CN117372662A - 一种基于复杂装备的三维模型轻量化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明面向工业制造过程，提出一种基于复杂装备的三维模型轻量化方法，支持复杂产品模型基于层次包围盒算法的无损信息数据传递，解决了三维模型数据量增大时在加载速度降低且浏览不流畅的问题，在满足误差要求的同时降低了模型的顶点和三角面数量，提高了三维模型的渲染显示速率，达到了三维模型高效加载且浏览流畅的目的，满足了复杂产品模型协同实时展示的需求。
Description
技术领域
本发明属于智能制造领域，具体为一种适用于复杂装备的三维模型轻量化方法。
背景技术
随着计算机辅助设计技术的快速发展与深入应用，制造企业信息化已经由二维时代发展到三维时代。航天企业正逐步推进数字化设计制造模式，带有产品制造信息(PMI)的模型已成为设计、工艺及生产阶段的标准，工艺及生产阶段对基于模型的定义(MBD)浏览需求非常迫切。数字化制造过程中使用Pro/E浏览带有产品制造信息的原始模型，浏览时原始模型仍处于编辑状态，容易因误操作而更改设计原模型，现场终端安装的三维造型软件又对电脑硬件要求较高。同时，卫星产品的结构越来越复杂、三维模型越来越大，普通计算机根本无法打开大模型。大模型及MBD模型的显示、浏览和使用越来越困难。因此，需要对大模型进行轻量化处理，实现大模型的快速显示、浏览和便捷使用。
在产品设计阶段复杂装配模型将被拆分成多个子装配模型，交由不同部门的工程设计人员设计完成，最后将各个零件模型、部件模型组装成完整的总装配模型。但不同的设计人员或工程部门可能采用不同的三维设计软件，因此出现了模型异构问题。随着轻量化技术的深入应用，轻量化文件格式将会成为三维产品模型的一种标准数据格式。轻量化文件能够实现不同企业、不同部门间CAD数据传递与互换，在没有零件丢失的情况下将产品模型简化显示、近似表达，大大提高了企业之间的交互沟通。同时三维轻量化模型数据小和操作方便,便于企业工程设计人员、工艺设计人员同企业领导、市场销售人员、客户等非技术部门人员进行沟通协调、浏览查看。因此，轻量化技术在零件模型、复杂装配模型快速浏览与发布等方面有着很广泛的应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明面向工业制造过程，提出一种复杂装备的模型三层次轻量化方法，支持复杂产品模型装配树算法信息在处理过程中的无损传递，解决了三维模型数据量增大时存在加载速度降低且浏览不流畅的问题，在满足误差要求的同时降低了模型的顶点和三角面数量，提高了三维模型的渲染显示速率，达到了三维模型高效加载且浏览流畅的目的，满足了复杂产品模型协同实时展示的需求。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种基于复杂装备的三维模型轻量化方法，将复杂装备细化为结构零件，并对各个零件模型执行轻量化步骤，实现复杂装备的模型轻量化；步骤包括：
步骤1、对零件模型纹理图片数据进行分层合并，重新计算并记录纹理坐标；对相同纹理图片使用同种材质进行纹理贴图；
步骤2、对纹理贴图进行轻量化处理，过滤掉造型历史和特征定义参数；
步骤3、通过三角化处理使纹理贴图的三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型；
步骤4、压缩三角形网格模型、重构模型拓扑数据；
步骤5、压缩三角形网格模型的顶点数量；
步骤6、采用批渲染方法在一次渲染任务中进行多个纹理面片的同时绘制，实现复杂装备的模型轻量化。
所述分层合并为：对同层中的纹理图片，采取边折叠算法将多张小纹理图片合并生成1张大的连续细节层次纹理图片，避免边界平滑和纹理分离。
所述造型历史和特征定义参数包括：草图、建模历史、以及公差、粗糙度、注释文本、标注信息。
所述过滤是采用“step”格式作为中间数据格式转存，优化删除造型历史和特征定义参数。
所述通过三角化使三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型过程中，同时记录三角化的边、面与原始精确几何模型参数化边、面的匹配关联关系。
所述压缩三角形网格模型是采用通用无损压缩编码算法实现的，得到文件更小的轻量化模型。
所述无损压缩编码算法的处理步骤包括：
通过对三角面参数的编码宽度进行压缩，重构模型拓扑数据；所述三角面片参数包括：顶点坐标、法线、面片索引、材质；
将压缩后的三角面纹理贴图通过二进制方式写入Tile的glb。
所述压缩三角形网格模型的顶点数量是采用LOD方法逐级减少模型的顶点数量实现的，用于减少GPU的渲染数据量，提高三维场景流畅性。
