CN112560275A - 一种二维三维实时联动在线图纸批注校审系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维三维实时联动在线图纸批注校审系统及方法，包括用于模型轻量化模块、信息上传模块、八叉树数据分块模块、索引生成模块、数据入库模块和数据库；图纸批注校审模块、D批注校审模块、2D图纸渲染引擎、3D构件关联模块、3D模型渲染引擎、2D构件关联模块，建立三维构件与二维线条的对应关系，采用八叉树算法索引和R树算法索引，采用前后端分离方式，前端浏览器对二维图纸进行渲染可视化，后端采用云端渲染引擎对三维几何信息进行加载和可视化，将选中的构件或元素进行批注校审，可以更准确的实现在线图纸批注和校审工作，通过浏览器同时显示二维三维成果，自动联动，通过选中、二三维对比、添加批注，进而进行协同工作。

Description

一种二维三维实时联动在线图纸批注校审系统及方法

技术领域

本发明涉及建筑软件领域,特别是一种二维三维实时联动在线图纸批注校审系统及方法。

背景技术

目前，建筑信息模型化(Building Information Modeling,简称BIM)技术正进入建筑设计、施工、规划、运维等各个阶段。尤其在规划、设计、施工图阶段，需要对建筑图纸进行线上审查和校审，如对设计成果进行批注、协同工作、合规性合法性标注等。设计院及业主单位大量使用的是二维方法进行线上校审，即通过Web页面在DWG或者PDF图纸上添加批注和说明，实现多人协同工作；随着三维BIM技术的发展，有部分用户选择使用在线显示三维轻量化模型进行批注，实现图模审查和协同工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维三维实时联动在线图纸批注校审系统，所述系统分为数据准备模块和校审批注模块,所述数据准备模块包括：用于将二维图纸转换为DXF或PDF格式的模型轻量化模块、将模型轻量化模块的转换结果上传到云端的信息上传模块、用于对三维信息进行八叉树分块索引的八叉树数据分块模块、用于进行构件检索生成数据表的索引生成模块、将数据表进入数据库的数据入库模块和用于存储数据的数据库；所述校审批注模块包括：作为用户二维图纸校审交互入口的图纸批注校审模块；作为三维视图用户交互入口的3D批注校审模块；作为WebGL渲染功能模块的2D图纸渲染引擎；用于实现接受2D图纸渲染引擎模块用户交互选中的构件编码的3D构件关联模块；作为云端渲染引擎的3D模型渲染引擎；用于实现接受3D模型渲染引擎模块用户交互选中的构件编码的2D构件关联模块。

进一步地,批注校审方法包括数据准备阶段和校审批注阶段,所述数据准备阶段首先遍历BIM模型三维构件赋予每个构件唯一编码,遍历图纸二维元素,轻量化后插入与投影产生该元素的三维构件相同的编码，将元素细化到线条，赋予线条特征编码，建立三维构件与二维线条的对应关系；索引通过计算将所点击的构件或元素位置转换为模型空间位置，对其与八叉树结构存储和R树结构存储最顶层节点距离进行判断，依次选择最近的子节点至追溯的叶子节点获得构件或元素编码，通过编码查询相关信息，实现二三维同一构件的实时选中操作；所述校审批注阶段采用前后端分离方式，前端浏览器对二维图纸进行渲染可视化，后端采用云端渲染引擎对三维几何信息进行加载和可视化，将选中的构件或元素进行批注校审，系统自动在三维视图和三维视图相同位置添加批注信息并自动记录相关著录信息。

进一步地,R树结构存储即二维图纸采用最小边界矩形，从叶子节点开始用矩形将空间框起来，节点越往上框柱空间越大，以此对空间进行分割存储。

进一步地,R树结构存储的叶子节点包含了多个指向不同数据的指针。

进一步地,八叉树结构存储首先计算BIM模型三维构件的重心位置，以每个构件重心位置作为数据集选定分层数量，每层实现k＝8均值聚类算法，使用八叉树连接所有的聚类中心，形成聚类中心坐标为数值的根节点，最底层的叶子节点为所有具体构件。

进一步地,所述k＝8均值聚类算法首先随机选取k＝8个对象(构件重心位置)作为初始聚类中心，计算对象(构件重心位置)与各种子聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心形成一个聚类。

