CN117372599A - 一种海量真三维模型加载优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于三维可视化技术领域，具体涉及一种海量真三维模型加载优化方法，步骤包括：构建真三维模型，并进行模型地理要素分类；设置屏幕空间误差SSE阈值和帧率FPS阈值；计算地图中心与相机位置的距离S；进行地理要素判断及节点遍历；进行可见性判断；进行FPS判断；进行多细节层次LOD的级别判断；渲染更新场景：在加载渲染真三维模型时，当相机视角发生变化时，根据地理要素、可见性、FPS和LOD实时动态渲染更新真三维模型瓦片数据以及虚拟三维地理场景。本发明能够基于屏幕空间误差SSE、帧率FPS和地理要素分类进行加载的优化，提高了海量真三维模型的加载效率，避免了由于计算机性能导致的浏览器崩溃。
Description
技术领域
本发明属于三维可视化技术领域，具体涉及一种海量真三维模型加载优化方法。
背景技术
随着智慧城市相关应用的普及，三维数据的爆发式增长已经远远超出了计算机内存的容量，大规模三维场景中数据的海量性和当前计算机内存的有限性给大规模三维数据集存储、渲染提出了重大的挑战。
目前，可视化技术采用的数据源大多是矢量数据、倾斜摄影模型数据、地形影像等数据，对于人工真三维模型和海量点云的可视化研究比较少，在海量三维空间数据调度方面采用的场景裁剪调度算法，渲染调度能力还有待提高，且对硬件的要求较高，需要使用较为先进的GPU和处理器才能实现流畅的渲染效果。
因此，对于用户而言，如果达不到很高的硬件配置，因渲染调度能力低、硬件条件差，经常会出现海量真三维模型加载缓慢以及浏览器崩溃的问题。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明提供了一种海量真三维模型加载优化方法，能够基于屏幕空间误差SSE、帧率FPS和地理要素分类进行加载的优化，提高了海量真三维模型的加载效率，避免了由于计算机性能导致的浏览器崩溃。
为达到以上目的，本发明提供了一种海量真三维模型加载优化方法，包括以下步骤：
S1、基于地理信息数据、建筑物信息和实物照片，构建真三维模型，并进行模型地理要素分类；
S2、对真三维模型进行优化处理，优化方式包括模型轻量化技术、纹理图像合并、纹理压缩和格式转换；
S3、设置屏幕空间误差SSE阈值和帧率FPS阈值；
S4、搭建3D WebGIS虚拟地理环境，加载卫星影像数据，使真三维模型与卫星影像中真实地理位置重合，计算地图中心与相机位置的距离S；
S5、进行地理要素判断及节点遍历；
S6、对真三维模型的三维地理场景中的物品进行可见性判断；
S7、进行FPS判断，实时监测FPS变化来调整SSE阈值；
S8、进行多细节层次LOD的级别判断；
S9、渲染更新场景：在加载渲染真三维模型时，当相机视角发生变化时，根据地理要素、可见性、FPS和LOD实时动态渲染更新真三维模型瓦片数据以及虚拟三维地理场景。
所述的S1中，构建真三维模型的步骤为：
S11、利用测量仪器，收集需要建模的地理位置的地理信息数据、建筑物信息和实物照片，建筑物信息包括建筑物名称、高度、材质、尺寸；
S12、使用三维建模软件，创建新场景，并导入一个建模区域的地理信息数据，使用三维建模软件中的基本建模工具（如长方体、圆柱体、球体、平面、管状体等），根据建筑物信息逐一建立建模区域的建筑物，进行初始化建模，得到初始模型；
S13、在初始化建模完成后，添加细节和纹理：利用图像处理软件对实物照片进行优化以获取纹理图像，利用三维建模软件中的绘制工具和材质编辑器，将从图像处理软件中获取的纹理图像渲染至初始模型，得到与实物照片中纹理相同的三维模型；
S14、导出该建模区域的三维模型，随后对其余建模区域重复S11-S13步骤进行建模，得到所有建模区域的三维模型；
