面向Web的地下洞室群模型加載與渲染優(yōu)化設(shè)計(jì)

張澍 張歆

摘要：為解決BIM大規(guī)模三維場景給WebGL管線帶來的渲染壓力，結(jié)合水電站地下洞室群的結(jié)構(gòu)、分布特點(diǎn)對數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度策略進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化。通過對比分析BIM和GIS中的LOD處理方式，設(shè)計(jì)了兼顧模型詳細(xì)程度和發(fā)展程度的雙重LOD處理機(jī)制；通過研究傳統(tǒng)金字塔型索引的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間劃分方式，設(shè)計(jì)了綜合多種樹結(jié)構(gòu)的能夠自動(dòng)調(diào)整邊界的空間索引結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于漸近加載的動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，測試表明該方法提高了大規(guī)模BIM模型在WebGL上的渲染效率和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：地下洞室群； 模型加載； 模型渲染； BIM； LOD； WebGL； Cesium

中圖法分類號： TV738

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.023

0引 言

BIM技術(shù)貫穿了工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等各個(gè)階段，為實(shí)現(xiàn)水利水電工程的智慧化管理提供了堅(jiān)實(shí)助力［1-4］。隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，借助互聯(lián)網(wǎng)WebGL技術(shù)，將大規(guī)模地下洞室群的BIM模型通過Web瀏覽器進(jìn)行展示，成為地下工程BIM技術(shù)發(fā)展的趨勢。通過BIM與WebGL技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建WebBIM工程可視化云平臺，可以幫助用戶脫離專業(yè)軟件平臺和客戶端的限制，降低BIM技術(shù)應(yīng)用的門檻，借助互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺實(shí)時(shí)共享［5-7］。盡管BIM模型有以上優(yōu)點(diǎn)，但在網(wǎng)絡(luò)端的傳輸、渲染效率方面的問題也亟待解決。

BIM模型的輕量化方面已經(jīng)比較成熟，常用做法是將模型轉(zhuǎn)換為3d Tiles并通過Cesium的接口加載，以解決BIM模型在網(wǎng)絡(luò)端的傳輸問題［8-10］。但以目前的網(wǎng)絡(luò)寬帶和客戶端設(shè)備性能而言，一次性加載和渲染大量的模型數(shù)據(jù)，常常造成GPU負(fù)載過重頁面卡頓甚至畫面撕裂，因此提高渲染效率和穩(wěn)定性非常重要。

集成BIM與WebGL技術(shù)開發(fā)的三維可視化平臺已有不少成功的案例，但大多數(shù)應(yīng)用于民用建筑領(lǐng)域，而針對地下洞室群這種大規(guī)模、多跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維場景，加載策略需要進(jìn)一步研究。很多學(xué)者都在其平臺構(gòu)建過程中通過加入LOD處理、空間索引結(jié)構(gòu)等策略，提高模型的渲染效率。但其實(shí)驗(yàn)對象多為城市建筑模型［11-12］，而地下洞室群在建筑結(jié)構(gòu)、空間分布上都有其自身的特點(diǎn)，直接套用這些策略可能無法滿足工程可視化的需求。

為了減少大規(guī)模三維場景給WebGL管線的渲染壓力，本文面向Web瀏覽器，把LOD處理、空間索引結(jié)構(gòu)與三維場景數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度算法相結(jié)合，對模型的加載和渲染過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1地下洞室群模型LOD處理

