基于PBRT的BIM模型渲染實(shí)現(xiàn)

何朝爽　賀懷清　陳欣迪　邢昭穎　莫松霖

摘要：BIM模型在民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)中至關(guān)重要，為使其顯示更具美感，應(yīng)用本文作者的發(fā)明專利方法——“一種Metropolis光線追蹤自適應(yīng)兩階段采樣方法”，在PBRT平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIM模型的渲染，改善了BIM模型的視覺(jué)觀感，有助于BIM在民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：BIM模型;PBRT平臺(tái);Metropolis光線追蹤算法;渲染;

Abstract：BIM model is very important in the construction of civil aviation airport.In order to make its display more aesthetic，this paper applies the patented method "a metropolis ray tracing adaptive two-stage sampling method" invented by the author to realize the rendering of BIM model on PBRT platform.It improves the visual appearance of BIM model，and contributes to the application of BIM in civil aviation airport construction.

Key words：BIM model;PBRT platform;Metropolis ray tracing algorithm;Rendering;

隨著時(shí)代的發(fā)展、科技的進(jìn)步，人們對(duì)視覺(jué)感受有了更高的要求。就建模而言，人們希望看到的模型是逼真的，于是“渲染”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文作者發(fā)明專利中的渲染方法——“一種Metropolis光線追蹤自適應(yīng)兩階段采樣方法”是對(duì)PBRT（Physically Based Rendering：From Theory to Implementation）平臺(tái)MLT渲染算法的改進(jìn)，該方法能有效地減少圖像的噪聲，對(duì)間接光照?qǐng)鼍熬哂休^好的適應(yīng)性。本文渲染的主體為BIM模型，BIM思想在國(guó)內(nèi)外建筑界風(fēng)行十余年，被越來(lái)越多地應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)以及其他建筑建模領(lǐng)域，使用PBRT平臺(tái)為BIM模型提供三維渲染服務(wù)，能使三維模型在二維平面空間中凸顯出立體感，達(dá)到人們追求的真實(shí)感。

本文以PBRT場(chǎng)景文件腳本編制為核心，給出了將BIM模型文件轉(zhuǎn)化為PBRT場(chǎng)景文件的方法，并將上述發(fā)明專利方法融入PBRT渲染機(jī)制，豐富了BIM渲染方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)BIM模型的渲染。

1.研究方案

1.1研究?jī)?nèi)容

PBRT是一個(gè)基于物理渲染的開(kāi)源離線渲染器，為處理渲染圖像文件提供便捷。PBRT平臺(tái)渲染主要分為兩個(gè)階段：場(chǎng)景文件解析和渲染流程。首先通過(guò)場(chǎng)景文件讀取場(chǎng)景中的信息，即對(duì)幾何特征、表面材質(zhì)、光源、視點(diǎn)等算法中需要的各種默認(rèn)參數(shù)和類初始化的過(guò)程。其次，渲染過(guò)程中擬運(yùn)用賀懷清等的發(fā)明專利方法這樣，本文的研究?jī)?nèi)容包括以下三個(gè)方面：

（1）研究將BIM模型文件轉(zhuǎn)化為PBRT場(chǎng)景文件的方法;

（2）研究理解PBRT工作機(jī)制和上述專利方法，將其編碼融入PBRT平臺(tái)，豐富BIM渲染機(jī)制;

（3）實(shí)現(xiàn)基于PBRT的BIM模型渲染，并展示渲染結(jié)果。

1.2研究的技術(shù)思路

針對(duì)研究?jī)?nèi)容一：將BIM模型文件轉(zhuǎn)化為PBRT場(chǎng)景文件的方法，技術(shù)思路如下：

（1）研究PBRT場(chǎng)景文件的特點(diǎn)與要求，為BIM模型向PBRT場(chǎng)景文件的轉(zhuǎn)化做準(zhǔn)備;

（2）運(yùn)用PBRT基本轉(zhuǎn)換工具將BIM模型轉(zhuǎn)換為PBRT基本識(shí)讀模型;

（3）研究編制PBRT場(chǎng)景文件腳本的方法，將BIM的PBRT基本識(shí)讀模型轉(zhuǎn)換成PBRT場(chǎng)景文件。

針對(duì)研究?jī)?nèi)容二：研究理解上述專利方法，將其融入PBRT平臺(tái)，技術(shù)思路如下：

（1）研究PBRT的渲染機(jī)制，掌握其與場(chǎng)景文件的關(guān)系和渲染流程;

（2）研究理解賀懷清等的發(fā)明專利方法，將其正確編碼并置入PBRT平臺(tái)，作為本文的主體渲染方法。

針對(duì)研究?jī)?nèi)容三：實(shí)現(xiàn)基于PBRT的BIM模型渲染，并展示渲染結(jié)果，技術(shù)思路如下：

將研究?jī)?nèi)容一中BIM場(chǎng)景文件輸入PBRT平臺(tái)，由平臺(tái)在渲染階段調(diào)用融入的專利方法對(duì)BIM模型進(jìn)行渲染，并展示渲染結(jié)果。

