第２８卷第２期测㊀绘㊀工㊀程
V o l ２８,N o ２２０１９年３月
E n g i n e e r i n g o f S u r v e y i n g a n d M a p p i n g
M a r ．,２０１９
引用著录：郭建雄，程朋根，晏启明，等．W e b 环境下三维复杂模型的简化与可视化方法研究[J ]．测绘工程,２０１９,２８(２):４５Ｇ５１． D O I :１０ １９３４９/j
c n k i i s s n １００６Ｇ７９４９ ２０１９ ０２ ００９W e b 环境下三维复杂模型的简化与可视化方法研究
郭建雄１，程朋根１,２
，晏启明３，许㊀敏１
(１．东华理工大学测绘工程学院，江西南昌３３００１３;２．广西空间信息与测绘重点实验室，广
西桂林５４１００４;３．宜春市房地产管理局，江西宜春３３６０００
)摘㊀要：大规模三维模型数据传输和可视化是面向W e b 的３D G I S 应用的关键技术之一.而三维复杂模型较大的数据量和有限的网络带宽又制约着大规模三维模型传输和可视化的发展.文中结合三维模型简化技术与渐进式传输可视化技术，以电力杆塔模型的简化和传输为例开展研究，并利用C e s i u m 平台进行模型可视化，通过实验对该方法进行验证.结果表明，该方法简单㊁实用，模型传输和渲染效率显著提高，不同分辨率模型之间切换顺畅，使复杂精细的三维模型脱离了专业平台的束缚，在W e b 环境下的应用更加便捷和高效.关键词：三维复杂模型；模型简化；渐进式可视化 中图分类号:P ２０８㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:１００６Ｇ７９４９(２０１９)０２Ｇ００４５Ｇ０７
R e s e a r c ho n t h e s i m p
l i f i c a t i o na n d v i s u a l i z a t i o no f ３Dc o m p
l e xm o d e l i nw e b e n v i r o n m e n t G U OJ i a n x i o n g １,C H E N GP e n g g e n １,
２,Y A N Q i m i n g ３,
X U M i n １
mathcad2001
(１．C o l l e g eo fG e o m a t i c s ,E a s tC h i n a U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,N a n c h a n g ３３００１３,C h i n a ;２．G u a n g x iK e y L a b o r a t o r y o
f S p
a t i a l I n f o r m a t i o na n dG e o m a t i c s ,G u i l i n５４１００４,C h i n a ;３．Y i c h u nR e a l E s t a t eA d m i n i s t r a t i o n ,Y i c h u n３３６０００,C h i n a )A
b s t r a
c t :I t i so n eo f t h ek e y t e c h n i q u e sa s t h e l a r g
e Ｇs c a l e t h r e e Ｇd i m e n s i o n a lm o d e l d a t av i s u a l i z a t i o na n d t r a n s m i s s i o n
f o r t h ew e b Ｇo r i e n t e d３D G I Sa p p l i c a t i o n ．T h e l a r
g ed a t av o l u m eo f３Dc o m p l e x m o d e l a n d n e t w o r kb a n d w i d t ha r e l i m i t e dw
h
i c hr e s t r i c t s t h ed e v e l o p m e n to f l a r g e Ｇs c a l e３D m o d e l v i s u a l i z a t i o na n d t r a n s m i s s i o n ．T h i s p a p e rc o m b i n e s３D m o d e ls i m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t h p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t os i m p l i f y a n dt r a n s m i tt h e p o w e rt o w e r m o d e l ,a n df i n a l l y u
s e s C e s i u m t o d i s p l a y t h em o d e l ．T h em e t h o d i s v e r i f i e d b y c o m p a r i s o n e x p
e r i m e n t s ．T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h em e t h o d i s s i m p l e a n d p r a c t i c a l ,t h em o d e l t r a n s m i s s i o na n dr e n d e r i n g e
f f i c i e n c y a r es i
g n i f i c a n t l y i m p
r o v e d ,a n dt h e s w i t c h i n g b e t w e e nd i f f e r e n t r e s o l u t i o nm o d e l s i s s m o o t h ,w h i c hm a k e s t h e c o m p l e xa n d r e f i n e d３D m o d e l o u t o f t h e c o n s t r a i n t s o f t h e p r o f e s s i o n a l p l a t f o r m．T h e a p p l i c a t i o n t o t h e e n v i r o n m e n t i sm o r e c o n v e n i e n t a n d e f f i c i e n t ．
K e y w o r d s :t h r e e Ｇd i m e n s i o n a l c o m p l e xm o d e l ;m o d e l s i m p l i f i c a t i o n ;p r o g r e s s i v e v i s u a l i z a t i o n 收稿日期:２０１８Ｇ１１Ｇ１８
基金项目：国家重点研发计划课题(２０１７Y F B ０５０３７０４)；国家自然科学基金资助项目(４１８６１０５２;４１８６１０６２)
；广西空间信息与测绘重点实验室基金资助项目(１６Ｇ３８０Ｇ２５Ｇ２９
)第一作者简介：郭建雄(１９９４－)，男，硕士研究生．通信作者简介：程朋根(１９６４－)
，男，教授，博士．㊀㊀随着计算机技术㊁
通信技术以及数字地球技术日益成熟和发展，在W e b ２ ０时代虚拟地球逐渐从客户端向网页端过渡.为了解决有限带宽与日益
增长的三维模型数据之间的矛盾，一个有效的渐进传输可视化策略十分必要[１
].以C e s i u m 为主的利
用纯W e b 端技术(包括W e b G L ,H T M L ,J a v a
S c r i p t )开发的虚拟地球平台，可以无插件㊁跨平台地在网页上展示三维复杂模型[２]
.C e s i u m 支持G L T F 和３D T i l e s [３]
两种模型数据格式,
实现单体化模型和海量三维模型数据的渐进传输可视化，大
大提升W e b 端三维模型可视化的性能[４].
