CIM 數字底座輕量化關鍵技術研究

肖康 施晨歡 張彥鵬

（華建數創（上海）科技有限公司，上海 200011）

引言

2021 年5 月，住房和城鄉建設部頒布了《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》（修訂版），其中城市信息模型（City Information Modeling，CIM）被定義為“以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IoT）等技術為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度空間數據和物聯感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體[1]”。上海市住房城鄉建設管理委會同市經信委于2022 年9月聯合印發《關于開展上海城市信息模型（CIM）底座建設的指導意見》，并充分運用最新的信息技術，歸集全市白模、精模、地下管線與構筑物、區域CIM 和工程建設BIM 等三維數據以及燃氣、交通路況等IoT數據，完成數據匯聚與管理、數據查詢與可視化等五類基礎功能開發，實現數據二三維一體化、動態靜態一體化、地上地下一體化和分層分級可視化展示等分析能力，基本建成住建行業CIM 平臺[2]。

CIM 發展和應用的基礎和前提是建立一個全要素、大場景、美觀又實用的數字城市三維時空底座。CIM數字底座建設中的主體框架是BIM+GIS，可輔助IoT采集視頻、傳感器等數據來構建整個CIM 數字底板。

目前，多源異構三維模型的集成與兼容仍存在諸多技術難點，主要體現在模型數據融合難、模型加載效率低及渲染性能差等問題[3]。而在實際CIM 項目建設過程中，三維數字底板模型部分多以三維手工建模、傾斜攝影為主，距離全場景承載BIM 模型的目標尚有差距[4]。

1 關鍵技術要點

1.1 技術路線

針對于這些實際項目中遇到的技術難點，本文提出了一套解決方案：

（1）針對于BIM 模型實現數模分離、壓縮優化，并對OBJ、FBX 等格式三維人工建模模型進行模型輕量化；

（2）對所有類型的模型在治理優化的基礎上統一形成.cim 的標準格式模型；

（3）自定義的.cim 格式支持雙向轉換，即從.cim轉出OBJ、FBX 等40+種格式；

（4）基于統一的.cim 格式，同時支持目前CIM 主流引擎—游戲引擎、WebGL 等多源引擎融合加載渲染，即用一套模型實現多引擎支持。

(2)地理上的集中本身就有助于商品制造者、供給者與顧客之間產生一種更為自由的信息傳播，相當數量的創新正是由于顧客需要和解決供給問題而產生的結果.

CIM 數字底座輕量化技術路線如圖1 所示。

圖1 CIM 數字底座輕量化技術路線

1.2 模型治理優化工具

模型治理優化工具的核心是對BIM 模型的輕量化。本文通過Revit 二次開發將BIM 模型的結構化的構件信息與非結構化的渲染信息數據進行壓縮優化，并根據數據類型采用對應的數據存儲方式進行分離存儲，以達BIM 模型的高度輕量化。其主要包括以下三個步驟：

（1）數模分離

首先提取模型中的幾何數據和模型中的非幾何數據，并建立構件幾何索引字典映射，自動分析幾何標高信息提取出當前幾何樓層信息，對非幾何數據進行去重、合并和優化等操作，減小數據存儲量[5]。

（2）網格簡化

然后采用QEM 網格簡化算法結合權值計算及累積簡化誤差度量進行三角網格簡化，在不損失模型精細度的情況下簡化幾何特征值精度并計算最優頂點收縮，使頂點數與三角面數減少以達到局部簡化最優性[6]。

（3）壓縮優化

將簡化后的構件幾何數據按每500個壓縮為一個包，拆解為N 份，根據拆分標識與幾何字典映射生成數據索引，并進行分塊壓縮，大幅降低BIM 模型的體積[7]。

圖2 BIM 模型輕量化流程

1.3 CIM 統一標準模型格式

本文提出的CIM 統一標準模型格式（.cim），主要分為索引數據、幾何數據和屬性數據三部分。其中，.cim索引數據文件主要包含關聯模型、幾何分組、材質索引、模型源點及模型版本等信息；.pack 幾何文件主要包含屬性索引、顏色、法線、頂點及UV 等信息；.cdp屬性數據文件主要包含基礎屬性（構件屬性）、屬性分組（關聯模型）、標高（樓層劃分）、房間（房間劃分）及版本等信息。通過數模分離、重新分類和無損壓縮，可以實現在多源引擎中使用WebWorker 多線程按需組裝加載[8]，各部分的模型格式組成如圖3 所示。

圖3 CIM 統一標準模型格式組成

1.4 多格式雙向轉換

人工建模模型的格式種類繁多，本文基于CIM 統一標準模型格式，將多達40 多種三維格式轉換為.cim，同時支持將.cim 格式轉換回原格式。通過.cim 模型插件對模型(.cim、.pack、.cdp)進行二進制解密，并對壓縮后的非結構化幾何數據進行重組，結構化屬性數據進行序列化操作，然后通過插件將整個模型加載至一個場景對象，此對象承載模型所有數據，包含節點、幾何、材質和動畫等。

場景對象包含了場景根節點的引用，在根節點中包含了場景對象中所儲存數據的索引，每個節點都可以有多個子節點，形成模型節點樹。在節點中關聯場景對象的nMeshes 數組，此數組只存儲場景中網格數組的索引數據。場景下的Meshes 數組儲存了模型實際的Mesh 對象，Mesh 對象包含渲染所需要的所有相關數據，包含面、法向量、頂點位置、紋理坐標和材質數據。一個Mesh 包含多個面、材質對象，面包含了組成圖元的頂點的索引，表示點、三角形及方形類型的渲染圖元。由于頂點和索引是分開的，使用索引結構進行渲染大大提高了模型加載及處理的效率。材質對象包含物體的材質屬性，如顏色和紋理貼圖、漫反射和鏡面光貼圖等材質相關屬性[9]，多格式雙向轉換流程如圖4 所示。

