CIM 數(shù)字底座輕量化關鍵技術研究

肖康 施晨歡 張彥鵬

（華建數(shù)創(chuàng)（上海）科技有限公司，上海 200011）

引言

2021 年5 月，住房和城鄉(xiāng)建設部頒布了《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》（修訂版），其中城市信息模型（City Information Modeling，CIM）被定義為“以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術為基礎，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構建起三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體[1]”。上海市住房城鄉(xiāng)建設管理委會同市經(jīng)信委于2022 年9月聯(lián)合印發(fā)《關于開展上海城市信息模型（CIM）底座建設的指導意見》，并充分運用最新的信息技術，歸集全市白模、精模、地下管線與構筑物、區(qū)域CIM 和工程建設BIM 等三維數(shù)據(jù)以及燃氣、交通路況等IoT數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)匯聚與管理、數(shù)據(jù)查詢與可視化等五類基礎功能開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)二三維一體化、動態(tài)靜態(tài)一體化、地上地下一體化和分層分級可視化展示等分析能力，基本建成住建行業(yè)CIM 平臺[2]。

CIM 發(fā)展和應用的基礎和前提是建立一個全要素、大場景、美觀又實用的數(shù)字城市三維時空底座。CIM數(shù)字底座建設中的主體框架是BIM+GIS，可輔助IoT采集視頻、傳感器等數(shù)據(jù)來構建整個CIM 數(shù)字底板。

目前，多源異構三維模型的集成與兼容仍存在諸多技術難點，主要體現(xiàn)在模型數(shù)據(jù)融合難、模型加載效率低及渲染性能差等問題[3]。而在實際CIM 項目建設過程中，三維數(shù)字底板模型部分多以三維手工建模、傾斜攝影為主，距離全場景承載BIM 模型的目標尚有差距[4]。

1 關鍵技術要點

1.1 技術路線

針對于這些實際項目中遇到的技術難點，本文提出了一套解決方案：

（1）針對于BIM 模型實現(xiàn)數(shù)模分離、壓縮優(yōu)化，并對OBJ、FBX 等格式三維人工建模模型進行模型輕量化；

（2）對所有類型的模型在治理優(yōu)化的基礎上統(tǒng)一形成.cim 的標準格式模型；

（3）自定義的.cim 格式支持雙向轉換，即從.cim轉出OBJ、FBX 等40+種格式；

（4）基于統(tǒng)一的.cim 格式，同時支持目前CIM 主流引擎—游戲引擎、WebGL 等多源引擎融合加載渲染，即用一套模型實現(xiàn)多引擎支持。

(2)地理上的集中本身就有助于商品制造者、供給者與顧客之間產(chǎn)生一種更為自由的信息傳播，相當數(shù)量的創(chuàng)新正是由于顧客需要和解決供給問題而產(chǎn)生的結果.

CIM 數(shù)字底座輕量化技術路線如圖1 所示。

圖1 CIM 數(shù)字底座輕量化技術路線

1.2 模型治理優(yōu)化工具

模型治理優(yōu)化工具的核心是對BIM 模型的輕量化。本文通過Revit 二次開發(fā)將BIM 模型的結構化的構件信息與非結構化的渲染信息數(shù)據(jù)進行壓縮優(yōu)化，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型采用對應的數(shù)據(jù)存儲方式進行分離存儲，以達BIM 模型的高度輕量化。其主要包括以下三個步驟：

（1）數(shù)模分離

首先提取模型中的幾何數(shù)據(jù)和模型中的非幾何數(shù)據(jù)，并建立構件幾何索引字典映射，自動分析幾何標高信息提取出當前幾何樓層信息，對非幾何數(shù)據(jù)進行去重、合并和優(yōu)化等操作，減小數(shù)據(jù)存儲量[5]。

（2）網(wǎng)格簡化

然后采用QEM 網(wǎng)格簡化算法結合權值計算及累積簡化誤差度量進行三角網(wǎng)格簡化，在不損失模型精細度的情況下簡化幾何特征值精度并計算最優(yōu)頂點收縮，使頂點數(shù)與三角面數(shù)減少以達到局部簡化最優(yōu)性[6]。

（3）壓縮優(yōu)化

將簡化后的構件幾何數(shù)據(jù)按每500個壓縮為一個包，拆解為N 份，根據(jù)拆分標識與幾何字典映射生成數(shù)據(jù)索引，并進行分塊壓縮，大幅降低BIM 模型的體積[7]。

