模型轻量化在取消高速公路省界收费站中的应用研究

谭平玉， 戴剑军， 廖 飞， 傅 达

(湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410015)

0 引言

随着计算机技术发展和数字孪生概念兴起，三维GIS+BIM技术构建可视化平台应用越来越广泛，特别是随着国家的大力推广，相当一部分设计院、施工单位都采用了BIM技术，使得大量构建三维可视化场景成为可能。

由于BIM设计需要出施工图指导实际施工，因而包括大量细节，一个普通机柜BIM模型可能上百M，而大型建筑物更是可以达到几G、甚至几十G；在B/S架构下这种量级的数据传输和渲染是困难的，在轻量化技术发展起来之前，集成三维场景的系统多采用C/S架构，受数据安全和数据传输成本等因素限制，三维应用仅在小范围内开展。因此采用适宜技术实现三维模型、场景轻量化是有必要的。三维模型轻量化一般是在保证模型高仿真度的前提下对高精度BIM模型进行数据压缩、细节简化等处理，实现三维模型存储、传输数据量降低。当前主要的轻量化技术主要围绕Instancing(模型复用)[1]、Compression(压缩)[2]、LOD(多细节层次)[3]和Parameterization(参数化)[4]4个图形学技术方向展开。

1 模型轻量化研究现状

BIM是通过建立虚拟建筑、设备的三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑、设备信息库[5]。当前主流三维建模方式包括激光点云、倾斜摄影、人工设计建模等多种方式，由于不同方式的三维模型适用于不同应用场景，其轻量化处理也各不相同，本文主要研究设计模型轻量化处理。Revit、Bentley等平台设计的三维模型信息包括一系列顶点信息和纹理信息，顶点信息主要包括x、y、z坐标值和拓扑关系，一般以浮点型格式存储；纹理信息包括纹理坐标UV以及可能的RGBA 4个通道颜色信息。模型数据在团队之间的传输成本很高，传输方式也很有限，而大部分模型应用场景并不需要BIM的完整信息，因此针对适宜场景进行合适的轻量化处理得到专业人员广泛认同。

在三维模型轻量化研究过程中，人们尝试了多种处理方式，如通过基于构件几何复用的模型加载方法、场景可视空间的矩阵变换[6]等手段来优化三维模型展示效果。朱慧娟等[7]研究出一种基于自私羊群智能优化的三维模型轻量化方法3DL-SHO，以实现三维模型轻量化在数据准确性与快速加载之间的平衡。此外，一些研究人员[8-9]根据具体应用场景特征进行了针对性的三维模型轻量化处理。

本文结合湖南省取消高速公路省界收费站项目(下称“取站项目”)应用经验，讨论在高速公路场景中对路网及机电三维模型轻量化处理的技术，通过研究公路BIM和机电BIM使用需求及本身特点，对比不同轻量化处理方法的效率，探究适用于高速公路及附属设备三维模型轻量化处理方案。

2 模型轻量化

2.1 模型简化及压缩

模型压缩主要分为与几何无关和几何相关2种，前者主要代表是采用gzip格式进行文件压缩，后者主要代表有Draco库、Open3DGC库等。Draco库、Open3DGC库针对几何信息压缩进行了优化，只需在载入到GPU前将数据解压，从目前计算机性能来看，解压所需计算开销完全可以接受，因此压缩(Compression)是当前实用价值最高的一种方法。

在取站项目中模型轻量化处理主要包括对模型构件、模型面和顶点精简等处理。在构件精简处理中,通过对道路BIM模型的行车道和路肩结构合并，再采用纹理贴图的方式来进行路面展示；对于机电BIM模型，则将实际应用中价值不大的细节进行删除，如原始门架模型中精确展示的连接螺丝、螺丝孔、螺帽形状等，该类细节构件几何数据非常复杂，但使用价值却很有限，对安装维护的指导作用也不如使用型号属性直观，因此可以直接删除连接螺丝对象，将螺丝型号作为属性附加到连接杆或支架上。经过构件精简的门架如图1所示，几乎保留了原始外观信息，但数据量却降低了近35%。

图1 精简处理后的门架模型

BIM模型输出文件一般都是以三角面的方式存储模型形状，而特殊形状(如孔洞、曲面等异形面)需要大量细碎三角面来拟合，因此局部形状细节保留精度直接决定整体模型数据体量。针对这一情况进行复杂模型的面精简、定点精简很有必要，需要说明的是模型面精简过量将产生模型变形，因此根据模型具体情况调整精简颗粒度非常重要，在取站项目中，通过对复杂形状-简单形状分割简化获得了较好的效果。

2.2 多细节层次策略

多细节层次(Level-of-Detail，简称LOD)是一种渲染加速技术，主要是将远离相机的模型细节呈现更粗糙一些，以达到当前帧的vertex数量降低。而在超图、cesium等大型三维GIS场景下不仅可以忽略模型细节，更可以将模型分层管理，实现模型类型上的多细节层次渲染。