随着对象模型的复杂度增加，其模型描述通常由数万或数亿个三角面片组成.为了满足计算机分析㊁显示和存储的要求，一种常见的解决方案是在不严重损失物体视觉特性的前提下，简化对象的网格模型，用较少数量的面片表示模型.对象模型的不同简化版本构成细节层次(L O D模型)或多分辨率[５].为了简化三维模型,S c h r o e d e r[６]提出了一
个平面准则，即在局部范围内拟合一个平面，删除小于指定精度的样本点并重新三角化保留点.以这种方式，大量的小三角形被少量的大三角形代替，从而可以获得不同复杂度级别的相同场景模型的三角形网格描述.类似地,H a m a n n[７]提出了曲率准则，即删除曲率小于制定误差的点.T u r k[８]提出一种基于网格重建的简化多边形模型方法，该方法将一组新的顶点分布到原始模型中，通过使用原始网格三角形的顶点的曲率和三角形的面积作为因子来确定新顶点的位置.国内学术界也在模型简化领域开
外墙外保温系统展有效的研究工作.周坤和施家英等提出基于顶点聚类的三角网格折叠算法，使用八叉树进行网格自适应划分，该方法通过点到平面的距离来执行误差控制[９].潘志庚和马小虎提出了一种基于三角形删除准则的网格模型简化方法，减少了计算量，具有较高的删除率[１０].熊仕勇提出一种基于半边折叠的L O D三维模型简化算法[１１]，较有效地解决了简化后模型重要几何特征不明显的问题，实现三维模型的L O D层次构建.然而这些方法未能结合模型具体特征结构，对于具有特殊结构和纹理细节的模型不能达到很好的简化效果. 本文在边折叠算法的基础上结合模型结构识别，提出基于结构的边折叠算法.结合该算法利用开源工具将通用格式的原始复杂三维模型简化并转换为不同分辨率的G L T F模型和３D T i l e s模型，利用渐进式传输可视化技术在C e s i u m平台进行模型展示.
１㊀模型简化方法
通常情况下三维模型由点㊁线和面基本元素构成，因此三维模型简化即是对模型点㊁线和面的基本操作.其中顶点删除方式简化的主要流程为：选中模型的一个顶点，计算它到其邻面的距离，若距离小于指定的阈值则删除，并重新三角化.该方法虽然占用计算资源较少，但因空洞问题，难以保持模型表面的光滑.边折叠方法是目前较为广泛应用的简化方式，其主要流程为：计算三维模型中所有边的权值，删除边权值最小的边，然后立即更新该局部区域的拓扑结构[１２].这类算法的几何意义直观，实现难永磁同步电机
度较小，因此是现阶段研究的主流方向.面折叠算法和边折叠算法类似，只是从删除边改为删除面.因为面折叠算法减少的几何元素数量是边折叠的两倍，所以简化效率更高但是对模型的特征影响较大，因此简化质量不如边折叠算法好.
中国少年儿童队改名为中国少年先锋队
一个模型往往由多个独立的几何体组合而成，每个几何体可以单独设置一个材质(颜㊁纹理)，以提高模型的视觉效果.三维模型根据几何关系可分为主体结构和细节结构，主体结构是指三维模型主要组成部分间的连接关系，为模型的整体框架和大体形象，细节结构是指三维模型表面所有功能部件和结构部件间的连接关系[１３].