S15、参考需要建模的地理位置分布，将各个建模区域的三维模型组合，得到最终的真三维模型，并导出为OBJ格式模型文件。
所述的建模过程中，根据距离远近和要素大小将地理要素（地理要素为地理空间中的各种地物，也可以用空间物体指代）划分为不同的类型和数据级，其中地理要素大小用面积或体积来表示，同时结合地理要素的功能将其划分为大型建筑物、树木、地形、小型元素的不同的类型和数据级。
所述的S2中，真三维模型优化处理的步骤为：
S21、利用模型轻量化技术自动减少模型面数，检测真三维模型重复面和顶点并对其进行删除处理，在不影响模型整体效果的前提下，减少各个建筑物面元素之间的交叉重叠面积，同时通过手动的方式对细节进行优化删除、减少不必要的面数；
S22、使用图像处理软件将多个纹理图像合并为一个纹理图像，并进行纹理压缩；
S23、进行格式转换，利用格式转换工具将模型文件由OBJ格式转换成为3DTiles格式。
所述的S3中，阈值设定的方法为：对屏幕空间误差SSE阈值、帧数FPS阈值进行设定，同时根据类型分类（即为大型建筑物、树木、地形、小型元素）设定不同等级的距离阈值范围[D1,D2]，其中屏幕空间误差SSE的计算公式为：
；
式中，表示屏幕空间误差，Ps表示模型在屏幕上的像素大小，dt表示相机和模型之间的距离，f表示相机的视野角度，Sh表示屏幕的高度。
所述的S4中，计算地图中心与相机位置的距离S的步骤为：
S41、搭建3D WebGIS虚拟地理环境，加载卫星影像数据（可以使用天地图、谷歌等）作为虚拟环境底图，加载S23中获得的3DTiles格式模型文件形成虚拟三维地理场景，调整虚拟环境中的三维模型空间位置，使真三维模型与卫星影像中真实地理位置重合；
S42、根据当前用户所在的位置和视角，计算地图中心与相机位置的距离S，其计算公式为：
；
；
；
其中，a为中间变量，代表两个球面上点之间的一部分（a的计算涉及到两个球面上两点之间的角距离，这个中间变量在计算最终的球面距离时是必需的），c表示两个球面上点之间的角距离，S是地球上两点之间的距离，即地图中心与相机位置的距离；R是地球的半径；lat1和lon1是地图中心的纬度和经度；lat2和lon2是相机位置的纬度和经度；，atan2是反正切函数。
反正切函数可以返回给定两个参数的反正切值。
所述的S5中，进行地理要素判断及节点遍历的步骤为，在三维地理场景加载时，通过比较S与[D1,D2]的大小关系，动态调整每个区域内不同数据级和不同类型地理要素的加载，并且：
当D1＜S＜D2时，进行节点遍历；
当S＜D1或S＞D2时，进行地理要素瓦片剔除，不进行渲染。
所述的S6中，可见性判断的步骤为：
S61、计算物体的包围盒：遍历顶点集合，计算出最小和最大的顶点坐标，根据最小和最大顶点坐标计算出物体的中心点，计算出顶点到中心点的距离，找到最大距离，作为其半径；
S62、将包围盒转换到相机坐标系，变换公式如下：
；
式中，是包围盒在相机坐标系中的顶点坐标，/>是视图变换矩阵，/>是模型变换矩阵，/>是包围盒在世界坐标系中的顶点坐标；
S63、计算包围盒与视锥体的交点，判断包围盒是否在视锥体内部；
确定计算距离的视锥体面，包括近裁剪面、远裁剪面或四个侧面的距离，对于选定的视锥体面，获取其平面方程：
；
计算点到平面的距离：
；
其中，L是点到平面的距离，A、B、C和D是平面系数，x、y和z是点坐标（x0、y0、z0即为某个具体点的点坐标），L＞0，则点在平面的法线方向上，远离平面；L＜0，则点在平面的法线方向上，靠近平面；L=0，则点在平面上，点到视锥体的所有面的距离都为正数，点在视锥体内部；点到任何一个面的距离为负数，点在视锥体外部；点到一些面的距离为正，一些面的距离为负，点与视锥体相交；
