一種基于服務(wù)的地面三維景觀模型網(wǎng)頁(yè)顯示系統(tǒng)

潘 欣，佘向飛

（長(zhǎng)春工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)技術(shù)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

隨著無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)技術(shù)的普及，人們可以很容易地收集一個(gè)區(qū)域景觀的三維數(shù)據(jù)；這些三維景觀可以作為旅游宣傳和虛擬交互的重要展示平臺(tái)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值[1]。當(dāng)前，很多基于網(wǎng)頁(yè)和移動(dòng)端的應(yīng)用均有較強(qiáng)的嵌入地面三維景觀交互顯示功能的需求，然而，傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)的顯示需要完成數(shù)據(jù)上傳、權(quán)限管理、控件與后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)等多種內(nèi)容，需要付出大量管理與代碼編寫(xiě)代價(jià)，這嚴(yán)重限制了三維景觀的使用與推廣[2-3]。

通過(guò)將關(guān)鍵功能封裝構(gòu)造網(wǎng)頁(yè)控件可以降低程序編碼的復(fù)雜性提高工作效率[4]。為了解決上述問(wèn)題，本研究提出了一種基于服務(wù)的地面三維景觀模型網(wǎng)頁(yè)顯示系統(tǒng)（A service-based web display system for ground 3D landscape models，（S3D-landscape）。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于服務(wù)的地面三維景觀模型網(wǎng)頁(yè)顯示系統(tǒng)總體包含4個(gè)組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S3D-landscape的總體組成結(jié)構(gòu)

S3D-landscape共包含了以下4個(gè)組成部分。

1.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分以服務(wù)器文件的形式存儲(chǔ)三維景觀數(shù)據(jù)，對(duì)于一個(gè)地區(qū)的三維景觀其數(shù)據(jù)包含：基于Mesh結(jié)構(gòu)的三維模型數(shù)據(jù)，用于三維顯示和交互；基于三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)自于數(shù)據(jù)生成的第一個(gè)階段（如利用無(wú)人機(jī)照片生成三維點(diǎn)云），這一數(shù)據(jù)是構(gòu)建Mesh和進(jìn)行一些典型空間計(jì)算的基礎(chǔ)；地理區(qū)域信息，以Polygon格式存儲(chǔ)的景觀所對(duì)應(yīng)的區(qū)域?；A(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要負(fù)責(zé)以“工程”的粒度管理在文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，并可以將文件轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流、利用三維模型形成快照?qǐng)D像。

1.1.2 數(shù)據(jù)管理與空間范圍查詢部分

數(shù)據(jù)管理與空間范圍查詢部分的主要功能是對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的內(nèi)容進(jìn)行增、刪、改、查的操作；對(duì)于Mesh和三維點(diǎn)云，該部分可以對(duì)模型的組成部分進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，對(duì)于三維點(diǎn)云可視化刪除冗余數(shù)據(jù)；對(duì)于空間位置信息，可以將其作為索引，進(jìn)行基于位置的空間范圍查詢。利用該部分，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一般數(shù)據(jù)管理操作。

1.1.3 三維展現(xiàn)部分

三維展現(xiàn)部分包含2個(gè)功能，一個(gè)是數(shù)據(jù)展現(xiàn)，為每個(gè)景觀模型建立局部的坐標(biāo)系統(tǒng)，將景觀模型放置在三維展現(xiàn)視角的中心位置；并通過(guò)調(diào)整攝像機(jī)位置和參數(shù)，展現(xiàn)景觀的不同效果；二是優(yōu)化傳輸功能，根據(jù)應(yīng)用和帶寬的需求傳輸部分、全部和可見(jiàn)視角的數(shù)據(jù)。

1.1.4 網(wǎng)頁(yè)顯示服務(wù)部分

整合數(shù)據(jù)管理與空間范圍查詢部分與三維展現(xiàn)部分的功能，建立網(wǎng)頁(yè)顯示服務(wù)。該部分服務(wù)可以嵌入到HTML的＜DIV＞標(biāo)簽之中，以一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)頁(yè)控件實(shí)現(xiàn)三維景觀數(shù)據(jù)的顯示。該服務(wù)僅需要輸入景觀數(shù)據(jù)的編號(hào)、視角的參數(shù)就可以在網(wǎng)頁(yè)加載過(guò)程中傳輸三維模型數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的內(nèi)容顯示出來(lái)，用戶可以和網(wǎng)頁(yè)控件交互來(lái)顯示三維景觀的不同內(nèi)容。

