CN112669428A - 一种基于服务器和客户端协作的bim模型渲染方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，客户端从服务端获取需要渲染的BIM模型，并缓存至客户端；客户端与服务端协商分配任务；对应用程序阶段的任务的分配为将应用程序阶段的多个任务终端每一个任务分配给客户端或者服务端中的一个完成；客户端向服务端提交渲染相关的参数；客户端和服务端分别启动渲染工作；服务端完成渲染一幅图向客户端反馈结果；客户端综合本地渲染和服务端返回的结果，将接收到的图片显示到浏览器上对应的区域，展示给用户。本发明本方法能够大大提高其渲染的速度。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图形学、计算机辅助领域，具体涉及一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法。
背景技术
BIM(Building Information Modeling)全称为建筑信息模型，是以建筑物的各项数据为基础而建立的三维建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真是信息。在建筑设计运维及周边设备设施的设计运维中，存在大量模型渲染的场景和需求。由于BIM模型通常较大，BIM模型的渲染对计算机的性能有着较高的要求。随着互联网的普及，WEB应用因为其便捷性而越来越普及，在WEB浏览器中渲染和展示BIM模型逐渐成为BIM应用的趋势。相比于专用的桌面版的BIM渲染软件，在浏览器渲染BIM模型对计算机的性能有着更高的要求，这在一定程度限制基于WEB的BIM应用的普及。
因此，需要一种有效的方案，让性能较低的计算机也能够在浏览器上流畅渲染给定的BIM模型。现有的解决方案主要集中于两个方向：模型轻量化和服务器渲染。模型轻量化是指在不损失模型真实性的前提下通过先进算法把模型重构使之能够被更轻便更灵活地显示，为此需要对BIM模型进行转换和压缩，以提高被图形引擎解析和显示的效率。服务器端渲染指的是对BIM模型的解析和渲染等工作都在服务器端进行，再将渲染出的图片序列以视频流的形式呈现给客户端，这就大大降低了对客户端图形引擎的性能要求。模型轻量化虽然能够提高模型解析和渲染的效率，但是对展示终端的性能依然有一定的要求，尤其是对图形处理设备的要求；服务端渲染可以避免这个问题，但是对客户端的带宽要求较高，并且BIM模型渲染的所有工作都在服务端完成，对服务端的性能有着较高的要求，与客户端渲染的方式相比，在支持相同在线用户数的前提下，服务端渲染的方式需要服务提供者投入高得多的成本。
为此，我们提出了一种基于服务器端和客户端协作的BIM模型渲染方案，该方案将BIM模型解析和渲染中的过程分解成独立的任务，分别由服务器和客户端独立完成，然后由客户端综合这些任务的结果，完成最终的展示。同客户端渲染的方式相比，该方法可以降低对终端设备的性能要求，同服务器端渲染的方式相比，该方案又能降低对服务器性能的要求，减少服务提供者的投入成本。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述技术问题，本发明提供一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，该方案将BIM模型解析和渲染中的过程分解成独立的任务，分别由服务器和客户端独立完成，然后由客户端综合这些任务的结果，完成最终的展示。同客户端渲染的方式相比，该方法可以降低对终端设备的性能要求，同服务器端渲染的方式相比，该方案又能降低对服务器性能的要求，减少服务提供者的投入成本。
2.技术方案：
一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：客户端和服务器端建立连接，通过连接进行协商分配两者的任务、并将各自的任务进行同步结果。
步骤二：客户端从服务端获取需要渲染的BIM模型，并缓存至客户端；所述BIM模型为计算机图形处理引擎能够使用的格式或者经过简单的处理就能够直接使用的格式。
步骤三：客户端与服务端协商分配任务；分配的任务包括对应用程序阶段的任务的分配与对需要做3D渲染的数据进行分割；所述对应用程序阶段的任务的分配为将应用程序阶段的多个任务终端每一个任务分配给客户端或者服务端中的一个完成；所述应用程序阶段的任务包括碰撞检测、动画物理模拟以及视椎体剔除任务。