圖2 BIM 模型輕量化流程

1.3 CIM 統(tǒng)一標準模型格式

本文提出的CIM 統(tǒng)一標準模型格式（.cim），主要分為索引數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)三部分。其中，.cim索引數(shù)據(jù)文件主要包含關聯(lián)模型、幾何分組、材質(zhì)索引、模型源點及模型版本等信息；.pack 幾何文件主要包含屬性索引、顏色、法線、頂點及UV 等信息；.cdp屬性數(shù)據(jù)文件主要包含基礎屬性（構件屬性）、屬性分組（關聯(lián)模型）、標高（樓層劃分）、房間（房間劃分）及版本等信息。通過數(shù)模分離、重新分類和無損壓縮，可以實現(xiàn)在多源引擎中使用WebWorker 多線程按需組裝加載[8]，各部分的模型格式組成如圖3 所示。

圖3 CIM 統(tǒng)一標準模型格式組成

1.4 多格式雙向轉換

人工建模模型的格式種類繁多，本文基于CIM 統(tǒng)一標準模型格式，將多達40 多種三維格式轉換為.cim，同時支持將.cim 格式轉換回原格式。通過.cim 模型插件對模型(.cim、.pack、.cdp)進行二進制解密，并對壓縮后的非結構化幾何數(shù)據(jù)進行重組，結構化屬性數(shù)據(jù)進行序列化操作，然后通過插件將整個模型加載至一個場景對象，此對象承載模型所有數(shù)據(jù)，包含節(jié)點、幾何、材質(zhì)和動畫等。

場景對象包含了場景根節(jié)點的引用，在根節(jié)點中包含了場景對象中所儲存數(shù)據(jù)的索引，每個節(jié)點都可以有多個子節(jié)點，形成模型節(jié)點樹。在節(jié)點中關聯(lián)場景對象的nMeshes 數(shù)組，此數(shù)組只存儲場景中網(wǎng)格數(shù)組的索引數(shù)據(jù)。場景下的Meshes 數(shù)組儲存了模型實際的Mesh 對象，Mesh 對象包含渲染所需要的所有相關數(shù)據(jù)，包含面、法向量、頂點位置、紋理坐標和材質(zhì)數(shù)據(jù)。一個Mesh 包含多個面、材質(zhì)對象，面包含了組成圖元的頂點的索引，表示點、三角形及方形類型的渲染圖元。由于頂點和索引是分開的，使用索引結構進行渲染大大提高了模型加載及處理的效率。材質(zhì)對象包含物體的材質(zhì)屬性，如顏色和紋理貼圖、漫反射和鏡面光貼圖等材質(zhì)相關屬性[9]，多格式雙向轉換流程如圖4 所示。

圖4 多格式雙向轉換流程

1.5 多源平臺引擎融合

目前CIM 主流的應用平臺以由Unreal Engine 為代表的游戲引擎和基于網(wǎng)頁端的WebGL 引擎組成。游戲引擎以三維可視化、渲染效果為主，WebGL 引擎則側重于業(yè)務系統(tǒng)的建設[10]。這兩大類引擎對于三維模型的格式、存儲和傳輸各有不同的方式，在項目中往往需要兩套獨立的模型數(shù)據(jù)。本文基于所提出的CIM 統(tǒng)一標準模型格式，即可實現(xiàn)后臺同一套模型數(shù)據(jù)，游戲引擎和WebGL 同時讀取、加載和渲染的目標，從而實現(xiàn)多源平臺引擎融合。

2 技術實現(xiàn)

2.1 模型治理優(yōu)化工具

針對于“重量級”BIM 模型可在本地生成輕量化包手動上傳至云平臺，減少模型處理失敗，網(wǎng)絡不穩(wěn)定傳輸造成的處理失敗問題，同時支持將輕量化壓縮包進行本地部署，提高模型加載效率與模型安全性。上傳至云平臺是指在本地環(huán)境中將模型預處理后的輕量級壓縮包上傳至云平臺進行后續(xù)壓縮計算，有著不占用本地資源，批量處理的優(yōu)勢。

