铁路固定设施BIM模型轻量化加载方法

技术领域

本发明属于工程数据处理领域，具体涉及一种铁路固定设施BIM模型轻量化加载方法。

背景技术

随着经济技术的发展，我国的铁路建设也越来越多。铁路建设工程具有施工规模大、周期长和范围广的特点，而且具有时间和空间的差异性，不同位置、不同建设时期的工程情况不一。

BIM技术具有“所见即所得”的可视化优势，同时还具有可协调性、可模拟性、可优化性和可一体化性等特点。因此，使用BIM技术对铁路建设工程进行三维建模，可以将工程项目全生命周期的数据信息存储于计算机中，实现协作和共享，并且可以应用在项目规划、工程施工模拟、运维管理等阶段，有效提高整体项目的建设水平和运维水平。

但是，传统的基于BIM的铁路建设管理平台，数据繁杂，在模型文件格式转换统一、模型高压缩处理、数据云端高效存储发布、跨浏览器可视化交互展示、多平台多应用模式等方面存在诸多问题，从而造成实际应用中，BIM模型加载速度较慢，浏览过程卡顿，甚至崩溃等现象，导致用户使用体验极差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性高、用户体验好且加载速度快的铁路固定设施BIM模型轻量化加载方法。

本发明提供的这种铁路固定设施BIM模型轻量化加载方法，包括如下步骤：

S1.获取目标数据；

S2.根据获取的目标数据，构建基础模型；

S3.对构建的基础模型，进行模型数据分层；

S4.进行视锥体的移动分析处理；

S5.进行模型动画渲染，从而实现BIM模型的轻量化加载。

步骤S2所述的构建基础模型，具体为采用如下步骤构建基础模型：

A.根据模型示意图或参考标准，采用三维建模软件进行50m的轨道结构三维模型制作，并将模型分类为轨道支撑结构、轨道几何结构和接触网结构；

B.针对步骤A构建的模型，进行模型结构检查；

C.在模型结构检查无问题后，对模型进行格式转换，从而得到fbx格式模型。

所述的三维建模软件为Autodesk Revit三维建模软件。

步骤S3所述的进行模型数据分层，具体为基于多视图投影技术，对模型的数据进行分割和分块，形成三层数据体素化结构，从而将模型数据由一层分类为三层；所述的三层数据体素化结构包括轨道支撑结构数据、轨道几何结构数据和接触网结构数据。

步骤S4所述的进行视锥体的移动分析处理，具体为当物体远离观察者时，此时降低加载渲染3D模型的复杂度，从而加快BIM模型的加载速度：当观察点与场景内模型之间的距离到达设定阈值时，则直接加载该观察部分模型并显示真实模型，剩余部分模型则采用模型的映射，纹理贴图使用设定的低分辨率形式；当观察点移动到当前视野时，只展示可观察的模型，并对模型的遮挡部分进行预加载处理，便于后续进行旋转操作时实现对遮挡部分的快速加载。

所述的当物体远离观察者时，此时降低加载渲染3D模型的复杂度，具体为采用如下步骤进行处理：

视锥体移动算法：

A.在每帧响应键盘或鼠标输入时从正在运行的应用程序中获取视点；服务器具有一个指向正在运行的应用程序作为场景图加载到内存中的整个场景的参考指针，并使用遮挡障碍物算法确定每个图块可见的对象；

B.在遮挡查询的可视化阶段，使用网格来验证正在直接查看的图块；给定当前视点的位置及其视线矢量，使用三角剖分结构转换函数访问其视线中的块，从而确定可见图块；

C.使用若干个细节级别来存储和管理场景的表示，并同时自适应地提供不同的加载服务；根据遮挡查询的返回结果进行过渡；特定对象的详细程度直接取决于遮挡查询返回的像素数；

D.在对场景图形加载之前，对场景图形进行预处理：根据遮挡查询的返回像素数，然后从第一个帧时开始数据传输，对第一个帧的视锥剔除，遍历将使服务器确定下一个要发送的图块对象，然后逐步构建局部场景图；服务器在等待某一帧的数据交换时，为下一帧执行可见性计算和传输；

