使用Cesium集成展示DGN模型數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)研究

張耀允,戴 瑋,孫 莉

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，BIM應(yīng)用的深度逐漸增加，在建筑的全生命周期都開始應(yīng)用。BIM的核心是信息流，三維模型的角色是信息載體，因此，如何將BIM模型從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段推廣到施工和運(yùn)維階段，是設(shè)計(jì)人員一個(gè)努力的重要方向。

在各類施工和運(yùn)維管理系統(tǒng)中，大多數(shù)是瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)和Web網(wǎng)頁運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)在頁面中瀏覽查詢?nèi)S模型，從而更加方面、快捷、形象地管理建筑信息，離不開Web 3D技術(shù)的支持，而WebGL則是當(dāng)前主流的Web 3D解決方案[1]。

設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)格式主要是針對設(shè)計(jì)階段，包含很多設(shè)計(jì)參數(shù)和歷史信息，因此不適合直接應(yīng)用在施工和運(yùn)維階段進(jìn)行Web開發(fā)。因此，探索從設(shè)計(jì)模型輸出成WebGL支持的數(shù)據(jù)格式，是解決問題的關(guān)鍵所在。

1 DGN、WebGL與Cesium介紹

DGN數(shù)據(jù)格式是美國Bentley工程系列軟件的通用格式，廣泛應(yīng)用于交通、水利、建筑等工程建設(shè)領(lǐng)域。DGN數(shù)據(jù)格式適應(yīng)建筑信息模型(BIM)的需求，通過其EC Framework支持工程屬性的定制和開發(fā)。

WebGL是一種3D繪圖標(biāo)準(zhǔn)，這種繪圖技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許把JavaScript和OpenGL ES 2.0結(jié)合在一起，為HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，可被用于創(chuàng)建具有復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的網(wǎng)站頁面。由于各大瀏覽器和移動(dòng)系統(tǒng)都對WebGL標(biāo)準(zhǔn)有著良好的支持，使得在Web頁面上展現(xiàn)三維場景不再需要另外安裝插件，WebGL的應(yīng)用前景非常可觀。

當(dāng)前流行的WebGL的JavaScript框架很多，基于這些函數(shù)庫，可以快速搭建效果很好的三維Web應(yīng)用，其中CesiumJS是比較流行的開源框架。CesiumJS是一個(gè)三維地理信息WebGL函數(shù)庫。CesiumJS的三維圖形數(shù)據(jù)格式為gltf,具有數(shù)據(jù)體積小、讀入快等優(yōu)點(diǎn)?；趃ltf開發(fā)的3D Tiles建立了空間索引，實(shí)現(xiàn)了大量三維圖形的分步分塊加載。

2 關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換

三維建模軟件及三維CAD軟件的數(shù)據(jù)格式不同于用于渲染的數(shù)據(jù)格式，一般存儲(chǔ)的是圖形參數(shù)和工程屬性信息。在圖形方面，這種數(shù)據(jù)格式可以方便建模及模型修改，但是顯示及渲染效率遠(yuǎn)不如面片格式；在工程屬性方面，存儲(chǔ)在設(shè)計(jì)文件中的工程屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要解析才能讀取。因此，需要將設(shè)計(jì)模型的圖形三角化為面片格式，同時(shí)將設(shè)計(jì)模型的工程屬性轉(zhuǎn)換輸出，從而實(shí)現(xiàn)web端的渲染顯示及屬性顯示。

因?yàn)槿S建模軟件及三維CAD軟件的格式一般是不公開的，借助中間格式會(huì)有很多的信息丟失[3]，所以需要使用其API編寫專門的程序完成圖形三角化、數(shù)據(jù)優(yōu)化及輸出工作[4]。

2.2 空間索引的建立

在輸出為3D Tiles時(shí)，首先需要根據(jù)三維數(shù)據(jù)的空間分布特點(diǎn)，建立空間索引。常用的空間索引有規(guī)則格網(wǎng)、四叉樹、八叉樹和kd樹等形式，如圖1所示。每個(gè)索引單元的大小，可以根據(jù)數(shù)據(jù)量或空間尺寸確定。

圖1 空間索引示例(四叉樹)

在空間索引建立后，每一個(gè)塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)細(xì)節(jié)的不同，可以輸出成不同精細(xì)或豐富程度的模型。三維信息模型不同于數(shù)字地表模型，屬于三維的矢量數(shù)據(jù)，每個(gè)元素代表一個(gè)構(gòu)件,所以在細(xì)節(jié)展示方面，綜合使用三角面片簡化和細(xì)節(jié)子元素刪減兩種策略。

三角面片簡化對于曲面的簡化效果較好，根據(jù)角度、弦弧差、三角面尺寸等參數(shù)，可以有效地簡化組成元素的曲面，如圖2所示。細(xì)節(jié)子元素刪減適用于復(fù)雜的元素簡化，通過尺寸、重要性等參數(shù)的選定，可以簡化不必要的子元素，如圖3所示。

