BIM模型輕量化及三維顯示關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 前，王 瑋

（1、中鐵建華南建設(shè)有限公司 廣州 511458；2、廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州 510220）

三維模型作為BIM技術(shù)領(lǐng)域中產(chǎn)品信息表達(dá)的主要方式之一，承載了一個完整的工程項目中體量龐大的數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互主要采用三維模型數(shù)據(jù)交換、中性幾何文件格式交換和中性顯示模型數(shù)據(jù)交換3 種方式，但這幾種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式都存在著平臺局限、數(shù)據(jù)局限、傳輸局限的問題。因此，如何在保留完整三維模型信息、保證模型精確度的基礎(chǔ)上，將模型文件進(jìn)行高效輕量化處理，實(shí)現(xiàn)百兆級以上的模型瀏覽與操作，是當(dāng)前亟待解決的重要難點(diǎn)之一。

為了能夠在終端上流暢的顯示及操作三維模型，本項目提出了一種大體量三維模型輕量化及高效顯示方案，能夠在保留模型完整的信息和確保模型精度的基礎(chǔ)上，將原始三維模型文件進(jìn)行高效輕量化處理，最終實(shí)現(xiàn)大體量三維模型瀏覽與操作。

1 總體技術(shù)路線

BIM 模型輕量化關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括：數(shù)據(jù)的高效存儲與傳輸、渲染及顯示。其中模型的高效存儲與傳輸是在模型源文件輕量化轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上使用壓縮、構(gòu)件模型流、運(yùn)用緩存等技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對于模型輕量化轉(zhuǎn)換及渲染，張建平等人［1-2］采用數(shù)據(jù)分布、動態(tài)解析方法，對基于IFC的BIM三維幾何建模及模型轉(zhuǎn)換、Web 應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究，為隧道施工大體量模型輕量化和動態(tài)顯示提供了參考，但盾構(gòu)隧道工程幾何構(gòu)造不夠規(guī)則、地址條件不夠確定等原因造成IFC 標(biāo)準(zhǔn)制定難以實(shí)施。王磊等人［3］運(yùn)用WebGL 標(biāo)準(zhǔn)中的Three.js框架對網(wǎng)頁上簡單三維場景顯示流程進(jìn)行分析并對場景中三維模型上添加熱點(diǎn)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了輕量化的三維模型的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作，但在基于BIM 盾構(gòu)隧道工程領(lǐng)域中，繁多的業(yè)務(wù)場景交互操作使功能開發(fā)難度較大?；诖?，需要尋找一種適用于BIM 大體量模型的輕量化、人機(jī)交互和實(shí)時渲染技術(shù)。本文將重點(diǎn)分析模型輕量化轉(zhuǎn)換和模型渲染及顯示所涉及的方法和技術(shù)［4-10］。

2 模型高效存儲

2.1 基于數(shù)據(jù)屬性的模型存儲

一般的BIM 模型文件包含了三維模型的幾何數(shù)據(jù)和擴(kuò)展屬性，從而導(dǎo)致模型體量較大，因此嚴(yán)重影響了模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸及圖形解析效率。本研究采用中心服務(wù)器存儲BIM 模型，模型在服務(wù)器中自動拆分為幾何數(shù)據(jù)和非幾何數(shù)據(jù)，非幾何數(shù)據(jù)直接存儲至數(shù)據(jù)庫中，幾何數(shù)據(jù)則進(jìn)一步通過模型輕理化進(jìn)行壓縮。當(dāng)用戶終端需要瀏覽BIM 模型時，首先會從服務(wù)器獲取輕量化后的幾何數(shù)據(jù)模型，然后按需向服務(wù)器請求模型的非幾何屬性，這種處理方式可降低模型的網(wǎng)絡(luò)傳輸時間。

