CIM 平臺三維漫游功能的實現與優化技術研究

張 正，李 鑫

（中國電建華東勘測設計研究院（鄭州）有限公司，河南鄭州 400016）

城市信息模型平臺（City Information Modeling，CIM），融合了地理信息系統和建筑信息模型，實現了城市層面三維場景的數字化和虛擬化，涵蓋了城市建設體系多個層面的內容。近幾年，國內外學者針對CIM 的關鍵技術和應用等方面展開了一定的研究[1-3]。而虛擬漫游是CIM 建設的重要組成部分，可以讓使用者從不同的角度、距離和精細程度對城市場景進行動態交互的觀察和操作，以輔助城市管理者進行更加科學的規劃決策。

以往對漫游的研究主要集中在室內漫游或者校園、園林漫游等層面，如周信文等人基于Unity3D 設計了南昌地鐵一號線的虛擬漫游系統[4]，閆秋羽等人研究了三維室內設計和人物漫游技術[5]，劉菲菲和王藝儒分別使用Virtools 和Unity3D 創建了校園漫游系統和校園車輛漫游系統[6-7]，劉曉崢等人則設計開發了嵩山地區的三維虛擬漫游旅游系統[8]。目前針對CIM 平臺漫游功能的技術研究還較為欠缺，因此，為迎合CIM 平臺漫游功能的未來應用需求，該文以灃西新城為研究案例，結合CIM 平臺的場景模型特點以及漫游的關鍵技術難點，對CIM 平臺漫游功能和優化技術展開研究。

1 研究思路

1.1 研究內容

灃西新城是國家級新區西咸新區的重要組成部分，作為西部科技創新引領區，其已搭建起一套融合多維城市數據的CIM 平臺，涵蓋市政規劃、城市規劃、道路橋梁建設等多個層面。該文依托該CIM 平臺，結合漫游功能未來的應用場景，對以往的漫游提出優化策略，具體的研究內容如下：

1）結合CIM 場景模型，提出多方式便捷化的漫游路徑創建方式；

2）優化漫游控制[9]，提高漫游的靈活性，實現更加真實的漫游效果；

3）研究碰撞檢測算法，實現漫游路徑的自動糾正功能；

4）實現漫游的行走、駕駛、飛翔多種運動模式，并可自由切換。

1.2 技術路線

根據研究內容和漫游的具體操作方法，該文提出了實現漫游功能的整體技術路線，如圖1 所示。

圖1 CIM平臺的漫游功能技術路線

2 功能實現及關鍵技術

2.1 基本場景搭建

依托灃西新城的信息模型數據，該文以vue 前端框架和springboot 后端框架為基礎，使用CesiumJs 引擎快速搭建CIM 城市三維場景[10]。

由于CIM 平臺中影像、模型數據體量十分龐大，需要采用一定的圖形繪制加速方法提高場景瀏覽的流暢性。目前主要有三種方法可以實現圖形的實時高速繪制[11]：

1）可見性判斷，分為外部判斷和內部判斷，外部判斷剔除視點之外的多邊形，內部判斷剔除被遮掩的多邊形[12]；

2）紋理映射，通過位圖表達表面細節，根據模型離觀察者視點的距離動態調整位圖的分辨率[13]；

3）多邊形簡化，使用多層次細節算法（LOD）來減少多邊形的數量，對于近處物體展示細節，對于遠處物體只展示其外輪廓[14]。

CIM 平臺漫游的三維場景搭建如圖2 所示。

圖2 CIM平臺漫游的三維場景搭建

2.2 關鍵功能實現

2.2.1 路徑設置

漫游路徑的本質是由一系列路徑站點連接構成的空間曲線。要構建漫游路徑，必須先獲取站點。單個站點的參數如表1 所示。

表1 漫游站點參數

CIM 平臺已具備三維空間坐標，在CIM 的三維空間中可任意選取漫游視角點位。結合使用者的操作習慣，獲取站點的方式一般有兩種，一是通過在三維場景中點擊選中某些點作為路徑的站點；二是通過導入已設定好的漫游站點數據文件進行設置。

結合CIM 平臺的功能特點，可通過兩種更加便捷高效的方式進行路徑設置：

1）通過當前視口獲取。直接記錄當前場景視角的數據作為站點，可以讓使用者獲得漫游過程再現的感受；

2）通過道路模型的中心線轉化。由于CIM 涵蓋了道路、河流等多種模型，故可獲取模型的中心線信息，并將其轉化為路徑站點，以實現沿道路、河流方向漫游的效果。通過CIM 的最短路徑搜索功能，還可以實現城市道路網絡的點對點最近漫游。

2.2.2 漫游控制

1）速度控制

為了實現好的漫游效果，需控制漫游速度，并在漫游過程中保持勻速漫游。漫游速度的控制可以通過控制漫游時間來實現，而由于漫游路徑每一段的長度并不相同，勻速漫游情況下每一段的漫游時間也不相等，可以計算出每一段的漫游長度di，再根據總的漫游長度dw和漫游時間tw推算出每一段的漫游時間ti，每一段漫游長度di的計算公式如式（1）所示：

式中，xi為第i段漫游x軸差值；yi為第i段漫游y軸差值；zi為第i段漫游z軸差值；di為第i段漫游長度。

2）視口控制

漫游過程需進行視口控制，以給使用者真實的方向感。漫游的視口控制可通過控制heading、pitch、roll 三個視角參數來實現。可計算漫游路徑每一段的視角參數差值，然后在每一段路徑進行多次相機視角變換，來控制視口嚴格地沿著路線方向變換。視角變換的頻率set 可根據每段漫游的設置時間而定。視角變換的關鍵代碼如下：

