面向Web的城市級表面三維模型數據優化方法

赫春曉，呂志慧，邱 天，陳 超

（1. 江蘇省測繪研究所，江蘇南京210013；2. 江蘇省基礎地理信息中心，江蘇南京210013）

0 引言

近年來，隨著Web技術的發展，尤其是Web3D技術的發展，促使Web 技術逐漸往三維方向發展。伴隨著HTML5、WebGL 等規范的建立和完善，及以谷歌、火狐等為代表的主流瀏覽器對WebGL 規范的全面支持［1-2］，在Web3D 方面涌現了一批優秀的基于WebGL 的三維JavaScript 開源庫，從而使得傳統的依賴于桌面端或是瀏覽器插件式的三維應用逐漸轉向Web端無插件三維應用。但是，受限于瀏覽器本身性能和三維數據體量，當三維應用的數據量達到或超過城市級時，三維模型的渲染效率易受到影響，從而造成用戶的瀏覽體驗較差。因此，本文旨在對應用較廣泛的以傾斜攝影三維模型和人工精細三維模型為代表的表面三維模型為對象，研究城市級表面三維模型的數據優化方法，以期用于提升Web 端城市級表面三維模型的渲染效率，增強Web 端大規模表面三維模型的展示能力。

1 方法的設計與實現

1.1 方法基礎

細節層次（Level of detail，LOD）技術［3-5］利用幾何體包圍盒計算觀察者與物體的距離，使用戶可以根據物體模型的節點在顯示環境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數和細節度，從而獲得高效率的渲染運算。該技術是最常用作提升三維模型渲染效率的技術方法。本文的優化方法也是依據LOD技術思路構建并優化表面三維模型的層次細節，從而達到提升城市級表面三維模型渲染效率的目的。

1.2 模型特點

本文研究對象為應用較廣泛的傾斜攝影三維模型和人工精細三維模型。傾斜攝影三維模型多是通過專業的三維軟件生產得到的，數據普遍由算法對航拍傾斜攝影數據自動計算生成，數據體量大，表面結構復雜，數據本身內置了LOD。模型紋理經過了軟件的壓縮和優化。

人工精細三維模型廣泛來源于傳統C/S 三維地理信息系統數據，由人工利用3dsmax 等建模軟件創建的三維模型。該類模型表面幾何細節相對有限，模型三角面數量普遍較少，總體的數據體量相對較小。為在表面幾何細節有限的情況下盡可能提高視覺效果，數據可能大量使用高分辨率紋理，甚至可以占數據總容量的90%以上，會極大制約渲染效率。

由于兩種模型在模型特點上不同，因此盡管兩種模型結構相似，但是處理方法不同，傾斜模型LOD的優化重點在于模型幾何壓縮，而人工精細三維模型LOD的優化除幾何壓縮之外，更重要的優化體現在模型的紋理壓縮方面。

1.3 三維模型優化方法

1.3.1 傾斜攝影三維模型優化方法

傾斜攝影三維模型通常是由軟件按照LOD 的要求創建的，模型本身是按照LOD進行組織的，但是這種內置的細節層次模型主要面向桌面環境，對于Web應用存在粗細節層次模型層級不足的問題，遠景瀏覽時加載速度慢，對城市級數據影響尤為嚴重。因此，針對現有層次細節不足的問題，本文擬通過在原有細節層次的基礎上，通過添加更粗粒度的層次細節，從而提升遠景瀏覽顯示效率。

本文采用了頂層節點合并壓縮的方式構建粗粒度的層次細節。方法根據傾斜模型分塊生產的特性，將模型按照行列索引進行重排列構建以0行0列為原點的行列索引模型矩陣，將N*N的子矩陣從原點開始間隔N進行移動，與模型矩陣套合，將子矩陣內涉及的模型進行合并，從而擴展得到上一級的細節層次，循環執行該過程直到頂層的數據量小于設置的閾值為止。

合并后的模型壓縮方法通常可通過常規的模型簡化方法進行。傾斜模型原始最粗一級實際上細節已經較少，再往上簡化，模型的細節完全可以忽略，只需保留外輪廓及紋理即可滿足視覺上的可視化效果，因此，可通過構建模型三維凸包［6］的方式替代模型簡化，一方面可以減少模型簡化迭代計算的工作量，另一方面，可以極大地減少模型的數據量。

