面向Web的建筑三維模型可視化方法研究

邊根慶，陳蔚韜

面向Web的建筑三維模型可視化方法研究

邊根慶，陳蔚韜

(西安建筑科技大學信息與控制工程學院，陜西 西安 710055)

針對當前工業基礎類(IFC)標準文件與WebGL框架集成方案存在模型語義完整性差及數據互操性弱等問題，提出一套建筑信息模型(BIM)數據網絡可視化實施方案。該方案以IFC標準文件作為輸入數據源，首先對BIM模型進行重構，并提出基于IFC結構樹的構件實例層次拆分策略將原始IFC文件實施數模分離；然后，將重構后的IFC模型文件向glTF格式文件進行轉換，并在轉換過程中完成幾何空間和語義屬性的雙重關系映射；最后，提出基于層次包圍體(BVH)結構的BS-AB場景構件可視性檢測算法對建筑構件進行可見性剔除。實驗結果表明：該方法能夠顯著減少BIM模型數據冗余，且高效完成了對復雜BIM場景不可見構件的剔除工作，降低了渲染管線的開銷，為基于IFC標準與WebGL框架集成方案的BIM模型數據網絡可視化提供了一種可行的參考方案。

三維可視化；建筑信息模型；工業基礎類；WebGL；可見性剔除

建筑信息模型(building information model，BIM)以其為建設項目全生命周期信息化管理提供了先進的數字化工具和信息共享平臺的特點[1]，解決了傳統設施工程所面臨的信息傳遞斷層和數據共享困難的問題，已廣泛應用于建筑、工程、施工及設施管理(architecture，engineering and construction/facility management，AEC/FM)行業[2]。BIM的最大價值在于多參與方以及多專業之間的高效協同[3]，而隨著建筑規模的不斷增大及建筑信息數據的越加復雜，其模型可視化和海量數據管理[4]變得越加困難，以致于無法滿足當前工程建設信息數據管理、共享和同步的BIM本地化應用需求。顯然，在滿足多用戶在不同設備和不同操作系統下隨時隨地訪問需求的同時，有效確保BIM模型的完整語義性和數據的互操作性[5-6]尤為重要。

近年來，WebGL的發展為BIM模型基于B/S架構顯示過程中所遇到的硬件性能不足問題提供了良好的解決方案，基于WebGL技術的三維圖形顯示也隨之成為當前BIM模型在線可視化首選方案。文獻[7-8]通過將Revit模型直接轉換到WebGL所支持的文檔層面(如OBJ、JSON、FBX等)以實現BIM模型在線可視化。但在網絡傳輸及瀏覽器性能限制下，此方法無法解決Web端海量BIM數據加載及模型渲染問題。文獻[9-12]從相似性幾何對象實例檢測及壓縮和BIM產品切片模型三角剖分及并行計算等方向對BIM模型數據輕量化進行研究，簡化了BIM模型，及提升了模型解析速率。但輕量化后的海量BIM模型數據因輕量化程度及渲染性能受限仍無法在Web端實現快速加載。由此，眾多學者從渲染場景管理角度進行研究，以降低Web端模型數據加載量。文獻[13-14]在基于雙層稀疏體素的BIM模型室內外空間混合索引結構構建和基于增量興趣視錐的多粒度數據漸進式裝載等方面進行了深入探索。文獻[15]集成多細節層次(level of details，LOD)與視錐體剔除(view-frustum culling)技術動態調整場景物體內存分配，降低了GPU內存開銷。然而，這些方法可見性檢測效率及準確性低，仍存在巨大渲染管線開銷。文獻[16]對壓縮后的LOD模型進行基于稀疏體素的射線投射可見性交互測試，避免了大量不正確的可見性測試結果。然而，構建高分辨率的體素較球體等包圍盒將占有更多的內存空間。