2.2 基于映射的幾何模型存儲

基于映射的幾何模型存儲方式，可以大量減少構(gòu)件的存儲量，并可降低用戶終端的顯存消耗，傳統(tǒng)的流程如圖1 所示，首先根據(jù)網(wǎng)格相似性匹配方法對各構(gòu)件進(jìn)行相似性分析，并對幾何外形相似的構(gòu)件采用同一組三角網(wǎng)格表示［11-15］；緊接著通過轉(zhuǎn)換矩陣的方式，存儲其空間位置信息，并將三角網(wǎng)格組映射到相應(yīng)位置，從而使得相似的構(gòu)件只存儲一次，降低模型的幾何數(shù)據(jù)大小。基于此，KAVAN 等人［16］基于用戶觀察視角的不斷變化對模型進(jìn)行渲染的更新，客戶端將需要圖片從服務(wù)器映射到用戶的平面或者立方體上進(jìn)行顯示，但對于近距離的觀察會有失真感。SAIBI等人［17］基于貼圖優(yōu)化思想，先行固定紋理映射，巧妙的求解與單視角圖像的差異，給出了較好的輕量化和準(zhǔn)確性。

圖1 傳統(tǒng)的幾何模型存儲流程Fig.1 Traditional Geometric Model Storage Process

上述算法雖在模型特定的情況下能達(dá)到預(yù)期的目的，但是在可計算性、可操作性和效率方面存在一定不足且無法適應(yīng)建筑模型大體量且復(fù)雜的特點(diǎn)?；诖?，本研究提出了一種普適建筑信息模型的網(wǎng)格相似性度量算法。具體流程如圖2所示。

圖2 基于網(wǎng)格相似性匹配的建筑模型簡化算法流程Fig.2 Flow Chart of Building Model Simplification Algorithm Based on Grid Similarity Matching

基于網(wǎng)格相似性匹配的建筑模型存儲優(yōu)化的算法流程詳細(xì)步驟包括3步：

⑴初始定位：即計算模型的質(zhì)心位置，并將質(zhì)心移到原點(diǎn)位置。對模型進(jìn)行初始定位可以使兩個模型之間的位置差異減小，從而具有相同的校準(zhǔn)條件。

⑵粗略快速判斷：包括構(gòu)件類型判斷、包圍盒對比判斷、質(zhì)心位置對比判斷3個方面。

⑶三角網(wǎng)格相似性計算：對初始定位處理后的網(wǎng)格進(jìn)行分析，按照距離與法向量加權(quán)誤差最小的原則尋找最近點(diǎn)對序列，并對兩個最近點(diǎn)對序列進(jìn)行相似度評估。通過考慮兩模型頂點(diǎn)的平均距離（加入鄰近三角形面積和作為權(quán)值）、模型的尺寸大小等因素，定義兩三角網(wǎng)格的相似度計算方式，來衡量模型的相似性。三角網(wǎng)格間的相似度如大于指定閥值，則認(rèn)為兩構(gòu)件外形相同，對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算效果如圖3所示。

圖3 三角網(wǎng)格相似性匹配結(jié)果Fig.3 Triangular Mesh Similarity Matching Results

2.3 三角網(wǎng)格的存儲簡化

三維模型需要轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)格才能進(jìn)行展示，本項目對幾何模型的三角網(wǎng)格存儲進(jìn)行了簡化，可減少三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)的存儲空間，從而降低幾何模型的體量。本方法主要體現(xiàn)在網(wǎng)格頂點(diǎn)法向量的存儲簡化和三角網(wǎng)格點(diǎn)線面的存儲優(yōu)化。

2.3.1 頂點(diǎn)法向量的存儲簡化

頂點(diǎn)法向量并不會影響構(gòu)件的幾何形狀，只會對構(gòu)件的光照效果產(chǎn)生影響，因此在誤差范圍內(nèi)對頂點(diǎn)法向量的存儲進(jìn)行簡化對構(gòu)件的展示產(chǎn)生的影響甚微。如圖4 所示，正常情況下頂點(diǎn)法向量是一個float數(shù)組［x，y，z］，占據(jù)的空間大小為4×3=12 bytes，空間中的單位向量可以轉(zhuǎn)換為球坐標(biāo)系，只需要2 個參數(shù)即可確定位置（λ，φ），其中λ∈［0，360］，φ∈［-90，90］，這樣只需要4×2=8 bytes 的空間，進(jìn)一步將（λ，φ）映射至（u，v），其中u∈［0，255］，v∈［0，255］。過這一系列變換后，原本需要12 bytes的法向量，只需要2 bytes即可存儲。

圖4 三角網(wǎng)格點(diǎn)線面的存儲優(yōu)化Fig.4 Storage Optimization of Triangular Grid Points，Lines and Surfaces