對于地下洞室群模型這類大規(guī)模的三維場景來說，用戶往往會(huì)更加關(guān)注某一區(qū)域的建筑結(jié)構(gòu)或者設(shè)備情況，因此可以對整體模型數(shù)據(jù)采取分塊組織的形式。而針對不同區(qū)域模型存在的重要度差異問題，LOD技術(shù)會(huì)根據(jù)人體視覺獲取物體特征的特點(diǎn)，對距離場景相機(jī)視點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域模型進(jìn)行模糊化處理，采用細(xì)節(jié)少的低精度瓦片進(jìn)行渲染；而對于距離相機(jī)視點(diǎn)近、需要重點(diǎn)觀察的區(qū)域模型則采用細(xì)節(jié)豐富的高精度瓦片進(jìn)行渲染，從而加快場景的渲染效率，實(shí)現(xiàn)模型的平滑過渡。本文對BIM和GIS領(lǐng)域中LOD劃分的特點(diǎn)和差異進(jìn)行對比和分析，并結(jié)合地下洞室群模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出符合實(shí)際工程需求的LOD處理機(jī)制。

1.1建筑信息模型LOD

在BIM領(lǐng)域中，LOD定義為模型的發(fā)展程度，即Level of Development。BIM Forum編制了專門的建筑信息模型LOD規(guī)范，對于各級LOD的定義見表1。

1.2地理信息模型LOD與BIM領(lǐng)域不同，GIS領(lǐng)域?qū)OD的定義為模型的詳細(xì)程度，即Level of Details。GIS行業(yè)的通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CityGML（City Geometry Mark Language）將建筑模型的LOD分為LOD0～LOD4，共5種不同細(xì)節(jié)層次的表達(dá)方式［13］，具體定義見表2。

1.3兩種LOD對比

（1） BIM對模型LOD的劃分側(cè)重于對模型發(fā)展階段的表示，但對于可視化而言，這種精細(xì)度很高的模型在渲染過程中會(huì)給系統(tǒng)或?yàn)g覽器帶來沉重的負(fù)擔(dān)；而GIS對模型LOD的劃分則更側(cè)重于可視化展示，主要關(guān)注模型結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系而忽略了屬性信息的差異。因此將GIS中LOD的概念引入，結(jié)合兩者的優(yōu)勢會(huì)更有效地提高三維空間數(shù)據(jù)的可視化效率和質(zhì)量。

（2） 與應(yīng)用于BIM和GIS領(lǐng)域的工民建類建筑模型相比，水電站的地下洞室群在空間地理分布以及建筑結(jié)構(gòu)特征上都存在著很大的差異。首先，在地理分布方面，工民建領(lǐng)域主要以城市建筑或住宅模型為主，這些模型往往位于平原等視野開闊的地區(qū)，有地圖影像作為形狀及位置的依據(jù)，各建筑物之間獨(dú)立存在，方便構(gòu)建矢量模型；而水電站的地下洞室群一般位于山體之中，并以洞室群的形式呈現(xiàn)，建筑物之間的聯(lián)系較為緊密，不宜構(gòu)建矢量模型。

（3） 在建筑結(jié)構(gòu)方面，工民建領(lǐng)域中無論是商業(yè)建筑還是居民住宅，受到環(huán)境影響較小，在結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，更加重視建筑的美觀性，在建筑物外部存在很多的門、窗、幕墻、天窗等結(jié)構(gòu)，因此在LOD的劃分中需要分為粗糙輪廓模型和精細(xì)輪廓模型；而地下洞室群由于處于山腹之中，需要考慮地應(yīng)力以及滲流水壓力的影響，因此更加重視結(jié)構(gòu)的安全性，建筑物外部也以“密封”形式為主，因此無需進(jìn)行外部輪廓精細(xì)度的區(qū)分。

1.4雙重LOD處理機(jī)制設(shè)計(jì)

在對地下洞室群特點(diǎn)進(jìn)行充分剖析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)模型將整個(gè)地下洞室群建筑信息模型劃分為5個(gè)LOD等級，分別用于關(guān)注模型中的不同組成部分，如圖1所示，各級LOD定義和用途見表3。