3）重力控制

為了使用者有更加沉浸式的體驗感，有時也需要在漫游過程中進行重力模擬。漫游的重力模擬可以通過操作貼地漫游來實現，即控制漫游在每個時段與下方地形或建筑物的高度差ht始終保持在一個固定數值，具體的模擬算法見2.3.2 節。

由于漫游在開啟重力模擬過程中，會貼地漫游，其豎直面的漫游路徑不再是一條直線，而是一條不規則曲線，故為實現勻速漫游，需根據漫游時間重新運算來進行控制。

2.2.3 路線糾正

在漫游過程中，需準確地判斷漫游對象與飛行路線上的場景模型是否發生了碰撞，以增強漫游的真實性和體驗感，同時也方便使用者更正漫游路徑，具體的碰撞檢測算法見2.3.1 節。

當在漫游測試中檢測到前方有障礙物時，可根據障礙物位置獲取障礙物模型的數據信息，然后根據模型數據規劃繞行路線。

漫游路線糾正的整體流程如圖3 所示。

圖3 漫游路線糾正流程

2.2.4 模式選擇

通過對漫游重力、速度、碰撞的控制，并結合不同類型的三維場景展示，可以實現漫游的多模式選擇功能，各漫游模式的具體配置如表3 所示。

表3 漫游模式配置

2.3 核心算法及技術

2.3.1 碰撞檢測算法

該文采用基于AABB 包圍盒的碰撞檢測算法[15]，AABB 包圍盒即軸對齊包圍盒，其滿足如下條件：

式中，lx、ux、ly、uy、lz、uz分別是該AABB 包圍盒在X、Y、Z坐標軸上投影的最小值和最大值坐標。該算法的基礎是空間直線與空間多邊形的求交，可以判斷在漫游過程中漫游對象是否與地形或建筑物發生碰撞。其檢測步驟為：

1）獲取當前漫游對象的視點為V；

2）獲取沿路線route 方向距離為d的點M；

3）獲取周圍要素的長方體坐標范圍；

4）判斷VM和周圍要素是否相交，如果不相交，則可進行到下一個位置M，如果相交，則執行步驟5）；

5）根據當前位置坐標獲取障礙要素的模型數據，由路線和模型輪廓數據計算出繞行路線routec，將其內插到路線route 中，進行下一個點M的檢測。

2.3.2 重力模擬算法

在整個漫游過程，獲取漫游路徑水平投影范圍內的地形高程和建筑物高程，再控制漫游高度與地形和建筑物高程之間的差值在一定范圍之內，如下：

式中，ht表示第t時段漫游的高度；hbt表示第t時段漫游路徑投影下的地形或建筑物高程；hm表示視點與地形或建筑物的高度差。

該算法的核心是獲取路徑投影范圍內地形和建筑物的高程，CesiumJS 根據模型類型的不同提供了不同的api 接口。整個漫游過程重力模擬的具體步驟如下：

1）獲取漫游路徑及其水平投影lp；

2）根據漫游時間tw以一定時間頻率將漫游過程劃分為多個漫游時段lt；

3）在每個時段lt中，判斷漫游路徑水平投影范圍內的虛擬對象是地形還是建筑物，再根據CesiumJS提供的api分別獲取其高程hbt；

4）根據式（3）計算t時段漫游高度ht；

5）根據漫游高度的變化重新修正漫游路徑。

3 案例應用研究

3.1 功能實現效果

基于以上研究，該文設計了CIM 平臺的漫游功能。功能的最終實現效果為在CIM 的城市空間場景中，使用者可通過多種方式設置不同場景下的漫游路徑，然后按照設定的路徑軌跡進行定向漫游，同時支持時間參數設置，支持速度、重力和碰撞控制，提供行走、駕駛、飛行三種模式。針對錄制完成的漫游，可點擊漫游列表重新進行播放。對于城市街景、建筑模型等三維場景，支持室內與室外漫游。

3.2 功能運行效果

基于灃西新城CIM 平臺的現有場景和功能，該文設計并完成了CIM 平臺的三維漫游功能，可以看到整個程序的運行效果如圖4 所示。

圖4 CIM平臺的漫游功能運行效果

該功能可讓使用者通過漫游觀察工程的整體效果，未來還可以基于該系統進行一些擴展，應用于城市規劃、建筑設計等領域，如結合仿真技術實現人流與車流的三維仿真，以更好地輔助交通規劃決策，結合VR 技術實現城市景觀虛擬與現實相融合[16]，以更好地輔助城市規劃布局等。

4 結束語

該文根據CIM 平臺的技術特點和應用需求，提出了CIM 平臺的漫游功能優化內容，基于此研究了各關鍵功能的實現技術與方法，并以灃西新城為案例，設計并實現了CIM 平臺的三維漫游功能。該文獲得的成果如下：

1）根據CIM 場景模型特點，提出了視口獲取和模型中心線提取兩種更便捷的漫游路徑設置方式；

2）通過速度控制、視口控制、重力模擬等多種控制方法實現更真實地漫游效果；

3）通過AABB 包圍盒碰撞檢測算法及障礙物模型數據獲取方法，實現漫游路線自動糾正；

4）結合漫游的重力、速度、碰撞控制和場景切換，實現多模式下的漫游效果。