本文提出基于结构的边折叠算法，主要思路为：首先，通过分析同材质的三角面数量识别出模型的几何主体结构和细节结构；其次，采取边折叠算法对模型主体结构进行简化㊁面折叠算法对模型细节结构进行简化，以保证在大幅度提高模型简化效率的同时达到主体结构保持，细节结构删除的目标.图１为采用该方法得到的模型简化对比图，其中图１(a)为原始模型，图１(b)为删除小细节后的简化模型，图１(c)为删除大细节后的简化模型.２㊀三维复杂模型可视化
C e s i u m是国外一个基于A p a c h e开源协议，基于J a v a S c r i p t编写的使用W e b G L进行硬件加速图形化的地图引擎.可无插件㊁跨平台㊁跨浏览器实现真正的动态数据可视化图形绘制.C e s i u m加载三维模型有两种格式：一种是针对单体化模型的G L T F；一种是针对海量数据的３
D T i l e s格式.
２ １㊀G L T F
G L T F的全称是G L传输格式，是一种针对G L (W e b G L,O p e n G L E S和O p e n G L)接口的运行时资产(a s s e t).在３D内容的传输和加载中,G L T F 通过提供高效㊁可协作㊁易扩展的格式填补了３D建模工具和现代G L应用程序之间的空白.使用G L T F的用户可以使用现有工具来处理模型并减少模型中的数据量.图２是G L T F的一般结构，分为４个大块：顶部j s o n描述模型的节点级别㊁材质㊁相机㊁动画和其他相关的逻辑结构;b i n对应于这些对象的具体数据信息;g l s l是模型渲染的着器；然后是纹理内容.使用B a s e６４编码将大块内容移动到文件中，这样便于复制和加载，也可用U R I的外链方式，侧重重用性.
６４ 测㊀绘㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２８卷
图１㊀
模型简化对比
图２㊀G L T F 结构
㊀㊀加载G L T F 模型有两种方法：一种是E n t i t y 方法，将M o d e l 视作几何体进行加载，方法简单效果单一；另一种是以P r i m i t i v e 的方式，它可设置多样化属性.C e s i u m 对M o d e l 的渲染是基于状态的更
新,M o d e l 有３个状态：加载(N E E D S _L O A D )
㊁解析(L O A D I N G )和结束(L O A D E D )
.首先解析G L T F 的头信息，也就是j s o n 对象(是否有动画㊁数据视图具体情况㊁是否有扩展属性等)，了解该模型的大概结构；其次是解析G L T F 数据,
对每个结构中的数据解析并赋值(顶点数据和索引㊁材料㊁纹理等，动画,R u n t i m e 封装到对应的R u n t i m e N o d e
)，这是最复杂，也是最关键的过程之一；三是更新动态属性，将其传递给相应的着器参数(动画㊁骨骼等，更新相应变量的节点矩阵，重新组合对应节点级别的矩阵等)；最后，在彻底解析完数据之后，构造一个相应的绘图命令(D r a w c o m m a n d )并将其添加到渲染队列中；如果数据包含一些时态数据，例如动画㊁蒙皮等，则必须动态调整每一帧.这是更新(u p
d a t
e )的主要４种状态和逻辑，其过程如图３所示
.
图３㊀G L T F 渲染流程
２ ２㊀３D T i l e s
３D T i l e s 是C e s i u m 在G L T F 基础上推出的
W e b 环境下海量三维模型数据规范，在继承G L T F 优点的同时添加渐进L O D 方法，也就是通过视距来调整场景复杂度，渐进L O D 不直接置换模型，而是随着视点的靠近，不断地在模型上补充细节.
３D T i l e s 将大数据量三维数据以分块㊁
分层的形式组织起来，可以大量减轻浏览器和G P U 的负担，是一个优秀的，并且格式公开的数据格式.
３D T i l e s 的渲染也基于状态的，如图４所示，可分为３个状态层，其中细线(紫)箭头表示状态变化.从L O A D I N G (
加载)状态开始，通过一系列的r e q
u e s t ，完成最初的数据加载过程，结束L O A D ＧI N G 状态，进入P R O C E S S I N G (预处理)状态，也就是数据解析.数据解析完后进入R E A D Y (准备)状态，通过s e l e c t T i l e ，最终调用C o n t e n t 对应的u p Ｇ
７４ 第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭建雄，等:W e b 环境下三维复杂模型的简化与可视化方法研究
d a t e方法，构造最终的d r a w c o m m a n d，加入渲染队列.当然，如果有需要释放的T i l e，则在u n l o a dＧT i l
e s中处理.无论是j s o n的解析还是构造D r a wＧC o m m a n d，都与G L T F相同，在u p d a t e完成，只是所在状态不同，如图４中的粗线(红)箭头指示.
利用o b j２g l t f㊁o b j２３d t i l e s开源工具结合基于结构的边收缩算法，对原始模型进行简化，并转换为G L T F格式以及构建３D T i l e s格式的多分辨率模型，然后通过D r a c o算法将其压缩.