进一步地,数据准备阶段后输出为JSON和DXF文件格式。

进一步地,所述JSON和DXF格式文件经系统处理形成db3DMesh、db3D Attributes、db2DDXF三张表格进入数据库，通过编码实现索引和关联。

进一步地,所述db3DMesh、db3D Attributes、db2DDXF三张表格建立分块索引。

进一步地,著录信息包括二维图纸编号、二维三维视图对应批注位置、用户当前的工作相机参数、高亮选中的构件ID。

该系统带来了如下几个有益效果：

1.在BIM模型基础上进行2D图纸视图的轻量化导出技术。2D导出和3D导出同时进行，建立2D构件和3D构件的关联(映射)关系；为2D、3D的关联及交互显示提供BIM构件级的数据关联。

2.前端渲染解析2D图纸并可视化，后端渲染解析3D BIM模型及可视化，也是本发明的重要创新，可以突破浏览器的内存瓶颈如浏览器通常对用户的Web程序进行200M内存限制，如果把应用程序直接部署到服务器上，可以脱离浏览器，用户程序独占服务器机器全部内存资源，把应用程序的结果返给用户端机器，嵌入到用户的Web浏览器中，可以达到同样的效果，满足更大更复杂的2D、3D数据模型的联合批注和校审；

3.本发明提出的DXF基础上的最小外围矩形分块索引方法，用于、检索DXF的图纸几何元素，速度快，可以在10-30毫秒时间内返回查询结果。

4.本发明提出的BIM模型基础上的基于k-means和八叉树的分块索引方法，用于检索三维BIM模型的几何构件，速度快，可以在10-30毫秒时间内返回查询结果。

5.本发明采用ComponentID关联2D和3D的相同构件，通过ComponentID进行索引，检索速度快，同时支持双向实时操作；

6.本系统提出基本的批注、校审信息可以与2D和3D视图的具体位置进行绑定，同时可以按批注信息和校审信息的创建时间、内容进行分组和排序；当用户查看某条批注时候，系统可以自动切换到对应的相机视角，快速可视化；

7.该系统大大减少审核人员的工作量，通过2D和3D的实时关联，实现联合校审、提高用户对复杂BIM数据校审的精准性，提升工作效率。

附图说明

图1、二三维BIM模型校审批注系统技术流程图；

图2、三维BIM模型的轻量化过程及二维DXF导出算法流程图；

图3、R树存储及最小边界矩形过程示意图；

图4、基于8-Means八叉树的聚类算法示意图

图5、Web端同时显示2D图纸和3D BIM轻量化模型示意图

具体实施方式

下面结合附图,对本发明技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明二维三维实时联动在线图纸批注校审系统技术架构上分为两个阶段，数据准备阶段和校审批注阶段。

第一、数据准备阶段：数据准备阶段包括模型轻量化模块、信息上传模块、八叉树数据分块模块、信息入库模块、索引生成模块和数据库。数据准备阶段的主要工作是把2D和3D成果文件进行转换、轻量化，然后上传到云端数据库系统。其中模型轻量化模块把二维图纸转换为DXF和PDF，通过信息上传模块上传信息；BIM模型的三维信息上传包括JSON格式的Mesh几何信息和构件属性信息，信息上传到云端后，云端系统八叉树数据分块模块、信息入库模块、索引生成模块对BIM的三维信息进行八叉树分块索引，用于迅速的进行构件检索，随后形成三张数据表db3DMesh、db3D Attributes、db2DDXF进入数据库，系统数据库系统可选用关系型数据库，如MySQL等。

数据准备各步骤详述如下：

S101、三维BIM模型的轻量化过程及二维DXF导出，导出算法过程如图2所示。

图2为BIM模型导出流程图，轻量化实现过程采用客户端设计软件的APP插件，导出数据格式细节如下，同时进行两个步骤：(1)遍历所有BIM原生模型(即BIM的正向设计模型，如Revit模型)的3D构件(Component)，每个构件(component)赋予唯一编码，即ComponentID；每个构件内容包括XML/JSON格式信息，如下,其中Mesh代表三维构件信息，Attribute代表构件的属性信息。

<ComponentID>type编码-25位ID编码</ComponentID>

<Mesh>Vertex{}

Line{…}

Face{…}

Normal{…}

</Mesh？

<Attribute>parameter{…},value{…}</Attribute>

(2)遍历BIM原生模型的所有图纸视图(如平立剖图纸视图)，遍历每个图纸视图的每个element(如线，面等)，轻量化为如下的XML/JSON数据形式,同时插入相同的ComponentID如下：