2地下洞室群空間索引結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙重LOD處理機(jī)制將整個(gè)地下洞室群模型劃分為5個(gè)不同層級的模型瓦片，但是不同層級的瓦片間沒有明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同一層級瓦片內(nèi)部的模型分布又處于散亂的狀態(tài)。若使用這樣無序組織的數(shù)據(jù)進(jìn)行場景繪制，在場景發(fā)生變換時(shí)需要耗費(fèi)大量的空間運(yùn)算才能確定當(dāng)前視域內(nèi)的數(shù)據(jù)集合，難以達(dá)到快速、穩(wěn)定的展示效果，影響用戶的可視化體驗(yàn)。因此，針對地下洞室群工程這樣的大規(guī)模、復(fù)雜三維場景，需要建立高效的空間索引為數(shù)據(jù)調(diào)度提供支持，以提高數(shù)據(jù)的查詢和可視化效率。

2.1傳統(tǒng)空間索引結(jié)構(gòu)

目前，較為常用的空間索引為金字塔型結(jié)構(gòu)［14］，這種索引結(jié)構(gòu)可以在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速調(diào)度的同時(shí)，準(zhǔn)確表達(dá)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。金字塔型索引結(jié)構(gòu)按照空間劃分方式可以細(xì)分為四叉樹、K-d樹和八叉樹等主要結(jié)構(gòu)。Cesium采用的3dTiles一般采用八叉樹或四叉樹結(jié)構(gòu)［15-17］。

2.2多元自適應(yīng)型空間索引結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地下洞室群受到地質(zhì)賦存環(huán)境的影響，主要洞室（如廠房洞、主變洞）的位置會(huì)特意避開斷層和裂隙作用帶，同時(shí)為了滿足發(fā)電需求，要求進(jìn)水口和機(jī)組之間擁有一定的高程差和較長的壓力管道，因此整個(gè)模型在空間上并不是均勻分布。另外，地下洞室群建筑物內(nèi)的模型聯(lián)系十分緊密，而傳統(tǒng)樹結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的子空間劃分方式導(dǎo)致模型被多個(gè)子空間割裂，在多個(gè)子空間瓦片內(nèi)部重復(fù)存儲。

在考慮地下洞室群空間分布特點(diǎn)的情況下，設(shè)計(jì)出具有自適應(yīng)性的空間索引結(jié)構(gòu)。這種新型結(jié)構(gòu)在多種樹結(jié)構(gòu)靈活組合的基礎(chǔ)上，對其空間劃分方式進(jìn)行修改，使其能夠靈活地改變空間邊界，避免模型割裂現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高存儲空間的利用效率。其設(shè)計(jì)原理如圖2所示。主要步驟如下：

（1） 初始化根節(jié)點(diǎn)。獲取場景中包含所有地下洞室群建筑模型的最小包圍體，即包含LOD0～LOD4級模型在內(nèi)的六面體包圍盒，其邊界與Revit坐標(biāo)軸平行，記錄該包圍盒的信息并與LOD0級模型瓦片一起組成根部節(jié)點(diǎn)。

（2） 快速定位主要功能建筑。采用八叉樹結(jié)構(gòu)對根節(jié)點(diǎn)的包圍盒進(jìn)行空間劃分，定位主要建筑物（如：主廠房、副廠房、主變室、調(diào)壓室、壓力管道、交通井等）的位置，記錄劃分后的子空間包圍盒并與其中的LOD1級模型瓦片組成一級子節(jié)點(diǎn)。

（3） 快速定位建筑層級結(jié)構(gòu)?？紤]到地下洞室群中主要建筑（如主廠房、副廠房及主變室）都為多樓層結(jié)構(gòu)，因此采用二叉樹結(jié)構(gòu)在高程方向?qū)σ患壸庸?jié)點(diǎn)的包圍盒進(jìn)行空間劃分，定位不同樓層結(jié)構(gòu)的高程位置，記錄劃分后的子空間包圍盒并與其中的LOD2級模型瓦片組成二級子節(jié)點(diǎn)。