鑒于此，本文針對三維模型數據加載量大及場景構件可見性檢測準確率低導致渲染幀率低的問題，提出一套面向網絡的BIM在線可視化實施方案。該方案選取glTF格式作為模型轉換目標格式，在保證模型網絡化顯示前提下，實現模型數據高效壓縮；此外，引入BS-AB算法對場景構件進行可見性檢測，在保證模型高性能渲染前提下，實現場景構件有效剔除。實驗結果表明，與BIMviews等可視化系統相比，本文方法在保證模型語義完整性及數據互操性前提下，其模型渲染及交互更為順暢。

1 研究方法

1.1 研究框架

本文結合當前IFC標準文件與WebGL框架集成方案存在模型語義完整性差及數據互操性弱等問題，對IFC標準文件及WebGL可支持文檔進行了分析，并通過比對模型渲染場景管理策略優劣，提出一套面向網絡的BIM在線可視化實施方案。該方案以IFC標準文件作為輸入數據源，首先對BIM模型進行重構，構建基于IFC結構樹的構件實例層次拆分策略，對原始IFC文件實施數模分離，拆分為儲存建筑幾何空間信息的IFC模型文件和儲存建筑構件語義屬性的JSON文件；然后，構造IFC-glTF轉換框架，將重構后的IFC模型文件向glTF格式文件進行轉換，并在轉換過程中完成IFC幾何空間及JSON語義屬性到glTF的雙重關系映射；最后，通過同時引入球體(bounding sphere，BSphere)和軸對齊包圍盒(axis-aligned bounding box，AABB)碰撞檢測算法，構建基于BVH的BS-AB場景構件可視性檢測算法，對渲染場景中的建筑構件進行可見性剔除，從而實現三維模型數據Web端快速加載和高效渲染。研究方法與流程如圖1所示。

1.2 數據轉換策略

IFC因其具有很強的兼容性和伸縮性，成為AEC/FM行業數據交換及共享的通用數據文件格式[17]，其不能直接作為3D格式用于圖形顯示，需將其轉換為WebGL可支持文檔層面以進行模型可視化。glTF是一種面向實時渲染應用而設計的圖形語言交換格式。其將節點層次結構等場景描述信息、模型幾何及動畫圖像等數據信息分塊存儲[18]，而模型加載時通常只需加載JSON文本格式的glTF文件，其他塊文件可通過外部引入直接傳遞給圖形API而無需額外的解析和轉換。可見，glTF格式文件不僅能極大的壓縮原始IFC文件，也能在保證模型語義完整性和數據互操性的前提下，實現模型數據在Web端的高效傳輸和快速加載。因此，可將glTF作為IFC模型文件轉換的目標格式，完成BIM模型的網絡可視化。其轉換思路如圖2所示。

圖1 基于IFC和WebGL的BIM模型數據可視化方法流程圖

圖2 IFC-glTF數據轉換思路示意圖

1.3 場景管理策略

在實際渲染過程中，一個渲染場景通常存在數以萬計的建筑物構件，而往往網絡帶寬、內存容量及渲染性能受限，如果對渲染場景中的所有構件進行無差別渲染繪制，將會對GPU造成極大的性能開銷，從而降低圖形渲染效率。因此，對渲染場景的組織管理和調度優化極為重要。對渲染場景的管理優化存在諸多解決方案，如可見性剔除[19]、興趣區域設定[20]、LOD索引結構[21]以及批次調用繪制。

瀏覽器模型數據視野范圍是通過視點位置及視錐體構成的，通常只是整個渲染場景的一部分。因此，通過可見性剔除進行渲染場景組織管理是一種應用比較廣泛的場景管理方法。視錐體剔除、背面剔除(back face culling)和遮擋剔除(occlusion culling)是3種應用較多的可見性剔除技術，其技術對比如圖3所示。