<ComponentID>type编码-25位ID编码</ComponentID>

<Lines><LineID><StartPoint><EndPoint><其他息></Lines>

<Faces>…</Faces>

S102、2D图纸DXF或者PDF以及三维BIM模型文件的索引

上述步骤完成后，可以把设计软件的原生模型转换为Web可视化的轻量化版本，方便用户通过浏览器对图纸和BIM模型进行操作。为了获得好的用户体验，当用户单击选中构件的时候，系统需要迅速检索三维目标构件(或者二维图纸元素)，因此需要对所有的三维构件和所有的二维图纸元素建立索引，通过特殊的数据结构，帮助用户对目标元素实现快速选择和检索。

索引方法包装为对外服务接口，输出结果为R树，和八叉树存储在服务器磁盘，系统启动时候自动加载到计算机内存中，方便用户的快速索引，例如用户首先在三维视图中点击鼠标，鼠标位置通过计算得到三维空间位置，在模型空间中计算鼠标的三维位置与八叉树最顶层节点距离进行判断，依次选择最近的子节点，最终追溯的叶子节点，通过叶子节点获得鼠标单击选中的构件，得到构件的ComponentID；通过ComponentID可以快速查询到构件的属性信息和对应的二维图纸中的几何元素集，实现二三维的同时选中。同理，二维几何元素的快速选中过程类似，确定鼠标点击位置，转换为模型空间坐标，通过R树的查询过程，可以得到ComponentID，最终实现二三维同一个构件的实时选中操作。

其中2D图纸DXF或者PDF的索引算法：2D图纸的索引算法发生在DXF或者PDF上传之后，服务端通过java代码实现。图3为R树存储及最小边界矩形过程示意图。2D图纸采用最小边界矩形(minimal bounding box)，从叶子节点开始用矩形(Rectangle)将空间框起来，节点越往上，框住的空间就越大，以此对空间进行分割；分割结果采用R-树结构存储，它像B+树一样，是一个高度平衡的数据结构，其中的R就是指的Rectangle矩形的意思；R-树是一颗平衡树，每个R-树的叶子节点包含了多个指向不同数据的指针。根据R-树的这种数据结构，当需要进行一个高维空间查询时，我们只需要遍历少数几个叶子节点所包含的指针，查看这些指针指向的数据是否满足要求即可。这种方式使我们不必遍历所有图形元素即可获得答案，效率显著提高。

三维BIM模型文件的八叉树索引算法：八叉树存储结构如图4所示，首先计算BIM模型中每个构件的重心位置，重心位置的计算方法是获取三维构件的最小boundingBox(包围盒)，然后获取boundingBox包围盒的几何重心作为每个构件的重心位置。第二以每个构件的重心位置做为数据集，选定分层数量，例如layers＝10。每一层实现k＝8的均值聚类算法，过程如下，先随机选取k＝8个对象(构件重心位置)作为初始的聚类中心。然后计算每个对象(构件重心位置)与各个种子聚类中心之间的距离，把每个构件重心位置分配给距离它最近的聚类中心。这里首次聚类中心是从构件集元素中随机选取的，即初始聚类中心，也是种子位置；算法每次迭代都会更新聚类重心的位置到同一个分组构建集的平均中心位置(k＝8)；经过多次迭代后，每个组(类)的聚类中心逐步收敛到的一个固定位置，迭代过程中种子指代每次的聚类后的聚类中心。聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类。一旦全部对象都被分配了，每个聚类的聚类中心会根据聚类中现有的对象被重新计算。这个过程将不断重复直到满足某个终止条件。终止条件可以是以下任何一个：

(a)没有(或最小数目)对象被重新分配给不同的聚类。

(b)没有(或最小数目)聚类中心再发生变化。

(c)误差平方和局部最小。

对每个层次(layers)聚类的每个聚类结果(类)分别执行上述k＝8的均值聚类算法，直到Layers＝10。

使用八叉树连接所有的聚类中心，形成聚类中心坐标为数值的根节点，最底层的叶子节点为所有具体构件。

S103、BIM模型二三维对应关系生成

二维图纸/视图的导出过程中，系统自动建立三维构件和视图的关联映射关系，例如BIM模型中的所有构件在视图图纸中二维投影产生的线、点、面都赋予相同的编码ComponentID，例如门构件的所有投影轮廓线有同样的ComponentID，同时保留线条的单独ID编号，如LineID。三维轻量化模型中的构件添加对应的ComponentID，建立3D构件和2D线条的对应关系。