在取站项目中,三维模型既包括大区域成带状分布的高速路网，也包括分散布设的门架、情报板、控制柜等大量机电BIM。不同类型的BIM模型作用于不同使用场景，在省、市级视图主要展示路网情况和门架等设备分布，此时情报板、摄像头等设备的形状信息完全可以忽略，门架也只需概要显示轮廓即可；在路段级视图则需要展示路段公路模型、门架模型及控制柜等主要设备外壳；在具体门架点则需查看门架及门架上的全部设备，以及可能查看控制柜内部机构组成。根据应用需要制定了视角位置高于150 km、20～150 km之间、低于20 km这3种展示场景，并根据不同场景需要定制发布BIM模型。

由于用户操作过程中视角位置变化相当频繁，为避免无效的场景切换导致资源浪费，需对用户视角改变意图进行检查。例如视域持续大范围变化则可以延迟场景切换频率，而一旦视域稳定下来，相机近面(near)基本不变则马上更新中心视域内的数据。此外值得注意的是模型分层及分块达到一定程度后进一步划分会产生反作用，因此在实际分层设置时需结合模型具体情况进行确定。取站项目模型分层如表1所示。

表1 三维模型分层策略表场景名称视角高度/km模型图层省市级场景>150公路模型、门架标记等路段场景20～150公路模型、路面标识纹理、门架模型、机柜、大型情报板等定点场景<20公路模型、路面标识纹理、门架模型、摄像头、补光灯、车辆检测器、户外综合机柜、ETC天线等设备机柜内部场景<0.1机柜模型、供电设备、硬盘、交换机等(轻量化后汇总发布)

2.3 模型复用渲染

模型复用主要是针对场景中大量几何信息一样仅位置及其他属性信息存在差异的模型，通过只传输一份几何数据，在渲染管线中多次绘制，依靠不同的角度和纹理信息实现在同一帧中呈现多个类似模型的渲染效果。WebGL 1.0中可以通过使用ANGLE_instance_arrays扩展实现，从而大量节约GPU的内存开销和计算开销。

取站项目中，机电BIM在整个模型数量上占了绝大部分，而这些设备大多为批量生产，所以不同门架上的设备模型其实有相当一部分可以复用，部分设备甚至可以在单个门架上多次使用，如摄像头等。对于这一类可充分复用模型，加载一个模型后采用克隆功能，通过JSON数据获取模型位置、形态等信息进行调整。模型克隆的使用可以极大降低模型数据传输时间，进而提升模型加载速度。

2.4 非几何属性数据分离

BIM模型一般包含了与构件相关的几何信息和其他重要信息，在模型构建阶段为了便于查看、传递，常常会将信息以三维标注或模型属性的方式进行存储，如部件尺寸、型号、特殊工艺等。这些信息在实际使用中并不会每次都被查看，因此将属性信息分离存储到关系数据库，通过规范模型编码进行关联，在平台上开发属性查询功能，个性化定制信息展示窗口。对于螺丝、接线口等复杂小构件也可以通过概化外壳形状，以型号、尺寸、材质等属性来明确物体实际信息。通过对场景内大量属性数据分离处理能够进一步减少模型数据体量，使加载速度和渲染效果得到提升。

ETC门架设备类型较多，为保证属性信息关联正确性和查询效率，定义了模型编码规则。模型编码由4位门架序号、2位设备类型、3位模型序号组成，如图2所示。

图2 模型编码结构图

2.5 模型轻量化效果

模型轻量化处理主要就是通过降低细节精度来降低模型数据体量，从而实现加载、渲染的优化，而过度轻量化会丧失三维模型的使用价值，因此对轻量化处理结果进行质量评定是必不可少的。

一些研员人员建立了从场景效果、表达精细度和位置精度3个因素对轻量化处理结果进行质量评定的体系[10]。在网络条件相同时，模型数据大小直接影响加载速度，在取站项目中增加了场景模型文件存储空间的指标。根据设定质量评定体系，以ETC门架监控管理平台为依托，运行场景加载、图层管理、查找定位、模型量算、属性查看等功能进行轻量化效果评定。ETC门架监控管理平台采用超图iserver发布模型数据服务，单体模型采用obj格式，前端渲染采用Cesium引擎，具体技术框架如图3所示。

图3 ETC门架监控管理平台技术框架图

在取消高速公路省界收费站项目中，通过对高速、门架等模型轻量化处理，解决了模型数据过大导致ETC门架监控管理平台加载、交互过程的卡顿、崩溃问题，具体轻量化前后评定指标对比如表2所示。

表2 轻量化前后对比表评定指标轻量化处理前轻量化处理后场景效果逼真但卡顿,存在浏览器崩溃情况高度近似,运行流畅表达精细度几何特征、纹理特征高度还原实物几何特征适中,纹理特征近似实物位置精度地理位置、相对位置精确地理位置精确,相对位置基本准确模型文件存储空间非常大适中

3 结语

三维GIS+BIM技术的广泛应用，特别是对大场景、大量精细三维模型，其加载和渲染方面的优化非常明显，近年来受到相关行业研究人员广泛关注。本文对现有轻量化处理技术进行了广泛研究，结合湖南省高速公路省界收费站项目中模型轻量化处理经验，提出了适用于公路BIM+机电BIM的模型简化方案及压缩、多层次细节、模型复用、属性数据分离四种轻量化技术，很好地支持了湖南省取消高速公路省界收费站项目中门架监控、运维平台的实现。