S64、更新三维地理场景中可见物体列表。
所述的S7中，FPS判断的方法为，实时监测FPS变化来调整SSE阈值，根据当前设备的性能自适应调整最大SSE阈值：
当FPS＜30时，降低SSE阈值加载低精度真三维模型；
当FPS＞30时，提高SSE阈值加载更高质量的细节真三维模型。
所述的S8中，LOD级别判断的方法为，对于三维地理场景中的每个物体，计算其当前相对于相机的屏幕空间误差SSE，与预设的SSE阈值进行比较：
当SSE大于SSE阈值时，加载更粗糙的LOD来减少细节渲染，以提高渲染效率；
当SSE小于SSE阈值时，加载更细致的LOD来增加细节渲染，以保证渲染效果。
本发明涉及的算法和软件等可以通过电子设备执行，电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，通过处理器执行软件实现上述的加载和优化等。
本发明所具有的有益效果是：
本发明为解决海量真三维模型加载效率问题，在场景裁剪、LOD、屏幕空间误差基础上引入了帧率FPS和地理元素分类等，提供了一种基于FPS和地理要素分类加载的优化方法，提高了海量真三维模型的加载效率，解决了由于计算机性能导致浏览器崩溃的问题，同时本发明具有较高实用性、适用性和自适应性。
附图说明
图1是本发明的流程原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
如图1所示，一种海量真三维模型加载优化方法包括以下步骤：
S1、基于地理信息数据、建筑物信息和实物照片，构建真三维模型，并进行模型地理要素分类；
S2、对真三维模型进行优化处理，优化方式包括模型轻量化技术、纹理图像合并、纹理压缩和格式转换；
S3、设置屏幕空间误差SSE阈值和帧率FPS阈值；
S4、搭建3D WebGIS虚拟地理环境，加载卫星影像数据，使真三维模型与卫星影像中真实地理位置重合，计算地图中心与相机位置的距离S；
S5、进行地理要素判断及节点遍历；
S6、对真三维模型的三维地理场景中的物品进行可见性判断；
S7、进行FPS判断，实时监测FPS变化来调整SSE阈值；
S8、进行多细节层次LOD的级别判断；
S9、渲染更新场景：在加载渲染真三维模型时，当相机视角发生变化时，根据地理要素、可见性、FPS和LOD实时动态渲染更新真三维模型瓦片数据以及虚拟三维地理场景。
S1中，构建真三维模型的步骤为：
S11、利用水准仪、经纬仪、全站仪、RTK、GPS、大疆Air2无人机等测量仪器，收集需要建模的地理位置的地理信息数据、建筑物信息和实物照片，建筑物信息包括建筑物名称、高度、材质、尺寸，也可以收集其他需要的建筑物信息；同时，可以根据具体需求确定建模范围、细节和精度等。
S12、使用三维建模软件3Ds Max 2018，创建新场景，并导入一个建模区域的地理信息数据，使用三维建模软件中的基本建模工具，根据建筑物信息逐一建立建模区域的建筑物，进行初始化建模，得到初始模型；
S13、在初始化建模完成后，添加细节和纹理：利用图像处理软件Photoshop 2020对实物照片进行优化以获取纹理图像，利用3Ds Max 2018中的绘制工具和材质编辑器，将从PS中获取的纹理图像渲染至初始模型，得到与实物照片中纹理相同的三维模型；
S14、导出该建模区域的三维模型，随后对其余建模区域重复S11-S13步骤进行建模，得到所有建模区域的三维模型；
S15、参考需要建模的地理位置分布，将各个建模区域的三维模型组合，得到最终的真三维模型，并导出为OBJ格式模型文件。
建模过程中，根据距离远近和要素大小将地理要素划分为不同的类型和数据级，其中地理要素大小用面积或体积来表示，同时结合地理要素的功能将其划分为大型建筑物、树木、地形、小型元素（如树木、路灯等）的不同的类型和数据级。