E.整个场景被划分为不同大小的块，并用与模型ID和图块ID相关的多网格对块进行排列，以加快模型调度；通过基于块的视图视锥的位置和方向的确定实现动态数据加载；在每个节点处，缓存局部场景图，从而更好地在每个帧中仅传输新对象，并进一步使网络需求降低；随着图块数量的增加，缓存变得更加有效，因为每个图块可见的对象越来越少，从而将模型的细致度提高，信息更加清晰；

与使用基于距离的度量方法相比，根据遮挡查询返回的像素数方法更适合于连续的细节级别以及不那么明显的过渡。需要指出的是，LOD优化的程度以及由遮挡查询返回的LOD和像素之间的精确映射功能应取决于屏幕上可见对象的数量和大小以及视口的范围。

所述的当观察点移动到当前视野时，只展示可观察的模型，并对模型的遮挡部分进行预加载处理，具体为采用如下步骤进行处理：

遮挡障碍物算法：

遮挡障碍物算法将对象空间中的层次结构与图像空间中的优化遮挡表示相结合：

a.处理可见列表：从可见列表中删除对象，并更新图块状态：如果对象在视锥内部或者与视锥相交，则发出遮挡查询并移至下一个对象；将内部状态与相交状态设为相同，因为无法对底部的图块数据进行处理；

b.处理隐藏列表：对于隐藏列表中的对象，首先检查视锥体的状态：如果它在内部或者与视图视锥相交，那么不需要更改状态，只需发出遮挡查询并移至隐藏列表中的下一个节点；若它位于视锥之外，则将其添加到可见列表中；

c.处理遮挡查询的结果：根据遮挡查询的结果来处理对象：对于可见列表中的对象，若发现它是可见的，则将其添加到可见列表中；若发现它是隐藏的，则将它标记为“隐藏”，然后添加到隐藏列表中；如果隐藏列表中的对象保持隐藏状态，只需将其推入隐藏列表即可；如果可见，则进行进一步处理；若它是节点，则将其状态设置为“可见”后将其添加到可见列表中，如果不是节点，则将其状态设置为“隐藏”并为子项发出查询；请注意，由于在上一个处理过程中检查了它们的父对象是否完全在锥体内，因此可以确定它们完全在视锥内部；对于子对象的查询结果以与所解释的相似的方式进行处理。

遮挡查询过程说明如下：

通过基于三角剖分将整个场景细分为网格来构造可视化结构以此来确定内部块遮挡和相邻块遮挡。内部块遮挡剔除仅使用每个块内部的图元来识别，并且对每个块面都执行下列操作：

1.预处理阶段

在预处理阶段，使用三角剖分结构基本网格生成可视化块，其步骤如下：

1)在当前的位置视点处，沿其轴线之一建立网格的最小尺寸，确定网格边缘的尺寸，然后计算其余的网格尺寸；

2)每个三角形首先被映射到包含它的网格块；

3)通过使用三角形法线，可以确定三角形正在看的块的面；在这一步中，进行背面剔除；

4)然后使用类似于Z缓冲区的方法计算内部块遮挡；最后的图元列表分配给每个块面；在此步骤中，可以找出块面是否已完全填充，同时确定可视化阶段相邻块是否被遮挡；

2.可视化阶段

使用网格来验证正在直接查看哪些图块；给定当前视点的位置及其视线矢量，使用三角剖分结构转换函数访问其视线中的块。查找向量还用于确定将使用哪些块面构成可能可见的图块的最终列表。在每次从一个块到另一个块的转换之前，如果已完全填充了当前块的可见面以允许操作，则将对其进行验证。如果没有错误，则说明该面的可见集合完全隐藏了其相邻块面的可见集合，因此加载阶段不需要该隐藏块及其后续的相邻块。如在访问图块(i+1，j)之后，将图块(i+2，j+1)，(i+2，j)和(i+2，j-1)排队等待访问下一个。在访问图块(i+2，j-1)并确定其可见面已完全填充后，则下一个相邻的块不会直接添加到访问提示中。