圖3 渲染過程中常見可見性剔除技術對比示意圖

背面剔除在光柵化階段進行，通過剔除背向視點的片元以提高渲染性能，是原生OpenGL所支持的可見性剔除算法；遮擋剔除能剔除被可視物體遮擋的不可視物體，雖可降低渲染管線及GPU性能開銷，但其基于硬件實現，且需收集被遮擋物體和遮擋物體的位置信息，占用CPU資源。視錐體剔除在很多實時渲染中都存在，用以剔除掉視錐體視域外的多邊形或物體而只渲染視錐體視域內的幾何圖形，從而提高圖形渲染效率。相對來說，視錐體剔除算法適合應用于渲染場景組織管理。本文通過引入BSphere體和AABB盒碰撞檢測算法構建基于BVH的視錐體剔除算法，其算法原理如圖4所示。

圖4 基于BVH的BS-AB場景構件可視性檢測流程

2 實驗方法與流程

2.1 模型轉換

2.1.1 數模分離

原始IFC文件中，通常包含幾何信息(空間位置及空間關系等)和非幾何信息(屬性類型及材質貼圖等)，而在模型的轉換過程中，會經常造成建筑物語義屬性信息缺失，導致模型信息完整性不足。因此，需要將BIM模型進行數模分離，分開存儲并加載幾何空間信息與語義屬性信息，從而確保BIM模型的完整語義性。

IFC以樹的結構形式將BIM模型的建筑以及構件信息組織并管理起來。每個建筑構件實例均為IFC結構樹上的一個節點，而每個節點又與其父類節點或通過其父類節點和其他子節點之間存在包含、關聯等空間或屬性關系。比如，每個IfcWall實例作為子節點被包含在IfcWall父類節點中，而同理IfcWall父類節點又作為子節點因同被包含在IfcBuildingElement中與IfcDoor關聯。通過遞歸訪問IFC結構樹的每一個節點，將建筑構件實例的幾何屬性信息或其他BIM場景信息分層次導出，不僅能有效管理IFC文件，降低IFC數據冗余，也能為構件批繪制奠定基礎。基于IFC結構樹的構件實例層次導出具體見算法1。

算法1.基于IFC結構樹的構件實例層次導出算法。

Input：建筑模型中所有構件實例。

Output：建筑模型中具有建筑關系的構件實例集。

BIMServer提供了IFC文件管理、數據解析、格式化輸出等功能，本文也將通過BIMServer對整個建筑模型進行層次關系遍歷檢索[22]，通過對IFC結構樹的遞歸訪問，將建筑模型拆分為互相對應的IFC模型文件和JSON文本文件。IFC模型文件儲存BIM空間和幾何信息，而JSON文本文件存儲BIM屬性和類型信息。數模分離過程如圖5所示。

圖5 數模分離過程

Fig. 5 Digital-analog separation process

2.1.2 數據轉換

在過去研究中，將IFC格式文件轉換為GLTF格式文件存在諸多解決方案[23-24]，例如文獻[24]選取OBJ文件作為中間格式過度，首先調用IfcOpenShell庫中的IfcConvert工具將IFC文件轉換為OBJ文件，然后通過AGI(Analytical Graphics，Inc.)公司推出的obj2gltf工具將OBJ轉換為GLTF格式文件，從而實現IFC到glTF的整體轉換；本文通過調用Revit API，繼承IExternal Command (外部命令)和IExternal Application (外部應用)接口，構建基于C#語言的IFC-glTF轉換框架，通過Revit2gltf實現glTF模型文件輸出。數據轉換過程如圖6所示。

圖6 數據轉換過程

2.1.3 數據映射

通常，在BIM模型轉換過程中需要完成幾何信息到WebGL的空間關系映射。這是由于IFC文件中的構件位置坐標信息由IfcLocalPlacement屬性定義，通常采用局部坐標系，而WebGL為全局坐標系。因此，IFC模型構件與WebGL相機建立聯系必須進行坐標系空間轉換，主要包括模型變換和視變換。從局部坐標系到世界坐標系的坐標轉換實際上是空間幾何圖形經平移、縮放和旋轉單獨或組合變換而成。考慮笛卡爾坐標系統采用右手法則，此處以繞軸為例，如圖7所示。