例如，BIM原生模型经过S101分别输出为JSON和DXF文件格式。其中JSON代表三维信息提取，DXF代表二维视图信息提取；上述提取的JSON信息和DXF经系统处理，灌入MySQL数据库的三个表格，分别为db3DMesh、db3DAttributes、db2DDXF。三张表格通过ComponentID字段实现索引和关联，可以实现快速的构件信息查询。对上述三张表格(即db3DMesh、db3D Attributes、db2DDXF)建立分块索引，例如对db3DMesh通过八叉树分块索引，实现快速的构件选中；对db2DDXF通过R-树分块索引，可以实现快速的2D视图中线条/构件元素的快速选中。当用户在2D窗口选中某条线段，通过R-树分块，快速定位到目标元素，系统可以快速确定其对应的ComponentID,后端渲染系统根据ComponentID，快速查询对应的3D元素并进行可视化。

第二、校审批注阶段：校审批注阶段包括图纸批注校审模块、3D批注校审模块、2D图纸渲染引擎、3D构件关联模块、3D模型渲染引擎、2D构件关联模块。该阶段可以帮助用户通过网页交互的方式，选择校审元素，查询元素具体信息，实现二三维联合实时审图。

图纸批注校审模块是用户二维图纸校审交互的入口，通过该模块入口，用户可以浏览二维图纸，选择图纸中的具体元素，在二维窗口中添加批注，实现校审工作流程。

3D批注校审模块是三维视图用户交互的入口，通过此入口，用户可以浏览三维模型信息。交互操作中，用户选择BIM模型中的具体三维构件，用户可以查看信息，添加批注信息，实施三维的校审及批注工作。

2D图纸渲染引擎实际上是WebGL的渲染功能模块，2D图纸如DXF中的点、线、面等通过WebGL封装的渲染管线处理，可视化在浏览器的用户工作子窗口中，接受用户的鼠标事件，如单击、选中、高亮显示、属性查询等操作；

3D模型渲染引擎是云端的渲染引擎，底层是OpenGL图形处理系统，主要功能是实现3D模型的加载、显示、浏览、用户交互、高亮显示等操作。因为云端的渲染引擎是部署在高性能服务器上的，所以速度块，能处理大模型。另外云端渲染引擎结果返回的是渲染结果的照片流/视频流，因此可以直接嵌在浏览器中，实现整个系统功能的web化。

2D构件关联模块实现接受3D模型渲染引擎模块用户交互选中的构件编码，即ComponentID，通过快速搜索模块在数据库中搜索对应的2D元素集合(如组成同一个构件的所有点、线、面等)，并把2D构件元素集信息及时反馈给2D图纸渲染引擎，2D图纸渲染引擎模块对应快速定位用户选中的构件，实现二维三维的联合观察、浏览、批注、校审，实时性好。

3D构件关联模块实现接受2D图纸渲染引擎模块用户交互选中的构件编码，即ComponentID，通过快速搜索模块在数据库中搜索对应的3D构件，并把3D构件信息及时反馈给3D模型渲染引擎，3D模型渲染引擎模块对应快速定位用户选中的构件，实现二维三维的联合观察、浏览、批注、校审，实时性好。

校审批注首先构件对应的搜索、二三维模型组件的联动批注、在线批注校审技术实现。实现二维三维联合校审，添加批注的具体操作过程如下：用户如果在2D窗口工作，选择特定元素进行批注，系统自动在2D视图和3D视图的相同位置添加批注图框和文字；反之用户在3D视图中选定特定元素或者构件，也可以同时在二维视图和三维实体中添加批注信息和图框；当用户添加完成一条批注信息，系统将自动记录2D图纸的编号、二维三维视图对应的批注位置、用户当前的工作相机参数、高亮选中的构件ID等信息；当用户下次浏览批注清单时候，系统可快速定位并切换到当前批注的工作视角。快速实现跨专业的BIM模型的人工批注和校审后Web端同时显示2D图纸和3D BIM轻量化模型，图5即为Web端同时显示2D图纸和3D BIM轻量化模型示意图。

3D BIM模型的可视化显示需要首先搭建云端渲染引擎，本项目的云端渲染引擎采用CBIM-Viewer提前在服务器端配置好，显卡是英伟达Gforce1080Ti 11Gb显存；前端采用Chrome浏览器，通过WebGL版的ThreeJS引擎实现。

