CN112785673A - 一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，包括获取每个模型对象的模型数据，将模型数据相同的模型对象归为一类，创建每类模型对象的数据内存；根据模型数据进行网格模型简化；将每类模型对象的模型位置信息和姿态信息进行合并，并创建对应状态内存；获取视域内显示的模型对象，裁剪视域外的模型对象，并对状态内存中位置信息、姿态信息进行更新；根据视域内每类模型对象与视点的距离选择待渲染的网格模型。能将渲染次数由千级骤降为个位数批次、渲染三角面由万级将至千级，从而在不影响显示效果的前提下，实现渲染效率提升。
Description
技术领域
本发明属于三维模型可视化方法技术领域，涉及一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法。
背景技术
在地理信息系统(简称GIS)行业中，大批量三维模型可视化一直是地理信息的一个显著特征。近年来，随着浏览器性能优化，传统行业智慧化、知识化转型，Web三维可视化技术发展迅速，B/S三维可视化已经成为地理信息过程动态模拟、可视化分析、协同决策等方面不可或缺的核心技术。在三维场景中为了更真实的展示目标，三维模型可视化已经被广泛应用。例如在航空监测和卫星管控应用中，三维模型的数量庞大，这给图形渲染带来巨大的压力。以某一时间段全球航班为例，大约2500架飞机，如果每架飞机都实时渲染，系统渲染的帧率会急速下降，导致卡顿甚至卡死。通常的硬件环境，按照常规的三维模型渲染方式，能承受的三维模型渲染量大概在2000左右(具体由模型精度和机器性能而定)，而实际应用中远大于此。
为解决常规三维模型渲染效率低与实际需求之间的矛盾，通常的解决方案利用Levels of Detail(简称LOD)的思想，即在不同的视域距离显示模型图片和三维模型，例如目标与视点超过一定距离时，不考虑目标细节，只显示模型图片，当目标与视点较近时，显示目标三维模型，从而在控制三维模型数量的同时，又可以查看所有的目标信息。这种方案虽然在一定程度上解决了问题，但在本质上，它只是一种调度方案，并没有从根本上提升三维模型的渲染效率，并且这种调度，在某些情况可以使用，但在视域内目标比较密集的场景可能就不能满足需求，三维模型目标必须始终显示，这种情况下，LOD的方案就无法适用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，解决了现有技术中存在的渲染效率较低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，包括以下步骤：
步骤1、获取每个模型对象的模型数据，将模型数据相同的模型对象归为一类，创建每类模型对象的数据内存；根据模型数据进行网格模型简化；
步骤2、将每类模型对象的模型位置信息和姿态信息进行合并，并创建对应状态内存；
步骤3、获取视域内显示的模型对象，裁剪视域外的模型对象，并对状态内存中位置信息、姿态信息进行更新；
步骤4、根据视域内每类模型对象与视点的距离选择待渲染的网格模型。
本发明的特点还在于：
步骤1具体包括以下步骤：
步骤101、获取每个模型对象的模型数据，模型数据包括顶点、纹理、法向量、索引数据，将模型数据相同的模型对象归为一类，创建每类模型对象的数据内存；
步骤102、根据顶点数据获取模型包围盒，并以模型对象的原点为中心，将顶点数据空间分成若干个立方体；
步骤103、当立方体内仅含一个顶点时，若该顶点至立方体中心的距离小于立方体边长的一半，则保留，否则丢弃；当立方体内含两个或以上顶点时，若该立方体法向变化率小于法向量变化率阈值，则保留与其最近的顶点，否则重复步骤102，直至每个立方体法向变化率小于法向量变化率阈值；得到简化顶点数据；
步骤104、创建第一模型顶点索引内存副本、第二模型顶点索引内存副本，将模型对象的顶点数据写入第一模型顶点索引内存副本，将简化顶点数据对应的索引写入第二模型顶点索引内存副本中。
步骤2具体过程为：
根据每类模型对象的姿态信息创建对应数量的状态内存，将每类模型对象的模型位置和姿态信息转化为矩阵，并将矩阵中行向量数据分别写入对应状态内存中。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤301、获取每个模型对象的模型包围球，并与当前视点位置的视域椎体求交，获得视域内显示的模型对象，同时裁剪视域外的模型对象；
步骤302、根据视域内显示的模型对象，对状态内存中的位置信息和姿态信息进行修改，使修改后的位置信息和姿态信息指向状态内存中对应的位置。
步骤4具体包括以下步骤：
步骤401、计算视域内显示的模型对象与视点的距离，并选出每类模型对象与视点的最小距离；