2.方案實(shí)施

2.1? 環(huán)境搭建

（1）操作系統(tǒng)：Ubuntu 18.04版本。

PBRT平臺(tái)工作在Ubuntu18.04版本操作系統(tǒng)下，該版本相對(duì)于其他版本而言，具有較高的穩(wěn)定性，能更好的適應(yīng)本文工作的開(kāi)展。

（2）工作平臺(tái)：PBRT V3。

（3）輔助軟件：Formlt，Revit，Matlab。

Formlt，Revit同為Autodesk公司旗下的軟件，該軟件主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)建模方面。在本文中，軟件Revit主要是用來(lái)建模以及查看BIM模型的信息。Formlt作為中間軟件，主要是用來(lái)將BIM模型文件（RVT格式）導(dǎo)出為PBRT平臺(tái)所接受的OBJ格式文件。

Matlab是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，本文主要使用了該軟件的圖像處理功能——將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)。除此之外，本文還使用了該軟件的庫(kù)函數(shù)，使用方法在本文使用的專利方法的編碼程序中體現(xiàn)。

2.2 格式轉(zhuǎn)換

本文研究的BIM模型是RVT格式的，而PBRT平臺(tái)的基本識(shí)讀格式是PBRT。本文由PBRT平臺(tái)基本轉(zhuǎn)換工具之一的“obj2pbrt”得到啟發(fā)，因?yàn)樵撁畹膶?duì)象為OBJ格式的文件，所以可以利用Autodesk軟件——Formlt，在其上導(dǎo)入BIM模型的RVT格式文件，隨后導(dǎo)出該模型對(duì)應(yīng)的OBJ格式的模型文件。最后在PBRT平臺(tái)上利用工具“obj2pbrt”將OBJ格式文件轉(zhuǎn)化為PBRT格式文件，具體命令為：obj2pbrt? filename1.obj? filename2.pbrt。導(dǎo)出的該P(yáng)BRT文件主要描述的是模型的幾何信息（主要是點(diǎn)、線、面的信息，也有模型表面材料的定義），未具備一個(gè)可渲染腳本文件的條件，所以該文件并不能直接在PBRT平臺(tái)渲染，還需后續(xù)的渲染場(chǎng)景的整體選項(xiàng)指令的補(bǔ)充以及對(duì)該文件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

將RVT格式文件轉(zhuǎn)換為PBRT格式文件的具體流程如圖1所示。

2.3 PBRT平臺(tái)與渲染

PBRT是一個(gè)基于物理渲染的開(kāi)源離線渲染器，為處理渲染圖像文件提供便捷。

PBRT平臺(tái)的渲染流程：首先解析場(chǎng)景描述文件，其次渲染場(chǎng)景，最后生成圖片。

PBRT平臺(tái)使用的場(chǎng)景描述文件是純文本文件，該文件由一系列語(yǔ)句組成，每條語(yǔ)句被執(zhí)行后便會(huì)觸發(fā)調(diào)用相應(yīng)的API，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的程序，該描述文件減少了我們對(duì)代碼管理的工作量，使我們的工作能更加地集中在圖形渲染本身。該場(chǎng)景描述文件可分為兩部分：渲染場(chǎng)景的整體選項(xiàng)和World語(yǔ)句塊。渲染場(chǎng)景的整體選項(xiàng)包含了一系列指令，這些指令描述了用于渲染場(chǎng)景的相機(jī)、膠片以及采樣和光傳輸?shù)人惴?，編?xiě)該文件時(shí)為其配置參數(shù)即可。World語(yǔ)句塊以“WorldBegin”指令開(kāi)始，并以“WorldEnd”指令結(jié)束。在World塊中，Attribute（屬性）塊是基本描述單位（Attribute塊以“AttributeBegin”指令開(kāi)始并以“AttributeEnd”指令結(jié)束），每個(gè)Attribute塊記錄了場(chǎng)景的幾何特征、表面材質(zhì)或光源等指令。

由BIM模型格式轉(zhuǎn)換后的PBRT文件是一個(gè)描述幾何信息的文件，所以應(yīng)該被記錄在一個(gè)完整的Attribute塊中。當(dāng)場(chǎng)景文件被解析到WorldEnd指令時(shí)，定義的 Integrator（積分器）將控制并執(zhí)行所需的渲染計(jì)算。本文將使用的渲染方法——一種Metropolis光線追蹤自適應(yīng)兩階段采樣方法，置于場(chǎng)景描述文件的整體選項(xiàng)中，例如：Integrator "mlt"（mlt為渲染方法）。

2.4 專利方法編碼置入PBRT平臺(tái)

該專利公開(kāi)了一種Metropolis光線追蹤自適應(yīng)兩階段采樣方法[1]，其包括讀取場(chǎng)景文件并對(duì)場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行解析設(shè)置;通過(guò)一定數(shù)量采樣計(jì)算標(biāo)量因子并確定初始樣本為當(dāng)前樣本;一采樣階段;二采樣階段;生成渲染結(jié)果圖像等步驟。