圖7 空間圖形平移、縮放和旋轉示意圖

若該圖形如圖7所示繞軸旋轉，因所示繞值不變，可忽略值變換。此時設為原點到點Local(,,)的距離，為軸旋轉到該點的角度。依據三角函數方程即可得點Local(,,)繞軸旋轉角度時的旋轉矩陣，即

同理可得繞軸旋轉角度時的旋轉矩陣和繞軸旋轉角度時的旋轉矩陣。

綜上，IFC模型文件幾何信息可通過式(5)進行空間坐標系轉換，完成構件幾何信息到WebGL的空間關系映射，即

其中，=為頂點繞坐標軸旋轉時的旋轉轉換矩陣。經數模分離及數據轉換后，在Three.js中通過構造函數“Loader”將glTF模型文件和JSON語義屬性文件引入至同一場景對象中，完成幾何模型和語義屬性信息在WebGL的加載。

2.2 場景管理

2.2.1 視錐體剔除

視錐體剔除通過運用渲染場景中的空間相關性來判斷場景模型是否在視錐體內部或者與視錐體相交來進行剔除操作。視錐本身通常由6個裁剪面構成，其裁剪面右剖面如圖8所示。為視錐體垂直方向的張口角度；D和D分別為視點到近裁剪面和遠裁剪面的距離；H和H分別為近裁剪面和遠裁剪面的高度。

圖8 視錐體右裁剪面剖面圖

假設攝像機的縱橫比為，右裁剪面側某頂點(0,0,0)。根據幾何關系，可通過式(6)計算該頂點到右裁剪面的距離，從而判斷該頂點與右裁剪面的空間關系，即

若<0，則頂點在視錐體外側；若≥0，則頂點在視錐體內側。這是因為涉及裁剪空間變化時，左右手坐標系發生更改，裁剪面法向量指向視錐體內。根據某構件所有頂點與裁剪面的空間關系，可確定整個構件與視錐體是否存在內含、相交或外離關系，從而確定是否對構件進行加載渲染。

2.2.2 基于BVH的BS-AB場景構件可視性檢測算法

使用具有層次結構的空間數據結構組織場景并構建體積略大但幾何特征相對簡單的包圍盒近似描述構件，是解決復雜場景線性數組遍歷低效和復雜構件視錐相交測試困難的有利途徑。層次包圍體BVH是一種常用的空間數據結構。其將場景中的物體進行基于空間信息的層次樹狀結構組織管理，從根節點往下依次包含內部節點和葉子節點。

因此，BVH結構樹可以根據IFC構件樹進行創建。在此，將視錐場景視為一個根節點，每一個IfcBuildingElement (如IfcWall、IfcDoor等)作為一個類別放置在內部節點中，則每個類別下的族即為葉子節點。當葉子節點內部仍存在不同構件時，可依照族、族類型繼續構建BVH樹，直至葉子節點中包含族實例。

在場景中添加包圍體的目的是通過精確的碰撞檢測對包圍盒外幾何體過濾。常用的包圍體有BSphere體、AABB盒。BSphere體算法是基于球體半徑與球心到視錐裁剪面距離實現。若<-，則球體與視錐體外離，不進行加載；若||<，則球體與視錐體相交，進行加載；若>，則球體在視錐體內，進行加載，其結構如圖9所示。AABB盒算法是基于包圍盒頂點與視錐裁剪面距離實現，通過判斷包圍盒頂點是否在視錐體內或某兩點之間連線是否穿過視錐體確定是否對包圍盒進行加載，其結構如圖10所示。

圖9 球體層次包圍盒樹結構示意圖((a)利用球體包圍場景構件；(b)層次結構樹)

圖10 AABB層次包圍盒樹結構示意圖((a)利用AABB盒包圍場景構件; (b)層次結構樹)