（4） 劃分層間模型區(qū)域。由于樓層中模型的高程分布相對統(tǒng)一，因此采用四叉樹結(jié)構(gòu)在樓層所在的高程平面上對二級子節(jié)點(diǎn)的包圍盒進(jìn)行空間劃分，對層間的機(jī)電設(shè)備模型進(jìn)行區(qū)域劃分，記錄劃分后的子空間包圍盒并與其中的LOD3級機(jī)電模型瓦片組成三級子節(jié)點(diǎn)。

（5） 快速定位單體模型位置。在三級節(jié)點(diǎn)的包圍盒中仍存在多種類型的模型構(gòu)件，由于他們都在一個(gè)樓層平面上，因此繼續(xù)采用四叉樹結(jié)構(gòu)對該包圍盒進(jìn)行劃分，直至包圍盒的大小達(dá)到閾值或包圍盒內(nèi)的模型不可再分。記錄此時(shí)的子包圍盒并與LOD4級的高精度單體模型瓦片組成葉子節(jié)點(diǎn)，完成整個(gè)空間索引樹結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。

2.3包圍盒邊界自適應(yīng)調(diào)整算法

在空間劃分過程中，針對模型割裂的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)自適應(yīng)算法對包圍盒的邊界進(jìn)行調(diào)整。算法設(shè)計(jì)原理如圖3所示。主要步驟如下：

（1） 將父包圍盒等分為若干個(gè)體積相同的子包圍盒，用每個(gè)子包圍盒去獲取所有形心在其內(nèi)部的模型集合。

（2） 對于子包圍盒內(nèi)的模型幾何進(jìn)行遍歷，獲取每個(gè)模型的包圍盒信息，組成一個(gè)包含所有模型在內(nèi)的最小包圍盒。

（3） 根據(jù)得到的最小包圍盒對子包圍盒進(jìn)行邊界調(diào)整。調(diào)整后的包圍盒邊界更適合地下洞室群中建筑物非均勻分布的實(shí)際情況，并且允許子包圍盒的部分空間重合。此外，調(diào)整后的包圍盒邊界避免了對模型的割裂，也減少了樹結(jié)構(gòu)中的空白區(qū)域，提高了數(shù)據(jù)存儲的效率。

3漸進(jìn)加載設(shè)計(jì)

在完成模型雙重LOD處理的基礎(chǔ)上，采用漸進(jìn)加載的方法可以幫助GPU動(dòng)態(tài)選擇合適可視化層級的瓦片進(jìn)行繪制，進(jìn)一步減輕渲染的負(fù)擔(dān)［18-19］。

漸進(jìn)加載本質(zhì)上是一種基于視錐體的渲染優(yōu)化策略，它會(huì)根據(jù)視錐體內(nèi)部三維瓦片與相機(jī)視點(diǎn)的距離決定其加載的分辨率級別。相機(jī)視點(diǎn)拉近，屏幕中的模型數(shù)量變少，精度提高，需要更高LOD等級的三維瓦片；相機(jī)視點(diǎn)拉遠(yuǎn)，屏幕中模型數(shù)量變多，精度下降，可以使用較低LOD等級的瓦片來減輕渲染壓力。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采用屏幕空間誤差作為瓦片更換的判斷依據(jù)［20］，其計(jì)算原理如圖5所示。

在相機(jī)視點(diǎn)變化的過程中，計(jì)算機(jī)會(huì)不斷計(jì)算瓦片的屏幕空間誤差e，并與設(shè)定閾值ε（本文設(shè)定為2個(gè)像素）相比，當(dāng)e＞ε時(shí)，則加載下一LOD等級的瓦片來替換當(dāng)前瓦片；當(dāng)e＜ε時(shí)，則保留當(dāng)前瓦片進(jìn)行渲染。