三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)存儲過程中，在一些特定情況下可以減少存儲的數(shù)據(jù)量，比如同一個平面的三角形頂點(diǎn)法向量只需要存儲一次，通過建立頂點(diǎn)索引來存儲三角形可以減少存儲量等。

3 模型壓縮

3.1 模型的三角網(wǎng)格簡化

網(wǎng)格簡化是指在保持原始模型形狀變化盡可能小的情況下降低模型復(fù)雜度［15］。通過復(fù)雜構(gòu)建進(jìn)行三角網(wǎng)格簡化，可通過降低顯示所需的三角形數(shù)量，從而達(dá)到提升存儲效率的目的。周元峰等人［18］采用基于體積平方度量的三角形折疊網(wǎng)格簡化新方法，但對細(xì)節(jié)特征的保持效果一般。易兵等人［19］結(jié)合張量理論和二次誤差簡化算法，提出一種邊界特征保持的幾何網(wǎng)格模型分級二次誤差簡化算法，但算法較為復(fù)雜。為了盡量保存建筑構(gòu)件的幾何特征，本算法在前學(xué)者的研究基礎(chǔ)上加入面劃分及關(guān)聯(lián)點(diǎn)識別、模型特征點(diǎn)識別與預(yù)處理、權(quán)值計算及累計簡化誤差度量三個關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在保證最大精度的基礎(chǔ)上還原真實(shí)模型效果，關(guān)鍵環(huán)節(jié)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格簡化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)Fig.5 Key Links of Grid Simplification

三角網(wǎng)格的簡化效果如圖6所示，可以看出，本算法在簡化的過程中，對構(gòu)件的一些特征點(diǎn)進(jìn)行了很好的保留，盡量讓模型保持了很高的辨識度。

圖6 網(wǎng)格簡化效果Fig.6 Effect of Mesh Simplification

3.2 基于Zstd壓縮算法的模型壓縮

為了更進(jìn)一步降低幾何模型的體積，本研究采用Zstd 無損壓縮的形式對大體量幾何模型做了進(jìn)一步的無損壓縮處理。所謂的無損壓縮處理，是利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余進(jìn)行壓縮，可完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)而不引起任何失真。目前存在多種無損壓縮的算法，經(jīng)調(diào)研與測試，在相同的硬件設(shè)備中，各算法的壓縮比、壓縮速度以及解壓速度如表1 所示。通過對比，本研究選用Zstd壓縮算法。

表1 各算法的壓縮比、壓縮速度以及解壓速度Tab.1 Compression Ratio，Compression Speed and Decompression Speed of Each Algorithm

4 模型顯示

在上述的模型簡化后，還需對模型的加載做進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是當(dāng)原始模型的數(shù)據(jù)量較大時，需要加載所需要的局部網(wǎng)格區(qū)域即可。 模型的顯示優(yōu)化包括顯示效率和顯示質(zhì)量的優(yōu)化，主要采用的技術(shù)包括：視錐體裁剪、遮擋剔除、基于視點(diǎn)的動態(tài)剔除、渲染效果優(yōu)化。

本研究采用網(wǎng)格局部重建的方法來對模型的顯示進(jìn)行優(yōu)化，在離視點(diǎn)近的區(qū)域內(nèi)部使用最高精度的網(wǎng)格模型，能夠完整的觀察到模型細(xì)節(jié)信息；在離視點(diǎn)遠(yuǎn)的區(qū)域，則保持最低精度的網(wǎng)格模型，即簡化網(wǎng)格的分辨率［20］。上述方法通過對選擇區(qū)域的局部細(xì)化，在滿足對局部細(xì)節(jié)需要的前提下，使網(wǎng)格模型的三角形數(shù)目大大減少，從而降低了模型體量，提升了繪制和傳輸效率。

4.1 視錐體裁剪

視錐體的形狀決定了模型如何從攝像機(jī)空間投影到屏幕上［21］。如圖7 所示，透視投影使用棱錐作為視錐體，攝像機(jī)位于棱錐的椎頂［22］，該棱錐被前后2 個平面截斷，形成1 個棱臺，只有位于視錐體內(nèi)部的模型才是可見的［23］。

