基于虛擬計(jì)算機(jī)分布式集群三維實(shí)景建模的研究與應(yīng)用

黎富忠

（廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530023）

1 前言

隨著高新測(cè)繪技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)繪行業(yè)正在迅速向地理信息產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)的測(cè)繪生產(chǎn)主模式已發(fā)生根本的變化，產(chǎn)品由模擬形式轉(zhuǎn)為數(shù)字形式，大量的外業(yè)人工測(cè)量被航空攝像測(cè)量和室內(nèi)地理信息采集所取代，地理信息的采集、存貯、加工和分發(fā)已成為一種全新的概念。特別是傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，現(xiàn)已普遍應(yīng)用于水利、國(guó)土、電力、林業(yè)、市政、應(yīng)急救援等行業(yè)。傾斜攝影是在攝影測(cè)量技術(shù)之上發(fā)展起來(lái)的，和攝影測(cè)量不同的是：傾斜攝影是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器（目前常用五鏡頭相機(jī)），同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件把拍攝到的各角度照片與POS 數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行空三解算平差等，最后生成實(shí)景三維模型。對(duì)比傳統(tǒng)的人工建模方式，實(shí)景三維建模具備高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本“三高一低”的優(yōu)勢(shì)。傾斜攝影測(cè)量成果豐富可生成DOM、DEM、DLG、DSM 等4D 測(cè)繪產(chǎn)品外，還可同時(shí)通過(guò)獲取的實(shí)景三維模型，可加工處理為動(dòng)態(tài)三維模型、VR 等，實(shí)現(xiàn)栩栩如生、絢麗多彩的效果，還可以把三維模型與設(shè)計(jì)分析計(jì)算同步聯(lián)動(dòng)，開(kāi)發(fā)拓展出各類新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)多元化、信息化、智慧化。

2 三維實(shí)景建模

2.1 軟件類型分析

通過(guò)收集資料與研究、測(cè)試、分析，現(xiàn)行業(yè)上用于傾斜攝影測(cè)量三維建模處理的軟件有ContextCapture、Pix4D、Photoscan、inpho 等，均可用于空三數(shù)據(jù)處理及實(shí)景三維建模，但也有各自的優(yōu)勢(shì)，有些軟件空三解算較為精密，精度更高，但建模精細(xì)度及效率較低，行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)航測(cè)實(shí)景三維產(chǎn)品的軟件主要是Bentley 公司的ContextCapture 軟件，該軟件可以把大量航測(cè)像片數(shù)據(jù)進(jìn)行整合建立三維模型，可以把一個(gè)工程任務(wù)以分解到若干臺(tái)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上同時(shí)處理，以此解決海量大數(shù)據(jù)的空三解算、三維建模等工作，與單臺(tái)計(jì)算機(jī)相比，顯著提高工作效率。而行業(yè)上多數(shù)軟件空三解算后也會(huì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)至ContextCapture 軟件中進(jìn)行集群建模，采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)群集處理設(shè)備，利用GPU 計(jì)算、多核計(jì)算、高級(jí)光束法區(qū)域網(wǎng)平差、拼接機(jī)制、任務(wù)排隊(duì)和監(jiān)控、網(wǎng)格計(jì)算和超大型項(xiàng)目管理功能，加快生產(chǎn)速度，以提高模型精度和工作效率。

2.2 硬件分析

根據(jù)測(cè)量比例尺精度要求及測(cè)區(qū)大小的不同，數(shù)據(jù)量也同，但是不管是哪種級(jí)別來(lái)說(shuō)，傾斜攝影相對(duì)于其他數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常龐大，屬海量級(jí)大數(shù)據(jù)，一個(gè)小區(qū)域有幾十個(gè)GB 的數(shù)據(jù)量，較大面積的測(cè)區(qū)有TB 級(jí)別數(shù)據(jù)容量，各數(shù)據(jù)都要多次反復(fù)運(yùn)算，因此各種處理計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件都是極大的考驗(yàn)，需要特殊選配計(jì)算機(jī)（如：CPU、GPU 顯卡、內(nèi)存、散熱系統(tǒng)等）。而僅靠單臺(tái)物理計(jì)算機(jī)運(yùn)行，是無(wú)法執(zhí)行如此海量的大數(shù)據(jù)，需搭建分布式的物理計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行實(shí)景三維建模，以提高整個(gè)工作效率。而以物理機(jī)搭建的分布式集群方式，需要配有專用的計(jì)算機(jī)房，考慮長(zhǎng)時(shí)間工作的散熱性能、穩(wěn)定性能等因素，一般組建20 ～40 臺(tái)物理計(jì)算機(jī)集群，用于一般中小項(xiàng)目、數(shù)據(jù)量不多、時(shí)間節(jié)點(diǎn)不急的項(xiàng)目生產(chǎn)，如幾個(gè)大型項(xiàng)目大批量生產(chǎn)時(shí)，計(jì)算性能和效率均無(wú)法滿足需求。