BSphere體構造及相交測試雖簡單，但緊密性太差；AABB盒雖支持動態更新且檢測更為準確，但更新效率太低。由此，本文提出先對場景構件進行BSphere體預檢測，剔除粗略松散的構件，再通過AABB盒檢測，進一步篩選，快速達到最優檢測結果。具體見算法2。

算法2.基于BVH的BS-AB場景構件可視性檢測算法。

Input：場景內所有構件。

Output：場景內可視構件。

當視錐體與層次包圍體進行碰撞檢測時，先進行BSphere體預檢測，從根結點開始依次對每一個節點進行遞歸訪問，剔除掉外離的內部節點和葉子節點，將內含的內部節點以及與視錐體相交的內部節點內含的葉子節點進行加載。另外，對與視錐體相交的內部節點內仍與視錐體相交的葉子節點進行AABB盒檢測，剔除掉與視錐體外離的包圍盒。利用此算法在保證視錐體剔除效率的基礎上，不僅降低了渲染管線性能開銷，也提高了可視構件檢測的準確性。

3 實驗與結果分析

為了驗證模型轉換策略和場景管理策略的有效性，本文從公開數據集Open IFC Model Repository和各BIM模型數據庫中收集了10個建筑物場景組成實驗數據進行實例驗證。本實例驗證以配置為Intel(R) Core(TM) i7-8700@3.20GHZ 六核處理器、16 GB內存、NVIDIA GeForce GTX 1060顯卡以及64位Windows10操作系統的筆記本電腦，基于Chrome瀏覽器和Three.js框架實現。實驗中所有測試數據的IFC版本均為IFC2X3，具體見表1。

表1 實驗測試數據集

3.1 模型轉換策略有效性分析

本文針對文獻[7-8]中模型轉換后三維模型數據加載量大且加載時間長問題，提出以glTF作為模型轉換目標格式實現網絡加載。對此，本文對去語義屬性的IFC模型文件進行了模型轉換實驗。

從圖11中可以發現，隨著模型文件體量增大，glTF體積緩慢增長，而obj增長較塊，且遠大于glTF文件。這是由于原始IFC文件經數模分離及格式轉換后，僅有少量信息被存儲在glTF文件中，而大部分信息保存在bin文件下。

圖11 轉換后模型文件大小

從表2中可以發現，盡管由于建筑場景的不同，轉換后的模型整體文件大小及轉換所需要的時間有所差別，但glTF格式壓縮率均在90%以上，相較于obj格式有明顯的壓縮優勢。因此，將gLTF作為模型轉換目標格式對降低三維模型數據加載量有效，也將更利于Web端三維模型數據快速加載。

3.2 場景管理策略有效性分析

本文針對場景構件可見性檢測效果差導致渲染幀率低問題，提出利用基于BVH的BS-AB場景構件可視性檢測算法對建筑構件進行可見性檢測及剔除。對此，本文以Medel 10作為實驗對象，設置了10個同一角度、同一視點但視點與模型距離不一的視錐場景，如圖12所示。之后在不同視錐場景下，分別從FPS值及畫面單次渲染時間等參數方面與其他渲染系統進行性能比較，從而驗證本文策略是否對場景可視構件管理工作有效。

表2 模型轉換結果

圖12 場景視點設置示意圖

實驗中，BIMviews所依賴的BIMServer服務器版本為BIMServer1.5.88。Chrome網頁瀏覽器為64位的84.0.4147.89版本。實驗過程中，通過開啟Chrome瀏覽器Rendering監聽器中的FPS mater對3D場景繪制區域進行FPS監聽；借用stats.js庫對場景區域進行Rendering time監測。此外，BIMviews加載IFC模型文件，其他方法均加載glTF文件。實驗結果如圖13、14所示。