在漸進(jìn)加載的基礎(chǔ)上，采用以增加為主、替換為輔的方式來進(jìn)行過渡。在地下洞室群模型加載的過程中，首先只加載LOD0的地質(zhì)模型，隨著視點(diǎn)的逐漸拉近，會(huì)在地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上再逐步增加地下洞室群的外部結(jié)構(gòu)模型（LOD1）、內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型（LOD2）以及機(jī)電設(shè)備模型（LOD3）；當(dāng)視角完全集中在某個(gè)模型構(gòu)件時(shí)，會(huì)用更高精度的單體模型來替換當(dāng)前模型，并且會(huì)將模型的語義信息綁定在高精度模型上，從而實(shí)現(xiàn)模型信息的全方位感知，如圖6所示。這種將增加與替換結(jié)合的LOD策略，不僅能夠減少場景加載過程中三角面片的繪制數(shù)量，而且能更好地實(shí)現(xiàn)模型的平滑過渡，給人以更好的可視化體驗(yàn)。但是由于視角內(nèi)能夠觀察到的模型有限，因此還需要對每個(gè)LOD層級的模型（LOD1～LOD4）進(jìn)行分塊處理，來實(shí)現(xiàn)模型的分區(qū)展示。

4實(shí)例驗(yàn)證

采用Cesium，選取精細(xì)度中等的glTF模型切片制作的地下洞室群三維瓦片，對本文提出的模型加載與渲染優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。模型如圖7所示。

首先對模型分別進(jìn)行LOD處理和劃分空間索引結(jié)構(gòu)，將得到的模型在瀏覽器客戶端中加載，觀察其加載過程中的幀率變化，如圖8所示。其中系列1為模型直接加載，系列2為模型劃分空間結(jié)構(gòu)后加載，系列3為模型LOD處理后加載，系列4為模型LOD處理和劃分空間結(jié)構(gòu)后加載。

從圖8可以看出：LOD處理后的模型在場景繪制過程中很快（2 s內(nèi)）就達(dá)到了幀率峰值60FPS附近，并一直保持在穩(wěn)定的峰值水平；而未經(jīng)LOD處理的模型在場景繪制過程中幀率緩慢上升，直到10 s時(shí)才接近幀率峰值，并且還會(huì)出現(xiàn)掉幀的現(xiàn)象，由此可以證明LOD處理在加快模型渲染效率、提高可視化水平方面起到了重要的作用。

然后在場景幀率穩(wěn)定之后，對不同處理方式得到的模型分別進(jìn)行縮放、漫游等操作，按照外部山體-山體內(nèi)部建筑-廠房內(nèi)部-機(jī)電設(shè)備的漫游路線，觀察場景切換過程中的幀率變化情況，如圖9所示。

從圖9可以看出：劃分空間索引結(jié)構(gòu)和采用漸進(jìn)加載后的模型在場景變換時(shí)幀率的變化波動(dòng)更小，并且?guī)史逯档姆€(wěn)定方面也表現(xiàn)得更好，由此可以證明合理的空間結(jié)構(gòu)劃分對于保持場景的渲染水平、提高可視化水平具有重要的作用。

5結(jié) 論

（1） 本文分析了BIM和GIS中的LOD處理方式，結(jié)合地下洞室群空間分布不均勻和內(nèi)部聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，提出兼顧模型詳細(xì)程度和發(fā)展程度的雙重LOD處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了不同層級重點(diǎn)關(guān)注不同的模型。

（2） 通過研究傳統(tǒng)金字塔型索引的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間劃分方式，在綜合多種樹結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了能夠自動(dòng)調(diào)整邊界的空間索引結(jié)構(gòu)，能夠靈活地改變空間邊界，避免模型割裂現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高存儲空間的利用效率和渲染效果。

（3） 采用漸進(jìn)加載等數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，可對模型渲染過程進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)一步提高了渲染的效率和穩(wěn)定性，有助于減輕瀏覽器負(fù)擔(dān)，提升可視化效果。

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（編輯：鄭 毅）