本发明构建BIM模型审核二三维引擎采用前后端分离方式，前端浏览器负责对二维图纸进行渲染可视化；后端采用云端渲染引擎对BIM模型三维几何信息进行加载和可视化；此种计算的优点是速度快，实时性好；二维图纸信息相对较少，前端浏览器处理时候数据下载快，内存限制影响不大，有利于用户的实时操作；后端云渲染方式不依赖浏览器的限制，可以渲染更大的三维几何模型，不需要传递模型数据到前端，实现实时的联动校审和批注能够满足用户的使用需求。

本发明一种二三维联动的在线图纸批注校审系统，方便满足不同用户需要，帮助用户实现更好的二三维对照，可以更准确的实现在线图纸批注和校审工作，通过浏览器同时显示二维和三维成果，自动联动，通过选中、二三维对比、添加批注，进而进行协同工作。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种二维三维实时联动在线图纸批注校审系统，其特征在于：所述系统分为数据准备模块和校审批注模块,所述数据准备模块包括：用于将二维图纸转换为DXF或PDF格式的模型轻量化模块、将模型轻量化模块的转换结果上传到云端的信息上传模块、用于对三维信息进行八叉树分块索引的八叉树数据分块模块、用于进行构件检索生成数据表的索引生成模块、将数据表进入数据库的数据入库模块和用于存储数据的数据库；所述校审批注模块包括：作为用户二维图纸校审交互入口的图纸批注校审模块；作为三维视图用户交互入口的3D批注校审模块；作为WebGL渲染功能模块的2D图纸渲染引擎；用于实现接受2D图纸渲染引擎模块用户交互选中的构件编码的3D构件关联模块；作为云端渲染引擎的3D模型渲染引擎；用于实现接受3D模型渲染引擎模块用户交互选中的构件编码的2D构件关联模块。

2.一种二维三维实时联动在线图纸批注校审方法，其特征在于，所述批注校审方法包括数据准备阶段和校审批注阶段,所述数据准备阶段首先遍历BIM模型三维构件赋予每个构件唯一编码,遍历图纸二维元素,轻量化后插入与投影产生该元素的三维构件相同的编码，将元素细化到线条，赋予线条特征编码，建立三维构件与二维线条的对应关系；索引通过计算将所点击的构件或元素位置转换为模型空间位置，对其与八叉树结构存储和R树结构存储最顶层节点距离进行判断，依次选择最近的子节点至追溯的叶子节点获得构件或元素编码，通过编码查询相关信息，实现二三维同一构件的实时选中操作；所述校审批注阶段采用前后端分离方式，前端浏览器对二维图纸进行渲染可视化，后端采用云端渲染引擎对三维几何信息进行加载和可视化，将选中的构件或元素进行批注校审，系统自动在三维视图和三维视图相同位置添加批注信息并自动记录相关著录信息。

3.根据权利要求2所述批注校审方法，其特征在于，所述R树结构存储即二维图纸采用最小边界矩形，从叶子节点开始用矩形将空间框起来，节点越往上框柱空间越大，以此对空间进行分割存储。

4.根据权利要求3所述批注校审方法，其特征在于，所述R树结构存储的叶子节点包含了多个指向不同数据的指针。

5.根据权利要求2所述批注校审方法，其特征在于，所述八叉树结构存储首先计算BIM模型三维构件的重心位置，以每个构件重心位置作为数据集选定分层数量，每层实现k＝8均值聚类算法，使用八叉树连接所有的聚类中心，形成聚类中心坐标为数值的根节点，最底层的叶子节点为所有具体构件。

6.根据权利要求5所述批注校审方法，其特征在于，所述k＝8均值聚类算法首先随机选取k＝8个对象(构件重心位置)作为初始聚类中心，计算对象(构件重心位置)与各种子聚类中心之间的距离，把每个对象分配给距离它最近的聚类中心形成一个聚类。

7.根据权利要求2所述批注校审方法，其特征在于，所述数据准备阶段后输出为JSON和DXF文件格式。

8.根据权利要求7所述批注校审方法，其特征在于，所述JSON和DXF格式文件经系统处理形成db3DMesh、db3D Attributes、db2DDXF三张表格进入数据库，通过编码实现索引和关联。

9.根据权利要求8所述批注校审方法，其特征在于，所述db3DMesh、db3D Attributes、db2DDXF三张表格建立分块索引。

10.根据权利要求2所述批注校审方法，其特征在于，所述著录信息包括二维图纸编号、二维三维视图对应批注位置、用户当前的工作相机参数、高亮选中的构件ID。

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