以上4個(gè)部分互相支撐，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分支持?jǐn)?shù)據(jù)管理與空間范圍查詢部分和三維展現(xiàn)部分；網(wǎng)頁(yè)顯示服務(wù)不直接和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交互，而是通過(guò)空間范圍查詢部分與三維展現(xiàn)部分交互部分的功能間接地獲取三維內(nèi)容；這樣的結(jié)構(gòu)一方面保證數(shù)據(jù)安全性，獲取服務(wù)方不能直接獲得數(shù)據(jù)真正的全部存儲(chǔ)路徑和內(nèi)容，另一方面保證靈活性，使得網(wǎng)頁(yè)顯示服務(wù)可以適應(yīng)更廣泛的場(chǎng)景和內(nèi)容。

1.2 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以文件管理、三維顯示作為設(shè)計(jì)的核心，系統(tǒng)靜態(tài)的類結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的類圖

系統(tǒng)的類結(jié)構(gòu)如下。

用于服務(wù)器文件管理的類：主要包含抽象的Server－File類，該類封裝了在服務(wù)器上文件管理的所有必要操作；該類的子類包含用于Mesh文件的MeshFile，用于三維點(diǎn)云的CloudFile和用于地理位置選定的ShapeFile；多組ServerFile共同組成FileGroup，每個(gè)FileGroup實(shí)例對(duì)應(yīng)一個(gè)地面景觀。

用于FileGroup管理的類：本系統(tǒng)使用Group類來(lái)管理FileGroup的增刪改查操作和基于空間范圍的檢索；該操作調(diào)用Modify和SpatialSearch來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的操作。Group還開(kāi)放了ManagerAPI接口，通過(guò)該接口可以調(diào)用Group類的所有功能。

用于三維顯示的類：本系統(tǒng)使用Display類來(lái)實(shí)現(xiàn)所有三維顯示功能，該類還開(kāi)放了DisplayAPI作為調(diào)用接口。Display類通過(guò)調(diào)用ViewPoint類和Transmission類來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能。對(duì)于Display所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過(guò)調(diào)用ManagerAPI接口間接獲得所有數(shù)據(jù)。

網(wǎng)頁(yè)服務(wù)功能類：系統(tǒng)通過(guò)WebDisplayServices類來(lái)對(duì)ManagerAPI接口和DisplayAPI接口進(jìn)行封裝，該類調(diào)用RESTFul實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能并利用Jason－Pararmeter類來(lái)封裝所有的參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)頁(yè)服務(wù)功能。

在以上類的支持下，在網(wǎng)頁(yè)中嵌入地面三維景觀顯示控件并展現(xiàn)三維內(nèi)容的過(guò)程如下。

1）在網(wǎng)頁(yè)的＜DIV＞標(biāo)簽中嵌入控件，根據(jù)頁(yè)面加載事件觸發(fā)異步的三維數(shù)據(jù)加載顯示功能。

2）指定需要獲取的數(shù)據(jù)文件的編號(hào)參數(shù)，指定顯示細(xì)節(jié)內(nèi)容參數(shù)，利用JasonParameter進(jìn)行封裝。

3）將封裝參數(shù)傳輸給ManagerAPI接口和Dis playAPI接口調(diào)用對(duì)應(yīng)功能，通過(guò)RESTfulFunction讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容，讀取完成后結(jié)束異步操作。

4）在＜DIV＞標(biāo)簽中調(diào)用畫(huà)板功能，繪制三維內(nèi)容。

5）依據(jù)用戶視角操作調(diào)整顯示細(xì)節(jié)參數(shù)并轉(zhuǎn)到步驟3）形成交互顯示的功能。

6）網(wǎng)頁(yè)顯示結(jié)束整個(gè)控件生命周期結(jié)束。

通過(guò)以上6個(gè)步驟，可以異步的、可交互的實(shí)現(xiàn)地面三維景觀的顯示功能。在S3D-landscape系統(tǒng)中，一次三維地面景觀顯示的協(xié)作過(guò)程如下。