從圖13可以發現，隨著視點與模型的距離縮小，視錐體內構件數量降低，整體FPS值均在逐漸上升，但其他2種方法增幅較小且不夠穩定。且在Distance 5之后，視錐體內構件數量大幅降低，本文方法視錐體剔除效果明顯，渲染幀率穩步上升。從圖14可以發現，在Distance 5之前，2種方法下的畫面單次渲染時間差別不大，但在Distance 5之后，本文所用方法下的畫面渲染時間下降明顯。通過實驗對比，驗證了本文BS-AB場景構件可視性檢測算法的可行性和場景管理策略的有效性，可以滿足BIM模型數據網絡可視化的流暢需求。此外，在實驗過程中發現，BIMviews加載實驗對象IFC文件及獲取模型數據較慢，平均在40 s左右，卡頓明顯。而利用Three.js加載glTF文件至Web 3D完整顯示平均只需要7 s左右，再次驗證了glTF格式比IFC格式更適合BIM模型數據基于Web三維顯示及交互。

圖13 FPS對比分析

圖14 畫面渲染時間對比分析

4 結 論

本文針對三維模型數據加載量大導致Web端加載緩慢以及場景可視性構件檢測準確率低導致畫面渲染卡頓問題，提出將glTF作為模型轉換目標格式，并通過基于BVH的BS-AB場景構件可視性檢測算法對場景構件進行可視性剔除。實驗結果表明，該方法大幅度降低了BIM模型數據量，且提高了模型可視構件檢測準確率，有較好的Web端模型加載及渲染效果。但是，本文方法無法對被遮擋構件進行可視性檢測，且對模型構件類型(如建筑或機電)檢測效果有所差別。后續工作將從LOD及遮擋剔除算法[25]著手，對渲染場景視錐體剔除后渲染管線和GPU性能開銷仍不理想的問題進一步優化。此外，將考慮結合Three.js和Cesium.js，以更好的實現三維模型與實景融合。

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Research on web-oriented visualization method of 3D architectural model

BIAN Gen-qing, CHEN Wei-tao

(School of Information and Control Engineering, Xi’anUniversity of Architecture and Technology, Xi’an Shaanxi 710055, China)

Aiming at the problems of poor model semantic integrity and weak data interoperability in the current industrial foundation class (IFC) standard file and WebGL framework integration scheme, a set of building information model (BIM) data network visualization implementation schemes are proposed. The program uses IFC standard files as the input data source, first reconstructs the BIM model, and proposes a component instance hierarchical split strategy based on the IFC structure tree to implement the digital and analog separation of the original IFC file. Then, the reconstructed IFC model file is converted to the glTF format file, and the dual relational mapping of geometric space and semantic attributes is completed in the conversion process. Finally, the BS-AB scene component visibility detection algorithm based on the Bounding Volume Hierachy (BVH) structure is proposed to perform the construction component Visibility culling. The experimental results show that this method can significantly reduce BIM model data redundancy, efficiently complete the elimination of invisible components in complex BIM scenes, and reduce the overhead of the rendering pipeline. It is a provides a feasible reference solution for the visualization of BIM model data based on the IFC standard and WebGL framework integration scheme. Network visualization provides a feasible reference solution.

3D visualization; building information model; industrial foundation class; WebGL; visibility culling

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050823

A

2095-302X(2021)05-0823-10

2020-12-11；

2021-03-23

11 December，2020；

23 March，2021

住房和城鄉建設部軟科學研究項目(2019-R-022)；陜西省軟科學研究計劃項目(2019KRM195)

Soft Science Research Project of the Ministry of Housing and Urban-Rural Development (2019-R-022);Shaanxi Province Soft Science Research Project (2019KRM195)

邊根慶(1968–)，男，浙江浦江人，教授，博士。主要研究方向為BIM技術。E-mail：bgq_00@163.com

BIAN Gen-qing (1968–), male, professor, Ph.D. His main research interest covers BIM technology. E-mail：bgq_00@163.com