所述批渲染方法为：将渲染状态一致的纹理面片合成为1个大面片；放在1个DrawCall中，在1次渲染任务中进行绘制，使得GPU不用多次切换渲染状态，提高渲染效率；所述渲染状态包括：材质、贴图、可编程管线、几何信息。
本发明具有以下有益效果及优点：
1、本发明提出了基于复杂模型的多层次轻量化表示方法。
2、本发明提出了采用通用无损压缩编码算法压缩三角形网格模型、重构模型拓扑数据得到文件更小的轻量化模型，以此来实现更大的压缩比。
3、本发明和传统的三维模型轻量化相比，通过三角化使三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型，用三角形网格模型近似的表达精确三维模型。模型参数化边、面数据三角化是为了加快模型显示速度、降低计算机使用内存。同时记录三角化的边、面与原始精确几何模型参数化边、面的匹配关联关系，实现模型快速显示时精确测量、批注圈阅。
4、本发明设计了三层轻量表示模型的加载、显示机制。提高了大装配模型的加载速度和显示流畅性。
附图说明
图1轻量化方法流程图；
图2顶点量化处理流程图；
图3复杂装备零件数据结构图；
图4复杂装备轻量化模型结构图；
图5渲染显示机制图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，为本发明方法流程图。一种基于复杂装备的三维模型轻量化方法，将复杂装备细化为结构零件，并对各个零件模型执行轻量化步骤，实现复杂装备的模型轻量化；步骤包括：
步骤1、对零件模型纹理图片数据进行分层合并，重新计算并记录纹理坐标；对相同纹理图片使用同种材质进行纹理贴图；
步骤2、对纹理贴图进行轻量化处理，过滤掉造型历史和特征定义参数；
步骤3、通过三角化处理使纹理贴图的三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型；
步骤4、压缩三角形网格模型、重构模型拓扑数据；
步骤5、压缩三角形网格模型的顶点数量；
步骤6、采用批渲染方法在一次渲染任务中进行多个纹理面片的同时绘制，实现复杂装备的模型轻量化。
具体如下：
影响三维场景渲染性能的因素有CPU、GPU和带宽。CPU性能降低的原因包括使用过多的DrawCall、复杂的脚本或物理模拟。如果GPU中使用了过多的顶点及逐顶点计算，会造成GPU资源浪费。三维模型是由几何信息、材质、贴图组成，为了减小模型文件大小，要求模型中使用的贴图尺寸不能过大，将纹理图片和几何信息进行压缩，从而可降低三维模型的文件大小，利于网络传输。
将模型中使用的纹理图片通过算法进行合并，重新计算并记录纹理坐标，将多张小纹理图片合并成1张大纹理图片。使用了同一张纹理图片，就可以使用同一种材质，然后使用不同的采样坐标对纹理图片采样，就能实现正确的纹理贴图。CPU无需多次调用图形API，在1个DrawCall中就可以加载合并后的大纹理图片。
对于使用了同一种材质的纹理，它们之间仅模型的几何信息不同，如顶点、索引、法线、纹理坐标等。如果将这些数据在允许的数量范围内进行合并，合并后的顶点缓存对象提交给GPU，就可以在1个渲染批次完成三维模型渲染。
传统三维模型展示中影响浏览器加载三维模型速度的重要因素是带宽。对网络传输数据进行压缩，最大限度地节省带宽，提高三维视觉体验。Crunch是一个开源的压缩算法，其解压速度很快。该算法可大幅降低纹理的存储大小，降低显存及数据请求时间，压缩经过合并的纹理，将压缩后的纹理通过二进制方式写入Tile的glb中，在使用的时候进行解压，提升数据解析及加载渲染的效率。
面片数据中每一个顶点其坐标分量的原始数据类型为32位float类型，利用本文压缩算法，通过量化压缩将存储位宽减少为8位或16位(由误差要求来确定)。如图2所示，首先获取模型的顶点列表，得到该模型的极小点与极大点(即模型包围盒的2个角点)；然后，每一个顶点在原始世界坐标系中的绝对坐标值被映射成相对于极小、极大点的相对坐标。
模型数据要生成多级LOD模型，如果每一级都使用同一高精度纹理，会产生纹理浪费。对合并后的大纹理图片进行重采样，逐级生成低精度的Mipmap层级，保证在每一级使用不同精度的纹理图片，最大限度降低显卡显存占用率。在三维场景中，如果相机位置较远，肉眼难以区分模型的细节部分，采用LOD技术(多细节层次算法)逐级减少模型的顶点数量，从而减少GPU的渲染数据量，提高三维场景流畅性。为同一个对象准备多个包含不同细节程度的模型，并将模型赋值给LOD的不同等级，将不同细节程度的模型组织好父子关系，并设置相机参考值，Cesium在加载模型时，会自动根据相机位置来判断加载哪个等级的模型。