一次三維地面景觀顯示的協(xié)作過(guò)程首先由系統(tǒng)使用者SystemUser發(fā)起（可以是使用系統(tǒng)的人也可以是外部調(diào)用服務(wù)的系統(tǒng)），SystemUser將視角的變化發(fā)送給Display類，Display類會(huì)綜合分析當(dāng)前所見(jiàn)內(nèi)容的地理位置和三維視覺(jué)中攝像機(jī)的位置朝向，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得空間范圍坐標(biāo)發(fā)送給SpatialSearch類，獲得的觀察者視角發(fā)送給ViewPoint類；ViewPoint類會(huì)在一個(gè)三維區(qū)域內(nèi)計(jì)算哪些地物可見(jiàn)或不可見(jiàn)，并建立可見(jiàn)內(nèi)容列表發(fā)送給SpatialSearch類。SpatialSearch類綜合空間位置和可見(jiàn)內(nèi)容進(jìn)行空間范圍查找，獲得在SystemUser可視范圍內(nèi)的三維景觀列表，并基于該列表選擇模型對(duì)照的文件組FileGroup。FileGroup依據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄找到服務(wù)器上的三維模型文件，之后啟動(dòng)ServerFile類的實(shí)例關(guān)聯(lián)該文件；ServerFile負(fù)責(zé)分塊地傳輸文件中的所有內(nèi)容，其初始化之后首先建立Transmission的實(shí)例；Transmission類建立與Display的網(wǎng)絡(luò)鏈接，并逐步地將ServerFile關(guān)聯(lián)文件的內(nèi)容傳輸給Display；在傳輸結(jié)束之后Display觸發(fā)重繪事件，重新繪制所有數(shù)據(jù)內(nèi)容，將三維景觀的內(nèi)容顯示給SystemUser。在該協(xié)作過(guò)程的幫助下，系統(tǒng)綜合利用系統(tǒng)內(nèi)部的6個(gè)類對(duì)視角變化到數(shù)據(jù)顯示的過(guò)程進(jìn)行了封裝；這一過(guò)程屏蔽了三維數(shù)據(jù)范圍查詢、服務(wù)器文件傳輸和三維內(nèi)容刷新顯示的復(fù)雜性，對(duì)于SystemUser，僅僅將視角變化的內(nèi)容發(fā)送給系統(tǒng)，就可以獲得對(duì)應(yīng)三維景觀數(shù)據(jù)內(nèi)容的顯示。通過(guò)這一協(xié)作過(guò)程，系統(tǒng)完成了控件化、服務(wù)化的地面三維景觀模型顯示功能，如圖3所示。

圖3 一次三維地面景觀顯示的協(xié)作過(guò)程

2 實(shí)驗(yàn)

本研究使用Python 3.8實(shí)現(xiàn)所有功能，系統(tǒng)可以部署在服務(wù)器上，客戶可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的功能。本系統(tǒng)也可以對(duì)外部系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，相關(guān)的服務(wù)功能可以通過(guò)Web Service模式提供地面景觀三維模型各種管理功能。

由于設(shè)計(jì)為基于服務(wù)的模式，系統(tǒng)的三維模型增、刪、改、查操作及交互和可視化功能均可以被其他系統(tǒng)調(diào)用。為了測(cè)試系統(tǒng)在簡(jiǎn)化調(diào)用方面的價(jià)值，本研究將傳統(tǒng)直接編寫(xiě)代碼模式和使用S3D-landscape嵌入模式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)在網(wǎng)頁(yè)中嵌入地面三維景觀顯示的編碼工作量進(jìn)行分析；對(duì)比實(shí)驗(yàn)引入長(zhǎng)春地區(qū)某軟件企業(yè)5名有經(jīng)驗(yàn)的程序員的工作數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含三維景觀模型各個(gè)階段開(kāi)發(fā)工作的工作量記錄，對(duì)比使用傳統(tǒng)模式與S3Dlandscape之后的工作量變化，每一階段編程工作均取5名程序員工作量的均值計(jì)算。具體對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)現(xiàn)地面三維景觀顯示的工作量對(duì)比

