glTF在BIM模型輕量化中的應(yīng)用

呂婧　金浩然　譚軍　王鵬

摘? 要：BIM以數(shù)字信息模型為基礎(chǔ)對建筑物整個(gè)生命周期進(jìn)行信息化管理。BIM的最終需求是展示在電腦、移動(dòng)終端等顯示設(shè)備上。冗余海量的建筑信息加上巨大的建筑體量使得BIM數(shù)據(jù)量非常龐大，對服務(wù)器硬件要求非?？量?。針對上述問題，文章提出一種基于glTF格式的BIM數(shù)據(jù)輕量化方法，降低BIM數(shù)據(jù)量，并運(yùn)用案例進(jìn)行驗(yàn)證其可行性。

關(guān)鍵詞：glTF;BIM模型;輕量化

中圖分類號(hào)：TU17? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0174-03

Abstract： BIM carries on the information management to the whole life cycle of the building based on the digital information model. The ultimate requirement of BIM is to display on computers， mobile terminals and other display devices. The huge amount of redundant building information coupled with the huge volume of buildings makes the amount of BIM data very large， and the requirements for server hardware are very stringent. In view of the above problems， this paper proposes a lightweight method of BIM data based on glTF format to reduce the amount of BIM data， and uses a case to verify its feasibility.

Keywords： glTF; BIM model; lightweight

引言

BIM技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域，BIM模型由專門的建模軟件創(chuàng)建，根據(jù)創(chuàng)建軟件系列的不同而采用不同的專有文件格式：Autodesk Revit軟件系列的模型存儲(chǔ)為*.rvt格式;Bentley MicroStation系列采用*.dgn文件格式; Catia系列產(chǎn)品使用 *.catPart等，這些BIM數(shù)據(jù)的解析需要依靠專有的BIM軟件且包含精細(xì)的幾何信息與豐富的語義信息，大多數(shù)BIM應(yīng)用場景都是建筑群或特大高復(fù)雜度模型，因此模型體量非常大，即使在桌面客戶端運(yùn)行都需要高頻CPU、大內(nèi)存、獨(dú)立顯卡等較高的計(jì)算機(jī)配置。HTML5和WebGL等出現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為開發(fā)一種不需要瀏覽器擴(kuò)展功能或插件的虛擬三維應(yīng)用場景提供了新的可能[1]。但是WebGL 技術(shù)在瀏覽器端利用本地客戶端顯卡，內(nèi)存資源進(jìn)行圖形渲染，受限于網(wǎng)絡(luò)寬帶和服務(wù)器性能，當(dāng)BIM模型體量超過終端設(shè)備承受范圍時(shí)，容易出現(xiàn)加載時(shí)間過長、程序卡死或者系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)傳輸與瀏覽器端圖形渲染效率低下。因此要實(shí)現(xiàn)BIM模型在瀏覽器端的展示，需要將BIM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為一種統(tǒng)一的、圖形引擎可以識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)格式。

1 BIM模型輕量化原理

BIM模型輕量化是指在不損失模型真實(shí)性的前提下通過先進(jìn)算法把模型重構(gòu)并且進(jìn)行更輕便更靈活地顯示。BIM模型采用WebGL引擎在Web和移動(dòng)端顯示需要經(jīng)過圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和瀏覽器渲染處理兩個(gè)過程，這兩個(gè)過程正好是BIM模型輕量化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是指將三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可被圖形引擎識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)格式，并且在轉(zhuǎn)換中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，轉(zhuǎn)換后的模型數(shù)據(jù)量可以壓縮到比原始三維網(wǎng)格的數(shù)據(jù)量小，簡化后的數(shù)據(jù)格式用于優(yōu)化存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸過程。模型輕量化顯示是指轉(zhuǎn)換后的模型被圖形引擎解析和顯示過程中通過提升渲染處理速度，達(dá)到流暢實(shí)時(shí)顯示，如圖1所示。

BIM模型主要由幾何信息與非幾何信息組成。非幾何信息是指構(gòu)件屬性等相關(guān)數(shù)據(jù)，其輕量化方法比較簡單，只要將其剝離于幾何信息存儲(chǔ)和壓縮為DB文件或者JSON文件即可。

圖形數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為輕量化的源頭和核心。幾何信息的輕量化方法可以分為：參數(shù)化幾何描述，減面優(yōu)化處理，實(shí)例化圖元描述，數(shù)據(jù)壓縮四種方法。

參數(shù)化幾何描述：單個(gè)構(gòu)件的輕量化參數(shù)表示，比如一個(gè)圓柱體可以使用五個(gè)參數(shù)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。參數(shù)1：底面原點(diǎn)坐標(biāo)（x、y、z，3個(gè)小數(shù)）;參數(shù)2：底面半徑（r，1個(gè)小數(shù)）;參數(shù)3：柱子高度（h，1個(gè)小數(shù)）;減面優(yōu)化處理：BIM模型中存在含有三角面的構(gòu)件，模型越精細(xì)，其三角面片含量將越高，使用BIM三角網(wǎng)簡化功能，刪除模型中多余或重疊的點(diǎn)和面，簡化模型構(gòu)件的三角面片數(shù);實(shí)例化圖元描述：BIM模型一般會(huì)存在相同幾何圖元的多個(gè)實(shí)例，通過渲染管線繪制成幾何構(gòu)件。相同的構(gòu)件通過添加一個(gè)引用和空間坐標(biāo)來區(qū)別繪制在模型內(nèi)不同地點(diǎn)。使用相似體的識(shí)別算法可以大大減少渲染幾何體的數(shù)量;數(shù)據(jù)壓縮：進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的無損壓縮可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間。Draco是glTF的擴(kuò)展，用于網(wǎng)格壓縮，用于壓縮和解壓縮3D網(wǎng)格以顯著減小3D內(nèi)容的大小[2]。它壓縮頂點(diǎn)位置、法線、顏色、紋理坐標(biāo)以及任何其他通用頂點(diǎn)屬性，從而提高了在Web上傳輸3D內(nèi)容的效率和速度。

模型輕量化顯示：主要在解析模型文件，渲染繪制于瀏覽器端的過程中進(jìn)行優(yōu)化和加速。包括：可視域剔除、多重LOD （Level of Detail）、批量繪制、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整等技術(shù)提升渲染流暢度方法。

多重LOD（Levels of Detail）：多重LOD用不同精細(xì)級(jí)別的幾何體來表示物體，從輪廓模型到精細(xì)實(shí)體模型等不同的精度。在瀏覽器實(shí)時(shí)渲染模型中，在不影響視覺效果的前提下根據(jù)空間距離變化視點(diǎn)周圍的物體精度，距離越遠(yuǎn)加載的模型越粗糙，距離越近加載的模型越精細(xì)，從而提高顯示效率并降低存儲(chǔ)。剔除技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)加速算法之一，包括視錐體剔除，遮擋剔除，背面剔除等方法如圖2[3]。遮擋剔除（Occlusion Culling）是指消耗一小部分CPU來去掉不可見的物體，不改變最終渲染的畫面的同時(shí)，降低GPU的負(fù)載，如圖2所示。