D r a c o是由谷歌C h r o m e媒体团队设计，旨在大幅加速３D数据的编码㊁传输和解码，可以被用来压缩m e s h和点云数据.它还支持压缩点(c o mＧp r e s s i n gp o i n t s)㊁连接信息㊁颜信息㊁纹理协调㊁法线等其他与几何相关的通用属性.
最后使用N o d e j s进行解析和发布,N o d e j s 是一个基于C h r o m e J a v a S c r i p t运行时的平台，可以轻松构建响应迅速且易于扩展的W e b应用程序. N o d e j s轻量且高效，使用事件驱动的非阻塞I/O 模型，非常适合在分布式设备上运行数据密集型实时应用程序.通过h t m l网页就可在浏览器查看已发布的３D模型.
图４㊀３D T i l e s渲染调度流程
３㊀实验与分析
３ １㊀实验数据与实验流程
本实验使用的模型数据为电力模型，电力模型与一般城市模型不同，具有单体模型数据量大㊁密度高等特点，单个杆塔模型的数据量可达到３００M 以上，对W e b三维平台造成巨大压力，因此如何对这种单体电力模型进行优化，提高其传输和渲染效率是有待解决的重点问题.本文通过两个实验来分析W e b环境下三维复杂模型简化与可视化方法，实验环境配置如表１所示.整个系统技术架构如图５所示.
３ ２㊀结果分析
首先利用３D m a x㊁D e e p E x p l o r a t i o n等工具将模型转换为o b j格式，使用自主开发的加入了基于结构的边折叠算法的模型转化工具对模型进行顶点优化㊁合并同材质几何体㊁简化细节等操作，结果如表２所示.
表１㊀实验环境配置
2008年奥运会会徽环境配置
C P U I n t e l i３Ｇ３１２０M
内存６G B
显卡N V I D I A G e F o r c e７１０M
操作系统W i n d o w s７旗舰版
浏览器G o o g l eC h r o m e６８ ０ ３４４０ １０６
引擎
服务器
模型数据
C e s i u m１ ４７
中国体育报N o d e j s
电力杆塔模型(S Z３０１０１ x)
通过o b j２g l t f数据转换工具分别将原始模型S Z３０１０１ o b j和简化模型S Z３０１０１Ｇl o w o
b j转换为精细模型S Z３０１０１Ｇh i g h g l t f和简化模型S Z３０１０１Ｇl o w g l t f.首先使用C e s i u m加载天地图作为基础
８４ 测㊀绘㊀工㊀程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２８卷
场景，此时帧率为３０~３３F P S.之后通过v i e w e r．s c e n e．p r i m i t i v e s．a d d(C e s i u m．M o d e l．f r o m G l t f)方法分别加载１个㊁１００个㊁２００个㊁１０００个㊁２０００个G L T F模型查看帧率变化，可视化效果如图６所示，帧率统计如表３所示.
图５㊀技术架构图
表２㊀模型简化对比
模型顶点三角面材质尺寸/M B
S Z３０１０１ x１４７４４８４１２５１４２０９６３４７７ ３
S Z３０１０１ o b j１４７４４８４１２５１４２０９６３４９５ １(＋１ ５M B材质文件)优化顶点６４２０９４１２５１４２０９６３４７０ ４(＋１ ５M B材质文件)合并同材质几何体６４２０９４１２５１４２０４７０ ４(＋２K B材质文件) L O D简化５３５５２４９７２８４４ ９１(＋１K B材质文件)
表３㊀模型加载帧率变化
模型数量/个０１１００２００１０００２０００精细模型/F P S３０~３３２３~２５１２~１５０~４００
简化模型/F P S３０~３３２７~２８２２~２４１６~１８１２~１４０~３
㊀㊀由图６㊁表３可以看出，随着精细模型数量大量增加，帧率大幅度降低，在加至１００个左右时浏览器已有明显卡顿，模型数量增加至２００个浏览器接近卡死；反观简化模型加载至１０００个还有余力，可见在某些可忽视细节的情况下使用简化模型能大大提高绘制效率.
使用v i e w e r s c e n e p r i m i t i v e s a d d(n e w C e s iＧu m C e s i u m３D t i l e s e t())方法加载３D T i l e s格式的多分辨率模型可视化效果如图７所示.帧率统计结果如表４所示.
表４㊀帧率变化
距离尺度L O D１(近)L O D２(中)L O D３(远)帧率/F P S２８２９３０
由图７㊁表４可以看出，近距离时加载L O D１，显示全部细节，此时帧率为２８F P S；中距离时加载L O D２，显示部分细节，此时帧率为２９F P S；远距离时加载L O D３，显示模型整体，此时帧
率为３０F P S.可见利用３D T i l e s形式加载电力杆塔模型，具有很好的L O D特性，可以随着视距的变化增删细节，减少不必要的渲染损耗，大大加快模型的渲染速度,
９４
第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀郭建雄，等:W e b环境下三维复杂模型的简化与可视化方法研究
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