同一塊索引單元內(nèi)的模型，輸出不同精度的文件，通過空間索引機(jī)制，根據(jù)屏幕的實(shí)際地理尺度，調(diào)取不同精度的模型文件。

圖2 三角面片簡化(吊索錨固端)

圖3 細(xì)節(jié)子元素刪減(索塔段)

2.3 地理坐標(biāo)的換算

三維建模軟件及三維CAD軟件中，使用的大都是笛卡爾直角坐標(biāo)系。而在建筑信息模型的生產(chǎn)中，一般采用局部坐標(biāo)系或空間投影坐標(biāo)系。因此需要將模型區(qū)域的基點(diǎn)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系，才能實(shí)現(xiàn)三維地理信息場景中數(shù)據(jù)的地理疊加。

基準(zhǔn)點(diǎn)換算完畢后，需要計(jì)算該點(diǎn)在地理橢球面上的法向量，從而得到旋轉(zhuǎn)矩陣，實(shí)現(xiàn)模型的地理疊加。CesiumJS及大多數(shù)三維地理信息場景的地球使用的是WGS 84地理坐標(biāo)系，而加載模型使用的是地心直角坐標(biāo)系(earth-centered,earth-fixed,ECEF)。因此總體的換算流程如圖4所示。

圖4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程

2.4 CAD平臺(tái)軟件的二次開發(fā)

MDL是Microstation提供的二次開發(fā)語言及其函數(shù)庫，借助MDL實(shí)現(xiàn)對DGN文件中圖形及其屬性的獲取，轉(zhuǎn)換為gltf格式[5]。根據(jù)已經(jīng)建立的空間索引規(guī)則，判斷該元素所屬的文件塊，并輸出為3D Tiles的切片文件b3dm格式。

2.5 顯示程序的開發(fā)和優(yōu)化

顯示程序在CesiumJS基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型交付成果的加載顯示。由于設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為3D Tiles之后，為保證顯示效果，圖形顯示壓力一般比較大。信息模型用戶瀏覽三維圖形的習(xí)慣明顯不同于三維游戲用戶，其特點(diǎn)包括關(guān)注模型位置及相互關(guān)系、鼠標(biāo)交互操作頻率較低、一般全局視角、瀏覽隨意、場景變換頻繁、模型元素需要從網(wǎng)絡(luò)下載等。

針對這些特點(diǎn)開發(fā)場景加速器程序，減少場景旋轉(zhuǎn)顯示壓力，按需加載各類數(shù)據(jù)，明顯提升了圖形顯示效率。

3 項(xiàng)目應(yīng)用

以某長江公路大橋左汊懸索橋?yàn)槔湓O(shè)計(jì)模型使用Bentley的Microstation和Open Bridge Modeler完成三維信息模型創(chuàng)建。內(nèi)容包含大橋所有的結(jié)構(gòu)物，以及支座、護(hù)欄、排水設(shè)施、伸縮縫、樓梯、標(biāo)志標(biāo)線等主要設(shè)施，設(shè)計(jì)文件大小總計(jì)2.81 GB。

使用基于Microstation二次開發(fā)的程序，提取場景的幾何中心為模型的基準(zhǔn)點(diǎn)，換算為WGS 84下的ECEF坐標(biāo)并完成旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算。讀取與解析DGN文件中的工程屬性字段，輸出為mongodb數(shù)據(jù)庫。

空間索引采用規(guī)則格網(wǎng)加四叉樹，模型文件建立L3、L4、L5三種精細(xì)程度。轉(zhuǎn)換為3D Tiles后，模型文件總數(shù)量超過1 000個(gè)，總大小為3.17 GB。將數(shù)據(jù)加載至Web前端進(jìn)行渲染，如圖5所示，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了橋梁養(yǎng)護(hù)相關(guān)的應(yīng)用功能，總體運(yùn)行效果良好。

圖5 利用WebGL渲染長江大橋

4 結(jié)束語

在DGN模型的處理及加載顯示過程中，還有一些問題尚未得到理想的解決：

(1)設(shè)計(jì)模型不標(biāo)準(zhǔn)。同一文件中，有的構(gòu)件以組形式存在，有的以圖層形式存在，造成在轉(zhuǎn)換過程中構(gòu)件劃分方法不一致。因此，需要建立統(tǒng)一的三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證圖形、屬性的規(guī)范化。

(2)內(nèi)存釋放機(jī)制。受限于Cesium的基礎(chǔ)框架限制，很多模型雖然不在場景中渲染，但是依舊會(huì)保留在內(nèi)存中。這一方面是保證模型再次顯示的效率，但是也加大了內(nèi)存的存儲(chǔ)壓力。如何在二者之間尋求平衡需要進(jìn)一步研究。

此外，隨著傾斜攝影測量及實(shí)景建模、遙感、GPS、BIM集成的需求越來越多[6],如何更加高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是需要一直研究解決的關(guān)鍵問題。