基于自定義可控的CIM 標準格式模型，可以解析BIM 模型構件，進行構件級別精細化管理和信息統(tǒng)計匯總，如圖5 所示。

圖5 構件級別精細化管理和信息統(tǒng)計匯總

2.2 CIM 統(tǒng)一標準模型格式

本文以一座上海市歷史保護建筑的BIM 模型為例，按照圖2 的技術流程對BIM 進行數(shù)模分離、壓縮優(yōu)化等處理，形成統(tǒng)一的標準模型格式(.cim)，原始模型大小118MB，無損輕量化后的大小為9.7MB，模型文件組成部分如圖6 所示。

圖6 CIM 統(tǒng)一標準模型格式

2.3 多格式雙向轉換

本文以.fbx 格式為例，通過開發(fā)轉換腳本，實現(xiàn).cim格式與.fbx 格式的雙向轉換，轉換過程如圖7 所示，轉換結果如圖8 所示。

圖7 多格式雙向轉換腳本

圖8 多格式雙向轉換結果

2.4 多源平臺引擎融合

基于CIM 標準格式模型，實現(xiàn)大屏端、PC 端、移動端等多終端和跨平臺支持，針對目前CIM 主流的基于游戲引擎和WebGL 兩大類引擎，從模型和平臺層面實現(xiàn)了多源引擎的融合。

2.4.1 基于游戲引擎渲染可視化

通過CIM 配套的游戲引擎插件提取模型的頂點數(shù)據(jù)、法線、紋理坐標，重新解析并采用數(shù)組結構分散儲存為游戲引擎支持的Vertices、Normals、TextureCoords、Faces 數(shù)據(jù)，在游戲引擎內(nèi)部采用ProceduralMesh、CreateMeshSection、GetAllFilesInDirectory、FindMeshInfo、LoadMesh 等函數(shù)還原為原始模型，同時該插件支持在UE 引擎下Runtime 模式中實時讀取模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn).cim 模型的無損轉換渲染及運行時動態(tài)加載，技術路線如圖9 所示，渲染效果如圖10 所示。

圖9 基于游戲引擎的加載、渲染技術路線

圖10 基于游戲引擎的無縫加載、渲染

2.4.2 基于WebGL 引擎渲染可視化

在模型渲染展示時，首先發(fā)起渲染請求，模型云平臺收到請求后反饋回模型索引數(shù)據(jù)，前端根據(jù)索引數(shù)據(jù)通過Web Worker 多線程請求與解壓處理模型數(shù)據(jù)包，并解析相應的幾何數(shù)據(jù)，在前端進行渲染，技術路線如圖11 所示，渲染效果如圖12 所示。

圖11 基于WebGL 引擎加載、渲染技術路線

圖12 基于WebGL 引擎加載、渲染結果

3 實現(xiàn)效果

輕量化結果與市場主流的BIMFace、盈嘉互聯(lián)、葛蘭岱爾和易景空間等4 個品牌等進行了定量比較，基于原始大小118.6M 的模型文件，從輕量化結果、前端加載大小、加載渲染時間和壓縮比率4 個維度進行了分析統(tǒng)計。本次實現(xiàn)的輕量化成果均占據(jù)明顯的優(yōu)勢，優(yōu)化后模型文件相比原始文件減少 92%，優(yōu)化后模型前端加載量相比原始文件減少 98.5%，模型加載渲染僅耗時1.9 s，比較結果如圖13 所示。

圖13 與市場主流品牌定量比較

4 總結與展望

本文提出的CIM 數(shù)字底座輕量化關鍵技術已經(jīng)在多個項目中實際落地，具有很大的應用價值，主要歸納為三個方面：

（1）完善了CIM 數(shù)據(jù)融合機制。模型治理優(yōu)化工具將常用三維模型格式統(tǒng)一為CIM 標準模型文件格式(.cim) ，為CIM 提供完整的模型數(shù)據(jù)融合機制；

（2）提高了CIM 模型加載渲染效率。輕量化模型在保證模型精度、構件屬性不丟失的情況下，能夠基于多源引擎平臺大幅提高模型渲染效率。為CIM+應用、智慧園區(qū)、智慧工地等應用場景提供從宏觀到微觀、從室外到室內(nèi)不同空間場景中無縫銜接、切換和瀏覽；

（3）實現(xiàn)了模型在幾何實體、承載信息等方面的精簡、轉換、縮減的過程。減少重復性人工模型簡化工作，加快項目交付。