通过三角化使三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型，用三角形网格模型近似的表达精确三维模型。模型参数化边、面数据三角化能加快模型显示速度、降低计算机使用内存。采取边折叠算法生成连续的细节层次，该算法的优势在于移除不必要的硬边及纹理衔接，避免边界平滑和纹理分离。通过对边折叠算法进行改进，可设置三角面简化的比例，在允许范围内尽量保持简化模型一致。其中第一层简化表示模型精度最高，第n层简化表示模型精度最低。第一层轻量化模型是通过参数化曲线、曲面三角化获得，三角面片数量最多。第二层轻量化模型到第n层轻量化模型是通过对前一层网格模型边折叠简化获得，三角网格面片数量逐渐减少，第n层轻量化模型三角面片量最少。模型轻量化表示时，每个零件由n个三角网格面片组构成，三角网格面片组由多个三角形面片组成，三角形面片包含三角化边和三角化顶点，且每个三角化面片组都有自己的属性。即面积、面片数量、总边数、颜色、图层、包围盒等。零件数据结构图如图3所示。
为满足大型复杂装配模型快速浏览、显示需要，理论上可以设计n层精度轻量化表示模型，但层数越多模型也将增大且模型转换效率也将降低，模型加载时占用较大内存。因此本发明设计了3层不同精度的轻量化表达模型。零件模型的第一层轻量化表示通过将原始参数化曲面、曲线三角化分元获得三角形面片。第二、三层轻量化模型采用边折叠网格简化算法获得，在每次完成边折叠操作时，总是跟踪记录边折叠后的三角形面片数。三角化误差(曲面上点到替代三角形面片间的最大距离)，对小模型采用较小的三角化误差，对大模型采用较大的三角化误差。第一、二层轻量化模型用于表达装配模型中可见零件，为了模型不产生严重变形且又能达到面片数量相对较少的目的，设计第二层面片数量是第一层面片数量的55％，第三层轻量化表达模型仅仅应用于表达装配模型中不可见的模型，即使模型发生较大变形也不影响其浏览查看。设计第三层面片数量是第二层面片数量的35％。
三维零件模型包含基准、坐标系、特征定义/参数、建模历史、PMI信息等大量工程语义信息。装配模型由零件模型组成，装配模型多次装配某个相同零部件时，装配文件内部重复记录相同零件几何信息。使得装配模型包含的数据量越来越大、结构越来越复杂。在普通计算机上浏览这些复杂装配模型非常缓慢或者根本无法打开模型。为改善复杂装配模型数据量大、结构复杂的问题，本发明将装配数据信息与零件数据信息分开描述，装配数据信息记录各零组件树状层次结构信息和装配位置关系信息、零组件相对引用关系。模型显示时，装配体直接调用零组件相对引用路径进行模型表达，并不重复记录零件边、面等几何信息。零件列表包括组成整个装配体模型的所有零件名称，并且装配模型中重复零件名称只描述一次，零件列表中的零件不在装配模型中显示，只有零件被引用时，根据装配模型中引用零件的相对路径和名称、变换矩阵正确显示零件。零件数据信息记录边和面的属性链表、三角化边、三角化面、点等数据。轻量化装配模型结构图如图4所示。
浏览查看大型复杂装配体模型时，系统首先默认加载所有零组件模型的第一种精度轻量化表示模型，由于第一层轻量化表示模型通过三角化直接获得，不必网格模型简化。因此模型加载显示速度快、计算机占用内存低。随着加载零件模型数量的增大，装配模型中三角面片数量也逐渐增多，模型显示将越来越困难，最终将超过计算机面片渲染能力，装配模型无法显示浏览。此时，用下层低精度的轻量化表示模型(第二层轻量化表示模型)替换已经加载的第一层轻量化表示模型，以后加载的零组件模型也都用第二层轻量化模表示。当模型显示困难时，用第三层轻量化表示替换装配模型中不可见零件模型，即装配模型中可见零件用第二层轻量化表示模型显示，内部不可见零组件用第三层轻量化表示模型显示。当再次无法满足显示要求时，将第三层轻量化表示模型隐藏，即将装配模型中不可见零件隐藏，最终实现大型复杂装配体模型的快速显示与浏览查看。加载显示机制图如图5所示。
本文中所述三维模型轻量化事件举例如下：
本发明采用某燃气轮机(包含约450万三角面片)、某型支线客机主要结构件模型(包含约1400万三角面片)以及波音777客机的机身舱段模型(包含约2400万三角面片)为验证对象，对层次包围盒树的生成算法、模型分割算法以及模型压缩算法进行了验证，层次包围盒树算法生成实验分别测试了3个模型完成层次包围盒树算法生成所需的时间和燃气轮机模型和支线客机模型的生成结果，可以看出大规模复杂三维模型的层次包围盒树生成算法的运行时间与面片数量大致成正比。由于层次包围盒树生成算法在实时绘制前只需执行一次，系统对其生成效率的要求不高。实验结果表明，应用层次包围盒树生成算法，被测试的3个模型均能在100ms内完成，因此从生成效率上能够满足需求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易变化或替换，都属于本发明保护范围之内。因此本发明的保护范围内所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于复杂装备的三维模型轻量化方法，将复杂装备细化为结构零件，并对各个零件模型执行轻量化步骤，实现复杂装备的模型轻量化；其特征在于，步骤包括：