圖4 多格式雙向轉換流程

1.5 多源平臺引擎融合

目前CIM 主流的應用平臺以由Unreal Engine 為代表的游戲引擎和基于網頁端的WebGL 引擎組成。游戲引擎以三維可視化、渲染效果為主，WebGL 引擎則側重于業務系統的建設[10]。這兩大類引擎對于三維模型的格式、存儲和傳輸各有不同的方式，在項目中往往需要兩套獨立的模型數據。本文基于所提出的CIM 統一標準模型格式，即可實現后臺同一套模型數據，游戲引擎和WebGL 同時讀取、加載和渲染的目標，從而實現多源平臺引擎融合。

2 技術實現

2.1 模型治理優化工具

針對于“重量級”BIM 模型可在本地生成輕量化包手動上傳至云平臺，減少模型處理失敗，網絡不穩定傳輸造成的處理失敗問題，同時支持將輕量化壓縮包進行本地部署，提高模型加載效率與模型安全性。上傳至云平臺是指在本地環境中將模型預處理后的輕量級壓縮包上傳至云平臺進行后續壓縮計算，有著不占用本地資源，批量處理的優勢。

基于自定義可控的CIM 標準格式模型，可以解析BIM 模型構件，進行構件級別精細化管理和信息統計匯總，如圖5 所示。

圖5 構件級別精細化管理和信息統計匯總

2.2 CIM 統一標準模型格式

本文以一座上海市歷史保護建筑的BIM 模型為例，按照圖2 的技術流程對BIM 進行數模分離、壓縮優化等處理，形成統一的標準模型格式(.cim)，原始模型大小118MB，無損輕量化后的大小為9.7MB，模型文件組成部分如圖6 所示。

圖6 CIM 統一標準模型格式

2.3 多格式雙向轉換

本文以.fbx 格式為例，通過開發轉換腳本，實現.cim格式與.fbx 格式的雙向轉換，轉換過程如圖7 所示，轉換結果如圖8 所示。

圖7 多格式雙向轉換腳本

圖8 多格式雙向轉換結果

2.4 多源平臺引擎融合

基于CIM 標準格式模型，實現大屏端、PC 端、移動端等多終端和跨平臺支持，針對目前CIM 主流的基于游戲引擎和WebGL 兩大類引擎，從模型和平臺層面實現了多源引擎的融合。

2.4.1 基于游戲引擎渲染可視化

通過CIM 配套的游戲引擎插件提取模型的頂點數據、法線、紋理坐標，重新解析并采用數組結構分散儲存為游戲引擎支持的Vertices、Normals、TextureCoords、Faces 數據，在游戲引擎內部采用ProceduralMesh、CreateMeshSection、GetAllFilesInDirectory、FindMeshInfo、LoadMesh 等函數還原為原始模型，同時該插件支持在UE 引擎下Runtime 模式中實時讀取模型數據，實現.cim 模型的無損轉換渲染及運行時動態加載，技術路線如圖9 所示，渲染效果如圖10 所示。

圖9 基于游戲引擎的加載、渲染技術路線

圖10 基于游戲引擎的無縫加載、渲染

2.4.2 基于WebGL 引擎渲染可視化

在模型渲染展示時，首先發起渲染請求，模型云平臺收到請求后反饋回模型索引數據，前端根據索引數據通過Web Worker 多線程請求與解壓處理模型數據包，并解析相應的幾何數據，在前端進行渲染，技術路線如圖11 所示，渲染效果如圖12 所示。

圖11 基于WebGL 引擎加載、渲染技術路線

圖12 基于WebGL 引擎加載、渲染結果

3 實現效果

輕量化結果與市場主流的BIMFace、盈嘉互聯、葛蘭岱爾和易景空間等4 個品牌等進行了定量比較，基于原始大小118.6M 的模型文件，從輕量化結果、前端加載大小、加載渲染時間和壓縮比率4 個維度進行了分析統計。本次實現的輕量化成果均占據明顯的優勢，優化后模型文件相比原始文件減少 92%，優化后模型前端加載量相比原始文件減少 98.5%，模型加載渲染僅耗時1.9 s，比較結果如圖13 所示。

圖13 與市場主流品牌定量比較

4 總結與展望

本文提出的CIM 數字底座輕量化關鍵技術已經在多個項目中實際落地，具有很大的應用價值，主要歸納為三個方面：

（1）完善了CIM 數據融合機制。模型治理優化工具將常用三維模型格式統一為CIM 標準模型文件格式(.cim) ，為CIM 提供完整的模型數據融合機制；

（2）提高了CIM 模型加載渲染效率。輕量化模型在保證模型精度、構件屬性不丟失的情況下，能夠基于多源引擎平臺大幅提高模型渲染效率。為CIM+應用、智慧園區、智慧工地等應用場景提供從宏觀到微觀、從室外到室內不同空間場景中無縫銜接、切換和瀏覽；

（3）實現了模型在幾何實體、承載信息等方面的精簡、轉換、縮減的過程。減少重復性人工模型簡化工作，加快項目交付。