具體流程圖如圖2所示：

該渲染方法相對(duì)于PBRT平臺(tái)原先的mlt算法，賀懷清等做出如下優(yōu)化：將采樣過(guò)程分為兩個(gè)階段，通過(guò)一階段采樣分布矩陣對(duì)二階段突變策略進(jìn)行影響，在當(dāng)前采樣點(diǎn)的8鄰域像素位置進(jìn)行小范圍采樣。滿足細(xì)節(jié)平衡條件的同時(shí)，設(shè)置多個(gè)采樣點(diǎn)標(biāo)量貢獻(xiàn)函數(shù)平均值比值為接受概率。這樣，算法不僅考慮了照射物體的直接光照，也考慮了場(chǎng)景中其他物體相互作用、反射、折射等間接光照，極大地提高了渲染場(chǎng)景的真實(shí)性。

該專利算法的編碼使用c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，在繼承了原MLT[1]代碼的基礎(chǔ)上補(bǔ)充專利算法的代碼，并且程序中調(diào)用了Matlab庫(kù)函數(shù)，所以需要安裝Matlab軟件作為支持。

在本文中，將改進(jìn)后的的MLT頭文件和源程序加入到PBRT平臺(tái)Integrators目錄中，并重新編譯，即可使用該渲染方法。

2.5? 場(chǎng)景文件研究與編寫(xiě)

在本文中，腳本文件的編寫(xiě)有兩種方式：

（1）參考官網(wǎng)的場(chǎng)景文件范例并修改必要的參數(shù)。本文首先在該參考文件的基礎(chǔ)上修改光源、視點(diǎn)、相機(jī)等算法中需要的參數(shù)，其次將渲染方法改為本文編碼的算法，接著在Attribute（屬性）塊中以“#include filename.pbrt”的方式導(dǎo)入BIM模型，其中filename.pbrt指的是描述BIM模型幾何信息的場(chǎng)景文件，即該文件是BIM模型格式轉(zhuǎn)換后的最終文件。

（2）利用PBRT平臺(tái)導(dǎo)出filename.pbrt文件的PLY文件，導(dǎo)出命令為“pbrt --toply filename.pbrt? >? newfilename.pbrt”。該類文件的格式一般為“mesh_0000X.ply”（0000X為數(shù)字，標(biāo)志一個(gè)多邊形模型）。PLY作為一種多邊形模型數(shù)據(jù)格式，不同于三維引擎中常用的場(chǎng)景圖文件格式和腳本文件，每個(gè)PLY文件只用于描述一個(gè)多邊形模型對(duì)象，該模型對(duì)象可以通過(guò)諸如頂點(diǎn)、面等數(shù)據(jù)被描述。另外，PLY文件的個(gè)數(shù)與BIM模型的復(fù)雜度成正比，復(fù)雜的BIM模型可以導(dǎo)出幾十到幾百個(gè)PLY文件（mesh_00001～mesh_XXXXX，其中X為0～9的數(shù)字）。PLY文件在Attribute（屬性）塊中以“#include mesh_0000X.ply”的方式被導(dǎo)入場(chǎng)景描述文件，一般是搭配紋理（texture）指令一起使用。紋理指令主要是給PLY描述的多邊形模型貼圖，二者同樣被包含在同一個(gè)Attribute（屬性）塊中。所以，導(dǎo)入PLY文件更加注重模型細(xì)節(jié)的渲染，生成的圖片也更加真實(shí)和好看。

紋理的加入使得被渲染后的模型更加真實(shí)、美觀，PBRT官網(wǎng)上以第二種方式編寫(xiě)腳本，在本文中則使用的是第一種方法，即參考官網(wǎng)的場(chǎng)景文件范例并修改必要的參數(shù)。

3.渲染結(jié)果

渲染的BIM模型原型如圖2和圖3所示，渲染后的結(jié)果如圖4和圖5所示：

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了將BIM模型文件轉(zhuǎn)化為PBRT場(chǎng)景文件的方法，克服了文件格式轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，并將發(fā)明專利方法融入PBRT渲染機(jī)制，豐富了PBRT的渲染方法，實(shí)現(xiàn)了基于PBRT平臺(tái)對(duì)BIM模型的渲染，為BIM在民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)以及其他建筑方面的應(yīng)用提供助力。

參考文獻(xiàn)

[1]賀懷清，陳帥，劉浩翰，李建伏，惠康華。一種Metropolis光線追蹤自適應(yīng)兩階段采樣方法 .中國(guó).ZL 2017 1 0749597.3[P].202008

[2]Pharr，Matt，Jakob，Wenzel，Humphreys，Greg.Physically Based Rendering：From Theory to Implementation[M/CD].Morgan Kaufmann.2016年9月30日，https：//www.amazo.com.

[3]賀懷清，陳帥.一種針對(duì)MLT的采樣分布改進(jìn)算法[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（6） .

基金項(xiàng)目：中國(guó)民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110059178）

作者簡(jiǎn)介：何朝爽，2000.01，女，漢族，本科，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，學(xué)生，中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津，300000，廣西南寧。