步骤S5所述的进行模型动画渲染，具体为导入BIM模型，添加所有模型的贴图、材质球和AO贴图，并根据物体的真实材质调整材质球的反光与平滑参数，从而达到仿真的视觉效果；然后制作BIM模型的动画，实现真实的物理表现效果。

所述的制作BIM模型的动画，具体为采用Unity Animation制作BIM模型的动画。

本发明提供的这种铁路固定设施BIM模型轻量化加载方法，通过对三维模型的构建和对数据的三层体素化构建，以及逐级加载和遮挡处理的方式，实现了BIM模型的轻量化快速加载，而且可靠性高、用户体验好且加载速度较快。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种铁路固定设施BIM模型轻量化加载方法，包括如下步骤：

S1.获取目标数据；

S2.根据获取的目标数据，构建基础模型；具体为采用如下步骤构建基础模型：

A.根据模型示意图或参考标准，采用三维建模软件(比如Autodesk Revit三维建模软件)进行50m的轨道结构三维模型制作，并将模型分类为轨道支撑结构、轨道几何结构和接触网结构；

B.针对步骤A构建的模型，进行模型结构检查；

C.在模型结构检查无问题后，对模型进行格式转换，从而得到fbx格式模型

S3.对构建的基础模型，进行模型数据分层；具体为基于多视图投影技术，对模型的数据进行分割和分块，形成三层数据体素化结构，从而将模型数据由一层分类为三层；所述的三层数据体素化结构包括轨道支撑结构数据(包括路基、桥梁、隧道等)、轨道几何结构数据和接触网结构数据；

S4.进行视锥体的移动分析处理；具体为当物体远离观察者时，此时降低加载渲染3D模型的复杂度，从而加快BIM模型的加载速度：当观察点与场景内模型之间的距离到达设定阈值时，则直接加载该观察部分模型并显示真实模型，剩余部分模型则采用模型的映射，纹理贴图使用设定的低分辨率形式；当观察点移动到当前视野时，只展示可观察的模型，并对模型的遮挡部分进行预加载处理，便于后续进行旋转操作时实现对遮挡部分的快速加载；

具体实施时，当物体远离观察者时，采用如下步骤降低加载渲染3D模型的复杂度：

视锥体移动算法：

A.在每帧响应键盘或鼠标输入时从正在运行的应用程序中获取视点；服务器具有一个指向正在运行的应用程序作为场景图加载到内存中的整个场景的参考指针，并使用遮挡障碍物算法确定每个图块可见的对象；

B.在遮挡查询的可视化阶段，使用网格来验证正在直接查看的图块；给定当前视点的位置及其视线矢量，使用三角剖分结构转换函数访问其视线中的块，从而确定可见图块；

C.使用若干个细节级别来存储和管理场景的表示，并同时自适应地提供不同的加载服务；根据遮挡查询的返回结果进行过渡；特定对象的详细程度直接取决于遮挡查询返回的像素数；

D.在对场景图形加载之前，对场景图形进行预处理：根据遮挡查询的返回像素数，然后从第一个帧时开始数据传输，对第一个帧的视锥剔除，遍历将使服务器确定下一个要发送的图块对象，然后逐步构建局部场景图；服务器在等待某一帧的数据交换时，为下一帧执行可见性计算和传输；

E.整个场景被划分为不同大小的块，并用与模型ID和图块ID相关的多网格对块进行排列，以加快模型调度；通过基于块的视图视锥的位置和方向的确定实现动态数据加载；在每个节点处，缓存局部场景图，从而更好地在每个帧中仅传输新对象，并进一步使网络需求降低；随着图块数量的增加，缓存变得更加有效，因为每个图块可见的对象越来越少，从而将模型的细致度提高，信息更加清晰；