步骤402、若每类模型对象与视点的最小距离小于距离阈值，则渲染第一模型顶点索引内存副本中的顶点数据，否则渲染第二模型顶点索引内存副本中的顶点数据。
本发明的有益效果是：
本发明的一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，合并相同模型顶点、纹理、法向量、索引数据，根据模型数据对模型网格进行简化，再将位置信息、姿态信息合并，并结合视域裁剪技术，能减少渲染批次；利用显卡在设计时减少渲染三角面，能一次渲染大量数据，渲染效率远高于相同数据的分开多次渲染、需渲染海量三角面的机制，能将渲染次数由千级骤降为个位数批次、渲染三角面由万级将至千级，从而在不影响显示效果的前提下，实现渲染效率提升。
附图说明
图1是本发明一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，包括以下步骤：
步骤1、获取每个模型对象的模型数据，数据模型包括顶点、纹理、法向量、索引数据，将模型数据相同的模型对象归为一类，创建每类模型对象的数据内存，根据顶点、法向量数据进行网格模型简化；
步骤101、获取每个模型对象的顶点、纹理、法向量、索引数据，将数据相同的模型对象归为一类，创建每类模型对象的数据内存；每类数据内存中包括了该类全部模型对象的顶点、纹理、法向量、索引数据；
步骤102、根据顶点数据获取模型包围盒，并以模型对象的原点为中心，将顶点数据空间分成若干个立方体；
步骤103、当立方体内仅含一个顶点时，若该顶点至立方体中心的距离小于立方体边长的一半，则保留，否则丢弃；当立方体内含两个或以上顶点时，若该立方体法向变化率小于θT，则保留与指立方体中心最近的顶点，否则重复步骤102，直至每个立方体法向变化率小于θT；所有保留的顶点数据组成简化顶点数据；
步骤104、创建第一模型顶点索引内存副本、第二模型顶点索引内存副本，将模型对象的顶点数据写入第一模型顶点索引内存副本，将简化顶点数据对应的索引写入第二模型顶点索引内存副本中。
步骤2、将每类模型对象的模型位置信息和姿态信息进行合并，并创建对应状态内存；
姿态信息包括航向角、俯仰角、滚转角信息，创建三块模型状态内存，将每类模型对象的位置与航向角、俯仰角、滚转角信息转化为矩阵，并将矩阵中行向量数据分别写入对应状态内存中。
步骤3、获取视域内显示的模型，裁剪视域外的模型对象，并对状态内存中位置信息、姿态信息进行更新；
步骤301、获取每个模型对象的模型包围球，并与当前视点位置的视域椎体求交，获得视域内显示的模型对象，同时裁剪视域外的模型对象；
步骤302、根据视域内显示的模型对象，对状态内存中的位置信息和姿态信息进行修改，使修改后的位置信息和姿态信息指向状态内存中对应的位置；具体的，利用视域内显示的模型对象的位置信息和姿态信息对状态内存中位置信息和姿态信息进行覆盖更新；
步骤4、根据视域内每类模型对象与视点的距离选择待渲染的网格模型。
步骤401、计算视域内显示的模型对象与视点的距离，并选出每类模型对象与视点的最小距离；
步骤402、若每类模型对象与视点的最小距离小于距离阈值，则渲染第一模型顶点索引内存副本中的顶点数据，否则渲染第二模型顶点索引内存副本中的顶点数据。
通过以上方式，本发明的一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，合并相同模型顶点、纹理、法向量、索引数据，根据模型数据对模型网格进行简化，再将位置信息、姿态信息合并，并结合视域裁剪技术，能减少渲染批次；利用显卡在设计时减少渲染三角面，能一次渲染大量数据，渲染效率远高于相同数据的分开多次渲染、需渲染海量三角面的机制，能将渲染次数由千级骤降为个位数批次、渲染三角面由万级将至千级，从而在不影响显示效果的前提下，实现渲染效率提升。
实施例
本实施例中包括相同的5000个模型对象(顶点数为11664个、三角面为5696个)：
步骤S101、获取每个模型对象的顶点、纹理、法向量、索引数据，创建一个模型对象的数据内存；
步骤S102、根据顶点数据获取模型包围盒，[Xmin,Xmax]＝[-12.65,7.72]，[Ymin,Ymax]＝[-3.5,3.5]，[Zmin,Zmax]＝[0,4.5]，并以模型对象的原点为中心，将顶点数据空间分成若干个立方体；
步骤S103、设定法向量变化率阈值θT为45°，当立方体内仅含一个顶点时，若该顶点至立方体中心的距离小于立方体边长的一半，则保留，否则丢弃；当立方体内含两个或以上顶点时，若该立方体法向变化率小于θT，则保留与其最近的顶点，否则重复步骤S102，直至每个立方体法向变化率小于θT；所有保留的顶点数据组成简化顶点数据；