所述对需要做3D渲染的数据进行分割，其中渲染任务包含两个部分；第一部分为需要CPU计算的部分，包括模型的三维渲染；所述需要CPU计算的部分按照子任务来分配；第二部分为需要GPU计算的部分，所述需要GPU计算的部分从数据上进行分割，即将需要做3D渲染的数据分割成两个部分，分别分配给客户端或者服务端；分割的标准包括：根据构件的类型进行分割或者/和根据照相机视野范围分割。
步骤四：客户端向服务端提交渲染相关的参数，参数包括：相机的位置、角度、运动方向、运动速度。
步骤五：客户端和服务端分别启动渲染工作。
步骤六：服务端完成渲染一幅图向客户端反馈结果。
步骤七：客户端综合本地渲染和服务端返回的结果，将接收到的图片显示到浏览器上对应的区域，展示给用户。
进一步地，如果客户端或者服务端发现因为计算资源的能力限制而达不到预先设置的渲染指标，向另外一方发起渲染任务的重新协商和分配的申请；在新的申请结果没有确定之前，两端依然按照之前的约定进行任务划分；所述渲染指标包括分辨率指标、帧率指标、CPU利用率、内存使用率、GPU利用率。
进一步地，步骤五中，客户端和服务端分别启动渲染工作，开始渲染BIM数据；具体渲染步骤如下：
S51：根据相机的位置、角度、运动方向、运动速度、视野的范围参数，计算出视椎体的范围。
S52: 在视椎体中剔除被遮挡的顶点及其网格数据。
S53: 将数据加载至GPU，GPU开始渲染；同时GPU能够执行其它的由CPU执行的但是尚未执行的任务，任务包括计算碰撞检测任务。
进一步地，步骤六中，服务端完成一帧数据的渲染之后，立即把渲染结果通过websocket通道传输给客户端；数据传输时采用视频编码的方式，将图片编码成视频流中的一帧数据，传输给客户端；客户端收到数据，进行视频解码，即可恢复该帧图片。
进一步地，步骤三中，客户端与服务端协商分配任务的规则为：判断此时客户端能否独立完成渲染任务，如果能即发送渲染任务至客户端独立完成；如果不能，则根据客户端的能力差距服务端协助达到设定渲染质量。
3.有益效果：
本发明针对渲染BIM模型时的四个阶段，前一阶段的输出数据是后一阶段的输入数据，第一个阶段运行在CPU上，比较独立，后面三个阶段运行在GPU上，一旦管线运行，很难进行调整的现象，对渲染的过程进行以下的分配：一是应用程序阶段的相关任务，比如碰撞检测、设备信息展示、动画物理模拟等工作，这些工作可以分别交由服务器或者客户端去做，两者完成后做一个同步即可；二是对需要做3D渲染的数据进行分割，分别交由服务器端和客户端进行渲染，最后由客户端进行合并展示。本方法可以降低BIM渲染对客户端性能的要求，在充分发挥客户端性能的前提下，借助服务器的资源，提高其渲染的速度和渲染质量。
附图说明
图1为BIM模型的图形渲染管线架构示例；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
BIM模型的渲染通常基于3D渲染引擎来实现，目前在浏览器中常用的3D渲染引擎是WebGL。WebGL在OpenGL ES的基础上为JavaScript提供了一系列的接口，使之可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统的图形处理设备在浏览器中更流畅的展示3D场景和模型。从本质上说，在浏览器中渲染BIM模型依然属于GPU(Graphics Processing Unit)图形渲染的范畴。图形渲染管线（The Graphics RenderingPipeline）是GPU图形渲染的核心。一条图形渲染管线架构如图1所示，它通常包含四个阶段：
（1）应用阶段(Application Stage)：系统应用作为CPU上的软件对渲染项目作最初步的处理。凭借着CPU多核多线程的特性，所以像是碰撞检测、动画物理模拟以及视椎体剔除等任务全都交给CPU去处理，这样能大大加快渲染速度。
（2）几何处理阶段(Geometry Processing Stage)：确定绘制的几何图元、绘制方式和绘制位置。几何处理阶段运行在GPU上。
（3）光栅化阶段(Rasterization)：使用上一阶段提供的几何数据，在屏幕上设置对应像素，然后将这些像素传到下一阶段。这个阶段也是在GPU上执行。