与使用基于距离的度量方法相比，根据遮挡查询返回的像素数方法更适合于连续的细节级别以及不那么明显的过渡。需要指出的是，LOD优化的程度以及由遮挡查询返回的LOD和像素之间的精确映射功能应取决于屏幕上可见对象的数量和大小以及视口的范围；

同时，当观察点移动到当前视野时，采用如下步骤只展示可观察的模型，并对模型的遮挡部分进行预加载处理：

遮挡障碍物算法：

遮挡障碍物算法将对象空间中的层次结构与图像空间中的优化遮挡表示相结合：

a.处理可见列表：从可见列表中删除对象，并更新图块状态：如果对象在视锥内部或者与视锥相交，则发出遮挡查询并移至下一个对象；将内部状态与相交状态设为相同，因为无法对底部的图块数据进行处理；

b.处理隐藏列表：对于隐藏列表中的对象，首先检查视锥体的状态：如果它在内部或者与视图视锥相交，那么不需要更改状态，只需发出遮挡查询并移至隐藏列表中的下一个节点；若它位于视锥之外，则将其添加到可见列表中；

c.处理遮挡查询的结果：根据遮挡查询的结果来处理对象：对于可见列表中的对象，若发现它是可见的，则将其添加到可见列表中；若发现它是隐藏的，则将它标记为“隐藏”，然后添加到隐藏列表中；如果隐藏列表中的对象保持隐藏状态，只需将其推入隐藏列表即可；如果可见，则进行进一步处理；若它是节点，则将其状态设置为“可见”后将其添加到可见列表中，如果不是节点，则将其状态设置为“隐藏”并为子项发出查询；请注意，由于在上一个处理过程中检查了它们的父对象是否完全在锥体内，因此可以确定它们完全在视锥内部；对于子对象的查询结果以与所解释的相似的方式进行处理。

遮挡查询过程说明如下：

通过基于三角剖分将整个场景细分为网格来构造可视化结构以此来确定内部块遮挡和相邻块遮挡。内部块遮挡剔除仅使用每个块内部的图元来识别，并且对每个块面都执行下列操作：

1.预处理阶段

在预处理阶段，使用三角剖分结构基本网格生成可视化块，其步骤如下：

1)在当前的位置视点处，沿其轴线之一建立网格的最小尺寸，确定网格边缘的尺寸，然后计算其余的网格尺寸；

2)每个三角形首先被映射到包含它的网格块；

3)通过使用三角形法线，可以确定三角形正在看的块的面；在这一步中，进行背面剔除；

4)然后使用类似于Z缓冲区的方法计算内部块遮挡；最后的图元列表分配给每个块面；在此步骤中，可以找出块面是否已完全填充，同时确定可视化阶段相邻块是否被遮挡；

2.可视化阶段

使用网格来验证正在直接查看哪些图块；给定当前视点的位置及其视线矢量，使用三角剖分结构转换函数访问其视线中的块。查找向量还用于确定将使用哪些块面构成可能可见的图块的最终列表。在每次从一个块到另一个块的转换之前，如果已完全填充了当前块的可见面以允许操作，则将对其进行验证。如果没有错误，则说明该面的可见集合完全隐藏了其相邻块面的可见集合，因此加载阶段不需要该隐藏块及其后续的相邻块。如在访问图块(i+1，j)之后，将图块(i+2，j+1)，(i+2，j)和(i+2，j-1)排队等待访问下一个。在访问图块(i+2，j-1)并确定其可见面已完全填充后，则下一个相邻的块不会直接添加到访问提示中；

S5.进行模型动画渲染，从而实现BIM模型的轻量化加载；具体为导入BIM模型，添加所有模型的贴图、材质球和AO贴图，并根据物体的真实材质调整材质球的反光与平滑参数，从而达到仿真的视觉效果；然后制作BIM模型的动画(比如采用Unity Animation制作BIM模型的动画)，实现真实的物理表现效果。