S2中，真三维模型优化处理的步骤为：
S21、利用模型轻量化技术自动减少模型面数，检测真三维模型重复面和顶点并对其进行删除处理，在不影响模型整体效果的前提下，减少各个建筑物面元素之间的交叉重叠面积，同时通过手动的方式对细节进行优化删除、减少不必要的面数；
S22、使用图像处理软件将多个纹理图像合并为一个纹理图像，并进行纹理压缩；
S23、进行格式转换，利用格式转换工具Cesiumlab V3.03将模型文件由OBJ格式转换成为3DTiles格式，具体为，模型文件读取、空间参考添加、零点坐标、和属性文件添加，将b3dm与tileset.json合并转换为3DTiles数据。
S3中，阈值设定的方法为：对屏幕空间误差SSE阈值、帧数FPS阈值进行设定，具体为设定SSE阈值为16、FPS阈值为30，同时根据类型分类设定不同等级的距离阈值范围[D1,D2]，其中屏幕空间误差SSE的计算公式为：
；
式中，表示屏幕空间误差，Ps表示模型在屏幕上的像素大小，dt表示相机和模型之间的距离，f表示相机的视野角度，Sh表示屏幕的高度。
S4中，计算地图中心与相机位置的距离S的步骤为：
S41、利用Cesium搭建3D WebGIS虚拟地理环境，加载卫星影像数据（天地图、谷歌等）作为虚拟环境底图，加载S23中获得的3DTiles格式模型文件形成虚拟三维地理场景，调整虚拟环境中的三维模型空间位置，使真三维模型与卫星影像中真实地理位置重合；
S42、根据当前用户所在的位置和视角，计算地图中心与相机位置的距离S，其计算公式为：
；
；
；
其中，a为中间变量，代表两个球面上点之间的一部分，c表示两个球面上点之间的角距离，S是地球上两点之间的距离，即地图中心与相机位置的距离；R是地球的半径（通常为6,371千米）；lat1和lon1是地图中心的纬度和经度；lat2和lon2是相机位置的纬度和经度；，atan2是反正切函数。
S5中，进行地理要素判断及节点遍历的步骤为，在三维地理场景加载时，通过比较S与[D1,D2]的大小关系，动态调整每个区域内不同数据级和不同类型地理要素的加载，并且：
当D1＜S＜D2时，进行节点遍历；
当S＜D1或S＞D2时，进行地理要素瓦片剔除，不进行渲染。
S6中，可见性判断的步骤为：
S61、计算物体的包围盒：遍历顶点集合，计算出最小和最大的顶点坐标，根据最小和最大顶点坐标计算出物体的中心点，计算出顶点到中心点的距离，找到最大距离，作为其半径；
S62、将包围盒转换到相机坐标系，变换公式如下：
；
式中，是包围盒在相机坐标系中的顶点坐标，/>是视图变换矩阵，/>是模型变换矩阵，/>是包围盒在世界坐标系中的顶点坐标；
S63、计算包围盒与视锥体的交点，判断包围盒是否在视锥体内部；
确定计算距离的视锥体面，包括近裁剪面、远裁剪面或四个侧面的距离，对于选定的视锥体面，获取其平面方程：
；
具体的，如远、近裁剪面：；其中N是法线向量，P是平面上一点，P0是相机位置；
计算点到平面的距离：
；
其中，L是点到平面的距离，A、B、C和D是平面系数，x、y和z是点坐标，L＞0，则点在平面的法线方向上，远离平面；L＜0，则点在平面的法线方向上，靠近平面；L=0，则点在平面上，点到视锥体的所有面的距离都为正数，点在视锥体内部；点到任何一个面的距离为负数，点在视锥体外部；点到一些面的距离为正，一些面的距离为负，点与视锥体相交；
S64、更新三维地理场景中可见物体列表。在完成可见性判断后，更新场景中可见物体的列表，即为场景图中在视锥体内部的物体。
S7中，FPS判断的方法为，实时监测FPS变化来调整SSE阈值，根据当前设备的性能自适应调整最大SSE阈值：
当FPS＜30时，降低SSE阈值加载低精度真三维模型；
当FPS＞30时，提高SSE阈值加载更高质量的细节真三维模型。