合并后模型的紋理壓縮方法通過紋理烘焙進行，利用紋理烘焙對合并后的模型紋理進行壓縮，將新生成的紋理作為模型三維凸包的紋理，進行紋理映射得到最終的簡化模型。處理的邏輯及成果如圖1所示。

1.3.2 人工精細三維模型優化方法

人工精細模型由于本身不具備層次細節，因此優化方法主要是構建人工精細模型的層次細節。最精細級為原始模型，為加快渲染效率，本文對原始模型進行拆分處理，在保留原始細節的基礎上，得到多個小塊模型，從而解決單個模型數據量大加載慢的問題。本文采用基于紋理的模型拆分方法進行：首先讀取模型的原始紋理目錄，然后以紋理為單元劃分不同的紋理單元，對模型按照劃分出的紋理單元處理，將共用同一紋理單元的部分拆分出來，進而得到不同紋理單元的多個子塊，實現大尺寸模型的拆分，如圖2所示。

圖1 傾斜攝影三維模型優化處理示意

圖2 基于紋理的模型拆分示意

中景的多級粗細節層次模型處理，一方面按照固定壓縮比對粗細節層次模型的三角面幾何進行壓縮；一方面使用烘焙技術將模型紋理替換為低分辨率單一紋理。

遠景的多級粗細節層次模型，對于城市級數據而言，需顧及大范圍的模型合并壓縮。本文主要以模型文件為單元，將一個模型文件內的全部模型進行合并，對合并后的模型構建三維凸包，區塊紋理合并后進行紋理烘焙壓縮區塊紋理，生成遠景的多級細節層次模型。處理流程示意圖如圖3所示。

2 實驗驗證

選取約50 km2的某市傾斜攝影三維模型和約110 km2的某市人工精細三維模型為對象，利用提出的模型優化方法構建面向Web 端城市級LOD 模型，驗證方法的可行性。

圖4 為傾斜攝影三維模型，其中圖4a 為遠景全貌，通過模型頂層向上合并，并經過紋理烘焙減小遠景節點的數據量，從而提升加載速度。圖4b 和圖4c為中景和近景模型原LOD的顯示效果。

圖5 為人工精細三維模型，其中圖5a 和圖5b 為遠景全貌和中景，通過區塊模型合并壓縮和紋理合并壓縮生成粗細節模型。圖5c中離視角近的為原始模型經過拆分后的模型，通過模型拆分方式達到不影響顯示效果的情況下，減少單個模型的數據量從而提升加載速度；離視角遠的為單個模型經過模型簡化和紋理烘焙生成的較低分辨率模型。

從實驗結果可以看出，本文提出的方法可以較好地適應城市級大范圍表面三維模型的渲染，構建的模型LOD能夠提升Web環境下城市級表面三維模型的加載渲染效率，提升用戶體驗。

3 結語

本文在傾斜攝影三維模型優化方面，依據三維模型數據特點，基于LOD技術，通過對現有最粗節點的合并構建三維凸包，并利用紋理烘焙方法壓縮模型紋理的方法，構建了面向Web 端城市級大范圍數據的多級層次細節，解決模型的原始LOD 在網絡環境下層級不足，加載過慢影響渲染效率的問題。在人工精細模型優化方面，通過對原始模型基于共用紋理單元進行拆分，在不影響原始模型精細程度的基礎上，解決了模型過大加載緩慢的問題。通過模型幾何壓縮，以模型文件為單元的區塊模型合并構建三維凸包的方式構建中景至遠景的層次細節，并結合紋理烘焙方法對原紋理進行壓縮，大大減少了模型紋理的數據量，構建了面向Web 端城市級人工精細模型的多級層次細節。此外，以城市級別的兩類三維模型為對象，驗證了方法的可行性，為Web端城市級的表面三維模型高效渲染提供方法參照，具有較強實用性。

圖3 人工精細模型LOD構建示意

圖4 城市級傾斜攝影三維模型效果

圖5 城市級人工精細三維模型效果