步骤1、对零件模型纹理图片数据进行分层合并，重新计算并记录纹理坐标；对相同纹理图片使用同种材质进行纹理贴图；
步骤2、对纹理贴图进行轻量化处理，过滤掉造型历史和特征定义参数；
步骤3、通过三角化处理使纹理贴图的三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型；
步骤4、压缩三角形网格模型、重构模型拓扑数据；
步骤5、压缩三角形网格模型的顶点数量；
步骤6、采用批渲染方法在一次渲染任务中进行多个纹理面片的同时绘制，实现复杂装备的模型轻量化。
2.根据权利要求1所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述分层合并为：对同层中的纹理图片，采取边折叠算法将多张小纹理图片合并生成1张大的连续细节层次纹理图片，避免边界平滑和纹理分离。
3.根据权利要求2所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述造型历史和特征定义参数包括：草图、建模历史、以及公差、粗糙度、注释文本、标注信息。
4.根据权利要求1所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述过滤是采用“step”格式作为中间数据格式转存，优化删除造型历史和特征定义参数。
5.根据权利要求1所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述通过三角化使三维参数化模型转化为离散化的三角形网格模型过程中，同时记录三角化的边、面与原始精确几何模型参数化边、面的匹配关联关系。
6.根据权利要求1所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述压缩三角形网格模型是采用通用无损压缩编码算法实现的，得到文件更小的轻量化模型。
7.根据权利要求6所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述无损压缩编码算法的处理步骤包括：
通过对三角面参数的编码宽度进行压缩，重构模型拓扑数据；所述三角面片参数包括：顶点坐标、法线、面片索引、材质；
将压缩后的三角面纹理贴图通过二进制方式写入Tile的glb。
8.根据权利要求1所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述压缩三角形网格模型的顶点数量是采用LOD方法逐级减少模型的顶点数量实现的，用于减少GPU的渲染数据量，提高三维场景流畅性。
9.根据权利要求8所述的复杂装备模型轻量化方法，其特征在于，所述批渲染方法为：将渲染状态一致的纹理面片合成为1个大面片；放在1个DrawCall中，在1次渲染任务中进行绘制，使得GPU不用多次切换渲染状态，提高渲染效率；所述渲染状态包括：材质、贴图、可编程管线、几何信息。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117932764A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-26 | 中南建筑设计院股份有限公司 | 一种基于mbd的构件三维文本标注创建方法和系统 |
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- 2022-07-01 CN CN202210774301.4A patent/CN117372662A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117932764A (zh) * | 2024-03-15 | 2024-04-26 | 中南建筑设计院股份有限公司 | 一种基于mbd的构件三维文本标注创建方法和系统 |
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