步骤S104、创建第一模型顶点索引内存副本M1、第二模型顶点索引内存副本M2，内存分别大小为17088*2个字节，将模型对象的顶点数据写入第一模型顶点索引内存副本，将简化顶点数据对应的索引写入第二模型顶点索引内存副本M1中。
步骤S105、姿态信息包括航向角、俯仰角、滚转角信息，由于GPU数据类型限制，创建三块模型状态内存M3、M4、M5，大小分别为5000*4字节，将每类模型对象的位置和航向角、俯仰角、滚转角信息转化4×4矩阵，并将矩阵第0～2行向量数据分别写入M3、M4、M5内存中；
步骤S106、获取每个模型对象的模型包围球，并与当前视点位置的视域椎体求交，获得视域内显示的模型对象，同时裁剪视域外的模型对象；
步骤S107、根据视域内显示的模型对象，对状态内存M3、M4、M5中的位置信息和姿态信息进行修改，使修改后的位置信息和姿态信息指向状态内存M3、M4、M5中对应的位置；
步骤S108、计算视域内显示的模型对象与视点的距离，并选出每类模型对象与视点的最小距离；
步骤S109、设定距离阈值DT＝5000米，若每类模型对象与视点的最小距离小于距离阈值，则渲染第一模型顶点索引内存副本中的顶点数据，否则渲染第二模型顶点索引内存副本中的顶点数据。
采用常规方式和本发明的渲染方法在Cesium平台分别对5000批模型进行渲染，其渲染效率对比如下：
| 渲染方案 | 渲染顶点数 | 渲染帧率(满帧60) |
| 常规 | 11664 | 14 |
| 优化后 | 5412 | 55 |
Cesium是基于WebGL的开源三维GIS引擎，本发明对Cesium的模型对象进行了优化改造，使得在大批量模型的应用场景中，显著提升了渲染效率。
Claims (5)
1.一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取每个模型对象的模型数据，将所述模型数据相同的模型对象归为一类，创建每类所述模型对象的数据内存；根据所述模型数据进行网格模型简化；
步骤2、将每类所述模型对象的模型位置信息和姿态信息进行合并，并创建对应状态内存；
步骤3、获取视域内显示的所述模型对象，裁剪视域外的模型对象，并对所述状态内存中位置信息、姿态信息进行更新；
步骤4、根据所述视域内每类模型对象与视点的距离选择待渲染的网格模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：
步骤101、获取每个所述模型对象的模型数据，所述模型数据包括顶点、纹理、法向量、索引数据，将所述模型数据相同的模型对象归为一类，创建每类模型对象的数据内存；
步骤102、根据所述顶点数据获取模型包围盒，并以模型对象的原点为中心，将顶点数据空间分成若干个立方体；
步骤103、当所述立方体内仅含一个顶点时，若该顶点至立方体中心的距离小于立方体边长的一半，则保留，否则丢弃；当所述立方体内含两个或以上顶点时，若该立方体法向变化率小于法向量变化率阈值，则保留与其最近的顶点，否则重复步骤102，直至每个立方体法向变化率小于法向量变化率阈值；得到简化顶点数据；
步骤104、创建第一模型顶点索引内存副本、第二模型顶点索引内存副本，将所述模型对象的顶点数据写入第一模型顶点索引内存副本，将所述简化顶点数据对应的索引写入第二模型顶点索引内存副本中。
3.根据权利要求2所述的一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，其特征在于，步骤2具体过程为：
根据每类所述模型对象的姿态信息创建对应数量的状态内存，将每类模型对象的模型位置和姿态信息转化为矩阵，并将矩阵中行向量数据分别写入对应状态内存中。
4.根据权利要求3所述的一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：
步骤301、获取每个所述模型对象的模型包围球，并与当前视点位置的视域椎体求交，获得视域内显示的模型对象，同时裁剪视域外的模型对象；
步骤302、根据视域内显示的所述模型对象，对状态内存中的位置信息和姿态信息进行修改，使修改后的位置信息和姿态信息指向状态内存中对应的位置。
5.根据权利要求4所述的一种基于WebGL批量三维模型数据的渲染方法，其特征在于，步骤4具体包括以下步骤：
步骤401、计算视域内显示的所述模型对象与视点的距离，并选出每类模型对象与视点的最小距离；
步骤402、若每类所述模型对象与视点的最小距离小于距离阈值，则渲染第一模型顶点索引内存副本中的顶点数据，否则渲染第二模型顶点索引内存副本中的顶点数据。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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