圖7 視錐體裁剪示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Cone Cutting

4.2 遮擋剔除

如圖8所示，在觀察復(fù)雜模型時，場景中的各類物件會互相重疊，雖然小的物件也在視錐體范圍內(nèi)，但并不代表他們是不可見的。采用Hierarchical Z-Buffer算法，利用DX11 的新特性，完全在GPU 中并行執(zhí)行。

圖8 遮擋剔除原理Fig.8 Schematic of Occlusion Elimination

4.3 基于視點(diǎn)的動態(tài)剔除

如圖9所示，當(dāng)物體離攝像機(jī)比較遠(yuǎn)時，部分模型在觀察狀態(tài)下會顯得很小，因此，在操作圖形平臺的時候可以不用渲染這些小的物體。

圖9 基于視點(diǎn)的動態(tài)剔除操作界面Fig.9 View Based Dynamic Culling Operation Interface

4.4 渲染效果優(yōu)化

當(dāng)模型離攝像機(jī)比較遠(yuǎn)時，本研究在保證模型渲染效率的基礎(chǔ)上，采用相對粗糙的渲染方式，當(dāng)模型離攝像機(jī)比較近時，采用精細(xì)渲染，效果對比如圖10所示。

圖10 粗糙與精細(xì)渲染效果對比Fig.10 Comparison of Coarse and Fine Rendering Effects

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

廣州市軌道交通18 號線和22 號線及同步實(shí)施場站綜合體設(shè)計施工總承包項目，是廣州市有史以來規(guī)模最大的單個招標(biāo)項目，也是目前中國鐵建在國內(nèi)最大的設(shè)計施工總承包項目，兩條線同時也是國內(nèi)首條設(shè)計時速160 km 的高規(guī)格地鐵市域快線［24］。18 號線從萬頃沙站起至廣州東站止，全長62.7 km，設(shè)站9座，其中換乘站8 座，22 號線從番禺廣場站起至白鵝潭站，全長30.8 km；設(shè)站8 座，其中換乘站4 座。全線采用全過程、全方位、全生命周期BIM 信息化管理，自主研發(fā)城市軌道交通BIM 項目管 理平臺，開展BIM 平臺頂層框架設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究。

5.2 桌面端展示

BIM 系統(tǒng)圖形平臺綜合采用分步加載和模型輕量化技術(shù)，優(yōu)化三維模型瀏覽效率，最高優(yōu)化比例可達(dá)14%。極限測試圖形平臺可流暢瀏覽模型數(shù)量達(dá)百萬級別，三角形數(shù)量達(dá)億級（見圖11）。

圖11 PC 端應(yīng)用效果Fig.11 Application Effect of PC End

5.3 移動端的應(yīng)用效果

MS 端（Android，iOS）圖形輕量化顯示：自主開發(fā)的基于OpenGL 的全平臺（PC，Android，iOS）三維圖形顯示引擎，經(jīng)過輕量化處理的三維模型能夠流暢的在Android，iOS 端顯示并流暢地操作（見圖12）。

圖12 MS端應(yīng)用效果Fig.12 MS End Application Effect

5.4 模型輕量化對比

對本系統(tǒng)的模型輕量化效果進(jìn)行實(shí)測，測數(shù)據(jù)中，測試樣本的純?nèi)切螖?shù)據(jù)（不包括樣本屬性）的存儲大小為110.69 M，采用文上所述反式對模型進(jìn)行處理，僅優(yōu)化存儲幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其存儲空間就可以減少至62 M 左右，如果再對其進(jìn)行壓縮和簡化（LOD 60），其體量可以減少至16 M 左右（見圖13），經(jīng)過上述方式的共同優(yōu)化，一個模型的體量可以減少至原來體量的14%左右［25］。

圖13 模型輕量化率Fig.13 Model Lightweight Rate

6 結(jié)論

本文從數(shù)據(jù)存儲優(yōu)化、模型壓縮、模型顯示優(yōu)化顯示3 個方面介紹了本項目模型輕量化關(guān)鍵技術(shù)，基于三角網(wǎng)格存儲、Zstd 壓縮算法、網(wǎng)格局部重建顯示優(yōu)化可在保留完整三維模型基本信息，保證模型精度的前提下，將原始三維模型文件進(jìn)行高效的輕量化處理，實(shí)現(xiàn)大體量三維模型的流暢瀏覽與操作。