S8中，LOD级别判断的方法为，对于三维地理场景中的每个物体，计算其当前相对于相机的屏幕空间误差SSE，与预设的SSE阈值（16）进行比较：
当SSE＞16时，加载更粗糙的LOD来减少细节渲染，以提高渲染效率；
当SSE＜16阈值时，加载更细致的LOD来增加细节渲染，以保证渲染效果。
Claims (10)
1.一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、基于地理信息数据、建筑物信息和实物照片，构建真三维模型，并进行模型地理要素分类；
S2、对真三维模型进行优化处理，优化方式包括模型轻量化技术、纹理图像合并、纹理压缩和格式转换；
S3、设置屏幕空间误差SSE阈值和帧率FPS阈值；
S4、搭建3D WebGIS虚拟地理环境，加载卫星影像数据，使真三维模型与卫星影像中真实地理位置重合，计算地图中心与相机位置的距离S；
S5、进行地理要素判断及节点遍历；
S6、对真三维模型的三维地理场景中的物品进行可见性判断；
S7、进行FPS判断，实时监测FPS变化来调整SSE阈值；
S8、进行多细节层次LOD的级别判断；
S9、渲染更新场景：在加载渲染真三维模型时，当相机视角发生变化时，根据地理要素、可见性、FPS和LOD实时动态渲染更新真三维模型瓦片数据以及虚拟三维地理场景。
2.根据权利要求1所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S1中，构建真三维模型的步骤为：
S11、利用测量仪器，收集需要建模的地理位置的地理信息数据、建筑物信息和实物照片，建筑物信息包括建筑物名称、高度、材质、尺寸；
S12、使用三维建模软件，创建新场景，并导入一个建模区域的地理信息数据，使用三维建模软件中的基本建模工具，根据建筑物信息逐一建立建模区域的建筑物，进行初始化建模，得到初始模型；
S13、在初始化建模完成后，添加细节和纹理：利用图像处理软件对实物照片进行优化以获取纹理图像，利用三维建模软件中的绘制工具和材质编辑器，将从图像处理软件中获取的纹理图像渲染至初始模型，得到与实物照片中纹理相同的三维模型；
S14、导出该建模区域的三维模型，随后对其余建模区域重复S11-S13步骤进行建模，得到所有建模区域的三维模型；
S15、参考需要建模的地理位置分布，将各个建模区域的三维模型组合，得到最终的真三维模型，并导出为OBJ格式模型文件。
3.根据权利要求2所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的建模过程中，根据距离远近和要素大小将地理要素划分为不同的类型和数据级，其中地理要素大小用面积或体积来表示，同时结合地理要素的功能将其划分为大型建筑物、树木、地形、小型元素的不同的类型和数据级。
4.根据权利要求3所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S2中，真三维模型优化处理的步骤为：
S21、利用模型轻量化技术自动减少模型面数，检测真三维模型重复面和顶点并对其进行删除处理，在不影响模型整体效果的前提下，减少各个建筑物面元素之间的交叉重叠面积，同时通过手动的方式对细节进行优化删除、减少不必要的面数；
S22、使用图像处理软件将多个纹理图像合并为一个纹理图像，并进行纹理压缩；
S23、进行格式转换，利用格式转换工具将模型文件由OBJ格式转换成为3DTiles格式。
5.根据权利要求4所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S3中，阈值设定的方法为：对屏幕空间误差SSE阈值、帧数FPS阈值进行设定，同时根据类型分类设定不同等级的距离阈值范围[D1,D2]，其中屏幕空间误差SSE的计算公式为：