2.3 研究服務(wù)器虛擬機(jī)分布式集群空三處理及三維建模

為了提高三維建模的工作效率，經(jīng)過(guò)測(cè)試研究，利用已有服務(wù)器搭建虛擬機(jī)分布式集群方式，可根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中ContextCapture軟件計(jì)算的流程及功能進(jìn)行計(jì)算機(jī)性能定制化配置，分別創(chuàng)建5 個(gè)空三集群組，5 個(gè)三維建模集群組，空三集群組以調(diào)配高性能、高主頻CPU 和內(nèi)存為主，三維建模集群組以調(diào)配大容量顯卡、大內(nèi)存為主，當(dāng)然越好的配置越大的容量固然會(huì)更好，但會(huì)造成過(guò)渡浪費(fèi)，增加硬件成本，而通過(guò)監(jiān)視軟件底層計(jì)算資源占用率來(lái)按需靈活調(diào)配，是最科學(xué)實(shí)用的方法。通過(guò)各種測(cè)試驗(yàn)證，形成各性能綜合最優(yōu)的配置模版桌面文件，利用VM vsphere 虛擬化桌面進(jìn)行克隆配置虛擬計(jì)算機(jī)，形成5 組25 臺(tái)空三處理機(jī)和5 組150 臺(tái)三維建模節(jié)點(diǎn)機(jī)集群，各群組之間通過(guò)萬(wàn)兆光纖通信，配上12 臺(tái)服務(wù)器，高性能存儲(chǔ)運(yùn)算盤(pán)、電源、散熱系統(tǒng)等，形成虛擬機(jī)分布式集群三維實(shí)景建模群，可快速高效處理海量大數(shù)據(jù)。打破了以往采用物理計(jì)算機(jī)集群的工作方式，創(chuàng)新性的采用區(qū)內(nèi)外領(lǐng)先的服務(wù)器虛擬化集群計(jì)算機(jī)的方式進(jìn)行批量生產(chǎn)，此高性能服務(wù)器可靈活調(diào)配計(jì)算機(jī)資源，高主頻多核心配置，用于空三解算、三維建模等，可快速完成大面積的三維建模任務(wù)，根據(jù)工作需要還可以再靈活調(diào)配，快速增加空三、建模節(jié)點(diǎn)及配置，可直接采用虛擬化桌面管理軟件分配節(jié)點(diǎn)。同時(shí)還可集成服務(wù)器資源，組成類超算性能的計(jì)算機(jī)，用于海量大數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，發(fā)揮服務(wù)器的靈活、高效、穩(wěn)定的工作性能，為項(xiàng)目生產(chǎn)大幅度提高效率。對(duì)比國(guó)內(nèi)外同類實(shí)景三維建模方法，現(xiàn)國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用的是物理計(jì)算機(jī)集群方式建模，集群節(jié)點(diǎn)較少，機(jī)房場(chǎng)地占地大、操作性差。而該虛擬機(jī)技術(shù)、設(shè)備為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，場(chǎng)地占地少，工作高效、穩(wěn)定、利于管理和維護(hù)。

通過(guò)虛擬機(jī)桌面設(shè)置和計(jì)算資源靈活調(diào)配計(jì)算機(jī)CPU 核數(shù)、線程數(shù)、運(yùn)行內(nèi)存、顯卡顯存等配置，組建虛擬機(jī)三維空三、三維建模集群組如圖1、圖2。

圖1：虛擬機(jī)桌面主菜單功能

圖2：計(jì)算機(jī)資源靈活調(diào)配設(shè)置

在進(jìn)行虛擬桌面搭建完成后，創(chuàng)建批處理文件用于節(jié)點(diǎn)機(jī)的運(yùn)行調(diào)配，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化批量啟動(dòng)運(yùn)算節(jié)點(diǎn)，接收ContextCapture 軟件發(fā)布的空三建模任務(wù)。配置部分代碼如下：

::echo 設(shè)置軟件路徑

set SOFTWAREPATH="C:Program Files (x86)VMwareVMware Horizon View Clientvmware-view.exe"

::echo 設(shè)置連接服務(wù)器地址

set CONNECTION=connection.gk.com

::echo 設(shè)置用戶節(jié)點(diǎn)密碼

set PASSWORD=Abc123456

::echo 設(shè)置要啟動(dòng)的桌面

set DESKTOPNAME= CC 空三節(jié)點(diǎn)

::echo 設(shè)置桌面分辨率

set DESKTOPLAYOUT=1280x730

::echo 設(shè)置連接協(xié)議

set DESKTOPPROTOCOL=Blast

::echo 啟動(dòng)三維節(jié)點(diǎn)用戶的桌面

::start "窗口名稱" 軟件路徑 -serverURL 連接服務(wù)器 -userName用戶名-password 密碼 -domainName 域 -desktopName 桌面名-desktopLayout 桌面分辨率 -desktopProtocol

………

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究測(cè)試，采用基于虛擬計(jì)算機(jī)分布式集群技術(shù)用于無(wú)人機(jī)航空傾斜攝影測(cè)量三維實(shí)景建模，可高效實(shí)現(xiàn)大批量、大范圍、高精度、高運(yùn)算量的空三處理及建模，已應(yīng)用于全國(guó)水利電力、公路交通、國(guó)土、礦山、林業(yè)、市政等多行業(yè)多個(gè)大型項(xiàng)目生產(chǎn)，在房地一體、大比例尺地形圖測(cè)繪、三維模擬動(dòng)畫(huà)、多源數(shù)據(jù)融合及地理信息軟件等海量數(shù)據(jù)的處理，工作效率顯著提高。