（4）像素处理阶段(Pixel Processing Stage)：逐像素地确定像素颜色，进行深度测试、可见性测试、颜色混合等操作。同样地，这个阶段也是GPU执行的。
BIM模型的渲染同样离不开这四个阶段。实际上，因为BIM模型的格式有很多，比如ICF、RVT等等，在渲染BIM模型之前，还需要将BIM模型转换为图形引擎能够识别和使用的数据格式，这通常在BIM模型轻量化阶段完成，或者通过其他途径来完成。在本方案中，默认输入的BIM模型已经是图形处理引擎能够使用的格式或者经过简单的处理就能够直接使用的格式。
在这四个阶段中，前一阶段的输出数据是后一阶段的输入数据，第一个阶段运行在CPU上，比较独立，后面三个阶段运行在GPU上，一旦管线运行，很难进行调整。所以我们从两个方面对渲染过程进行分配：一是应用程序阶段的相关任务，比如碰撞检测、设备信息展示、动画物理模拟等工作，这些工作可以分别交由服务器或者客户端去做，两者完成后做一个同步即可；二是对需要做3D渲染的数据进行分割，分别交由服务器端和客户端进行渲染，最后由客户端进行合并展示。
如附图2所示，本发明提出一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：客户端和服务器端建立连接，通过连接进行协商分配两者的任务、并将各自的任务进行同步结果。
步骤二：客户端从服务端获取需要渲染的BIM模型，并缓存至客户端；所述BIM模型为计算机图形处理引擎能够使用的格式或者经过简单的处理就能够直接使用的格式。
步骤三：客户端与服务端协商分配任务；分配的任务包括对应用程序阶段的任务的分配与对需要做3D渲染的数据进行分割；所述对应用程序阶段的任务的分配为将应用程序阶段的多个任务终端每一个任务分配给客户端或者服务端中的一个完成；所述应用程序阶段的任务包括碰撞检测、动画物理模拟以及视椎体剔除任务。
所述对需要做3D渲染的数据进行分割，其中渲染任务包含两个部分；第一部分为需要CPU计算的部分，包括模型的三维渲染；所述需要CPU计算的部分按照子任务来分配；第二部分为需要GPU计算的部分，所述需要GPU计算的部分从数据上进行分割，即将需要做3D渲染的数据分割成两个部分，分别分配给客户端或者服务端；分割的标准包括：根据构件的类型进行分割或者/和根据照相机视野范围分割。
如图1所示，BIM模型数据的渲染可分为四个阶段，第一个阶段即应用程序阶段运行在CPU上，后面三个阶段运行在GPU上。对于第一个阶段的任务可以在客户端和服务器端进行分配，比如渲染涉及的所有碰撞检测由客户端完成，而所有的动画物理模拟由服务端完成等。后面三个阶段的任务的分配只能从渲染的内容入手，可以按照构件的类型划分，比如所有的建筑墙体由客户端渲染，暖通管道由服务端渲染；也可以按照相机视野的范围来划分，比如视野中左半部分中的构件由服务器渲染，右半部分中的构件由客户端渲染。本方案采用按照视野范围来划分要渲染的数据，这样合并渲染结果就比较简单，直接把渲染的图片拼接起来即可，否则还要计算构件的遮挡关系，然后再对渲染的图片做叠加。对终端用户来说，一部分显示的图像是客户端渲染的，另一部分是由服务器渲染的。本方法中允许客户端和服务端发起渲染任务的重新协商和分配。当客户端或者服务端发现任务的工作量太大而无法达到预先设置的渲染指标（比如分辨率、帧率等），可以发起渲染任务的重新协商和分配。在新的结果没有确定之前，两端依然按照之前的约定进行任务划分。
步骤四：客户端向服务端提交渲染相关的参数，参数包括：相机的位置、角度、运动方向、运动速度。
步骤五：客户端和服务端分别启动渲染工作。
步骤六：服务端完成渲染一幅图向客户端反馈结果。
步骤七：客户端综合本地渲染和服务端返回的结果，将接收到的图片显示到浏览器上对应的区域，展示给用户。
进一步地，如果客户端或者服务端发现因为计算资源的能力限制而达不到预先设置的渲染指标，向另外一方发起渲染任务的重新协商和分配的申请；在新的申请结果没有确定之前，两端依然按照之前的约定进行任务划分；所述渲染指标包括分辨率指标、帧率指标、CPU利用率、内存使用率、GPU利用率。
进一步地，步骤五中，客户端和服务端分别启动渲染工作，开始渲染BIM数据；具体渲染步骤如下：
S51：根据相机的位置、角度、运动方向、运动速度、视野的范围参数，计算出视椎体的范围。
S52: 在视椎体中剔除被遮挡的顶点及其网格数据。
