为更新前的模型顶点坐标；(Vixnew,Viynew,Viznew)为更新后的模型顶点坐标；
S4.构建GIM阅读器，从而将步骤S3得到的数据进行可视化展示；具体为采用如下步骤构建GIM阅读器：
a.创建一个<canvas>标签在HTML5中，创建canvas元素显示产品模型；
b.获得<canvas>标签的上下文，通过下句获得canvas的上下文，通过变量实现调用WebGL API，从而使用WebGL技术在canvas内渲染显示模型；
c.初始化视口，并定义视口大小；
d.创建若干个缓冲区存放渲染模型的数据信息；
e.创建若干个矩阵定义从顶点缓冲到屏幕空间的转换；
f.创建多个着色器；
g.初始化的着色器参数；
i.绘制模型，实现显示。
2.根据权利要求1所述的BIM模型数据的轻量可视化方法，其特征在于步骤S2所述的对步骤S1获取的原始的GIM数据进行解析，具体为采用7Z算法对GIM文件进行解压缩，然后采用UTF-8解码算法对几何模型单元、组合模型、物理模型、逻辑模型、工程模型以及属性信息进行解码，然后转换为OBJ格式进行存储；其中几何模型单元的扩展名为.mod；组合模型的扩展名为.phm；物理模型的扩展名为.dev；逻辑模型的扩展名为.sch；工程模型的扩展名为.cbm；属性信息的扩展名为.fam。
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