；
式中，表示屏幕空间误差，Ps表示模型在屏幕上的像素大小，dt表示相机和模型之间的距离，f表示相机的视野角度，Sh表示屏幕的高度。
6.根据权利要求5所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S4中，计算地图中心与相机位置的距离S的步骤为：
S41、搭建3D WebGIS虚拟地理环境，加载卫星影像数据作为虚拟环境底图，加载S23中获得的3DTiles格式模型文件形成虚拟三维地理场景，调整虚拟环境中的三维模型空间位置，使真三维模型与卫星影像中真实地理位置重合；
S42、根据当前用户所在的位置和视角，计算地图中心与相机位置的距离S，其计算公式为：
；
；
；
其中，a为中间变量，代表两个球面上点之间的一部分，c表示两个球面上点之间的角距离，S是地球上两点之间的距离，即地图中心与相机位置的距离；R是地球的半径；lat1和lon1是地图中心的纬度和经度；lat2和lon2是相机位置的纬度和经度；，atan2是反正切函数。
7.根据权利要求6所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S5中，进行地理要素判断及节点遍历的步骤为，在三维地理场景加载时，通过比较S与[D1,D2]的大小关系，动态调整每个区域内不同数据级和不同类型地理要素的加载，并且：
当D1＜S＜D2时，进行节点遍历；
当S＜D1或S＞D2时，进行地理要素瓦片剔除，不进行渲染。
8.根据权利要求7所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S6中，可见性判断的步骤为：
S61、计算物体的包围盒：遍历顶点集合，计算出最小和最大的顶点坐标，根据最小和最大顶点坐标计算出物体的中心点，计算出顶点到中心点的距离，找到最大距离，作为其半径；
S62、将包围盒转换到相机坐标系，变换公式如下：
；
式中，是包围盒在相机坐标系中的顶点坐标，/>是视图变换矩阵，/>是模型变换矩阵，/>是包围盒在世界坐标系中的顶点坐标；
S63、计算包围盒与视锥体的交点，判断包围盒是否在视锥体内部；
确定计算距离的视锥体面，包括近裁剪面、远裁剪面或四个侧面的距离，对于选定的视锥体面，获取其平面方程：
；
计算点到平面的距离：
；
其中，L是点到平面的距离，A、B、C和D是平面系数，x、y和z是点坐标，L＞0，则点在平面的法线方向上，远离平面；L＜0，则点在平面的法线方向上，靠近平面；L=0，则点在平面上，点到视锥体的所有面的距离都为正数，点在视锥体内部；点到任何一个面的距离为负数，点在视锥体外部；点到一些面的距离为正，一些面的距离为负，点与视锥体相交；
S64、更新三维地理场景中可见物体列表。
9.根据权利要求8所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S7中，FPS判断的方法为，实时监测FPS变化来调整SSE阈值，根据当前设备的性能自适应调整最大SSE阈值：
当FPS＜30时，降低SSE阈值加载低精度真三维模型；
当FPS＞30时，提高SSE阈值加载更高质量的细节真三维模型。
10.根据权利要求9所述的一种海量真三维模型加载优化方法，其特征在于：所述的S8中，LOD级别判断的方法为，对于三维地理场景中的每个物体，计算其当前相对于相机的屏幕空间误差SSE，与预设的SSE阈值进行比较：
当SSE大于SSE阈值时，加载更粗糙的LOD来减少细节渲染，以提高渲染效率；
当SSE小于SSE阈值时，加载更细致的LOD来增加细节渲染，以保证渲染效果。
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