S53: 将数据加载至GPU，GPU开始渲染；同时GPU能够执行其它的由CPU执行的但是尚未执行的任务，任务包括计算碰撞检测任务。
进一步地，步骤六中，服务端完成一帧数据的渲染之后，立即把渲染结果通过websocket通道传输给客户端；数据传输时采用视频编码的方式，将图片编码成视频流中的一帧数据，传输给客户端；客户端收到数据，进行视频解码，即可恢复该帧图片。
进一步地，步骤三中，客户端与服务端协商分配任务的规则为：判断此时客户端能否独立完成渲染任务，如果能即发送渲染任务至客户端独立完成；如果不能，则根据客户端的能力差距服务端协助达到设定渲染质量。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (5)
1.一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：客户端和服务器端建立连接，通过连接进行协商分配两者的任务、并将各自的任务进行同步结果；
步骤二：客户端从服务端获取需要渲染的BIM模型，并缓存至客户端；所述BIM模型为计算机图形处理引擎能够使用的格式或者经过简单的处理就能够直接使用的格式；
步骤三：客户端与服务端协商分配任务；分配的任务包括对应用程序阶段的任务的分配与对需要做3D渲染的数据进行分割；所述对应用程序阶段的任务的分配为将应用程序阶段的多个任务终端每一个任务分配给客户端或者服务端中的一个完成；所述应用程序阶段的任务包括碰撞检测、动画物理模拟以及视椎体剔除任务；
所述对需要做3D渲染的数据进行分割，其中渲染任务包含两个部分；第一部分为需要CPU计算的部分，包括模型的三维渲染；所述需要CPU计算的部分按照子任务来分配；第二部分为需要GPU计算的部分，所述需要GPU计算的部分从数据上进行分割，即将需要做3D渲染的数据分割成两个部分，分别分配给客户端或者服务端；分割的标准包括：根据构件的类型进行分割或者/和根据照相机视野范围分割；
步骤四：客户端向服务端提交渲染相关的参数，参数包括：相机的位置、角度、运动方向、运动速度；
步骤五：客户端和服务端分别启动渲染工作；
步骤六：服务端完成渲染一幅图向客户端反馈结果；
步骤七：客户端综合本地渲染和服务端返回的结果，将接收到的图片显示到浏览器上对应的区域，展示给用户。
2.根据权利要求1所述的一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：如果客户端或者服务端发现因为计算资源的能力限制而达不到预先设置的渲染指标，向另外一方发起渲染任务的重新协商和分配的申请；在新的申请结果没有确定之前，两端依然按照之前的约定进行任务划分；所述渲染指标包括分辨率指标、帧率指标、CPU利用率、内存使用率、GPU利用率。
3.根据权利要求1所述的一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：步骤五中，客户端和服务端分别启动渲染工作，开始渲染BIM数据；具体渲染步骤如下：
S51：根据相机的位置、角度、运动方向、运动速度、视野的范围参数，计算出视椎体的范围；
S52: 在视椎体中剔除被遮挡的顶点及其网格数据；
S53: 将数据加载至GPU，GPU开始渲染；同时GPU能够执行其它的由CPU执行的但是尚未执行的任务，任务包括计算碰撞检测任务。
4.根据权利要求1所述的一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：步骤六中，服务端完成一帧数据的渲染之后，立即把渲染结果通过websocket通道传输给客户端；数据传输时采用视频编码的方式，将图片编码成视频流中的一帧数据，传输给客户端；客户端收到数据，进行视频解码，即可恢复该帧图片。
5.根据权利要求1所述的一种基于服务器和客户端协作的BIM模型渲染方法，其特征在于：步骤三中，客户端与服务端协商分配任务的规则为：判断此时客户端能否独立完成渲染任务，如果能即发送渲染任务至客户端独立完成；如果不能，则根据客户端的能力差距服务端协助达到设定渲染质量。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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