由表1可知，對(duì)于不同的程序設(shè)計(jì)階段S3D-landscape均可以有效地降低程序員的工作量。

對(duì)于軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)：在三維景觀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)階段，由于程序員需要考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)權(quán)限及文件編號(hào)等問(wèn)題，所以出傳統(tǒng)模式需要48.25 h；而在本系統(tǒng)輔助下僅需1.50 h。在三維景觀數(shù)據(jù)傳輸階段，該階段的關(guān)鍵問(wèn)題是如何將三維模型文件序列化為網(wǎng)絡(luò)流，此時(shí)需要進(jìn)行大量的傳輸狀態(tài)、流狀態(tài)、斷點(diǎn)續(xù)傳和多線程協(xié)同操作；此階段需要程序員工作77.5 h，以每天10 h計(jì)算，需要1名程序員超過(guò)一周的時(shí)間才可完成；對(duì)于此階段內(nèi)容利用本系統(tǒng)僅需要2.25 h，工作量和工作難度大大降低。對(duì)于網(wǎng)頁(yè)嵌入階段，該軟件企業(yè)原有的模式是調(diào)用成型的三維顯示控件，該控件本身具備較多的輔助功能，但是這些輔助功能不是專門(mén)為地面景觀三維顯示服務(wù)的，程序員需要在眾多參數(shù)中篩選并同時(shí)閱讀開(kāi)發(fā)文檔，所以開(kāi)發(fā)時(shí)間為34.75 h；而本系統(tǒng)由于功能相對(duì)較少，調(diào)用容易，所以僅需1.75 h。在交互實(shí)現(xiàn)部分，需要實(shí)現(xiàn)用戶鼠標(biāo)與顯示界面的交互，同時(shí)計(jì)算視角、方向坐標(biāo)的變化并進(jìn)一步顯示內(nèi)容，該部分在使用其他第三方控件的時(shí)候仍然會(huì)遇到原始控件功能過(guò)多，程序員調(diào)用和調(diào)試較為耗費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)時(shí)間需要48.00 h；而利用本系統(tǒng)，由于專門(mén)面向地面三維景觀交互，典型的交互手段已經(jīng)進(jìn)行了封裝，所以程序員僅需要1.25 h便可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能?？梢钥闯鯯3D-landscape可以極大地簡(jiǎn)化需要使用地面三維景觀的軟件開(kāi)發(fā)階段的工作量，S3D-landscape更加簡(jiǎn)化且更易于調(diào)用。

對(duì)于軟件產(chǎn)品的迭代與優(yōu)化：對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的功能優(yōu)化傳統(tǒng)方法需要16.25 h，而由于本系統(tǒng)提供的功能已經(jīng)進(jìn)行了較多專門(mén)針對(duì)性的優(yōu)化，所以僅需要1.50 h。在產(chǎn)品需求迭代階段，可能根據(jù)新的需求對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)容邏輯進(jìn)行修改，此時(shí)代碼的封裝性十分重要；如果直接編寫(xiě)代碼勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致地面三維景觀模型顯示的功能與軟件產(chǎn)品的業(yè)務(wù)邏輯緊耦合，增加功能修改難度；本系統(tǒng)將所有三維顯示功能進(jìn)行了封裝，使得軟件產(chǎn)品各個(gè)模塊直接耦合度降低，從而提高產(chǎn)品需求迭代的效率。在數(shù)據(jù)維護(hù)階段，系統(tǒng)已經(jīng)將相關(guān)操作原子化，所以相比傳統(tǒng)方法的8.00 h，利用本系統(tǒng)僅需要1.25 h。

由表1中可以看出，在開(kāi)發(fā)軟件產(chǎn)品時(shí)，實(shí)現(xiàn)地面三維景觀顯示這一功能的各個(gè)階段均需要大量的編程工作，而利用S3D-landscape可以顯著降低工作量。從總體上看，直接編寫(xiě)代碼模式總計(jì)需要243.50 h，即便對(duì)于一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)也是較難在短時(shí)間內(nèi)完成的。而利用S3D-landscape總計(jì)僅需要12.15 h，僅需要一名有經(jīng)驗(yàn)的程序員2 d便可完成。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，說(shuō)明本系統(tǒng)能夠顯著降低網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的工作量，可以有效提高相關(guān)軟件產(chǎn)品研發(fā)的效率。

3 結(jié)論

在很多宣傳和旅游的應(yīng)用與網(wǎng)頁(yè)程序中均需要顯示地面三維景觀數(shù)據(jù)以提高訪問(wèn)者的體驗(yàn)，然而實(shí)現(xiàn)這一功能需要大量的開(kāi)發(fā)工作來(lái)支撐。本研究提出了一種基于服務(wù)的地面三維景觀模型網(wǎng)頁(yè)顯示系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、存儲(chǔ)、顯示及網(wǎng)絡(luò)交互功能的封裝，該系統(tǒng)將復(fù)雜的編程工作轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的API調(diào)用工作；實(shí)驗(yàn)表明，利用本系統(tǒng)可以大大地降低開(kāi)發(fā)人員的工作量，使相關(guān)團(tuán)隊(duì)可以用較小的成本開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，且具有較高的使用價(jià)值。