多維圖形引擎融合研究與應用

收稿日期：2023-01-31；接受日期：2023-04-06

基金項目：國家重點研發計劃項目（2021YFB2600404）

作者簡介：

楊禮國，男，高級工程師，碩士，主要從事工程數字化及BIM相關工作。E-mail：yang_lg2@hdec.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 03-0006-07

引用本文：楊禮國，劉秋燕，鄭利龍，等.多維圖形引擎融合研究與應用［J］.人民長江，2024，55（3）：6-12.

摘要：

圖形引擎技術發展迅速，但是存在各類引擎間不兼容、不互通的問題，單一圖形引擎無法滿足工程數字化項目從微觀到宏觀、從構件到城市級的全場景應用需求。對多維圖形引擎間的融合問題進行了研究，通過對多類引擎進行融合式界面視覺設計、融合式人機交互設計、標準化接口設計、低割裂感跳轉設計、標準化應用場景設計等措施實現多類圖形引擎的融合，有效解決了現有各類引擎間交互方式不同、開發接口不適配、切換割裂感強、引擎應用邊界不清晰的問題。以實際工程案例對提出的融合引擎方式進行了測試，平臺應用的引擎數由1個變成了4個，流暢性大幅提升，顯示效果也更加優異。該技術可為工程行業的數字孿生體全要素、全過程的可視化掌控提供有力的技術支撐。

關鍵詞：

圖形引擎； 引擎集成； 地理信息模型； 建筑信息模型； 數字孿生

中圖法分類號： TP391.41

文獻標志碼： A" " " " " " "DOI：10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.002

0引 言

近年來，BIM、CIM、數字孿生流域、元宇宙等概念發展興起，其背后是圖形引擎技術的快速發展［1-2］?？焖侔l展的圖形引擎技術也助力水利水電行業，賦能智慧水利數字孿生建設。目前圖形引擎從應用范圍上可以分為四大類［3］：二維GIS引擎、三維GIS引擎、BIM圖形引擎以及高渲染可視化引擎。每一類圖形引擎都有其顯著的優勢和劣勢，單一圖形引擎無法滿足工程數字化項目從微觀到宏觀、從構件到流域級的全場景應用需求［4］。

現階段圖形融合的研究方式是不斷擴充單一圖形引擎的能力邊界，從數據層面和顯示層面不斷加強引擎的能力［5-6］。如基于UE4構建的一系列高渲染可視化引擎，針對多源數據轉換進行了大量的研究，不斷支持其他引擎的數據，并支持GIS類的3DTiles數據，但加載性能距離原生引擎還有明顯差距；Bentley的iTwin引擎增加了對二維GIS數據的支持，但僅僅支持WMTS格式數據源，且僅能作為背景顯示，易用性和API接口豐富程度都不夠理想；基于Three.js開源技術路線實現的一系列BIM圖形引擎，也在不斷加強其對于多源數據格式的接入能力和顯示效果，但數據的承載能力始終是其短板；基于MapBox、Leaflet等開源技術構建的二維GIS引擎，也在增加對于三維模型的支持，但渲染效果和加載效率相比三維引擎都有明顯的差距；基于Cesium開源技術路線構建的三維GIS引擎，雖然不斷優化BIM數據的支持能力和承載能力，但實際應用表明引擎顯示效果、數據承載量、BIM應用能力和用戶需求還有很大差距。此外，一些CIM可視化平臺已經嘗試使用多圖形引擎來解決上述問題，但并未深入研究融合效果與應用，相關科研成果較少。總體來看，傳統的圖形引擎研究以加強內部能力為主［7］，缺乏外部融合，沒有考慮引擎之間的協同，較少做相應的研究工作。為此，本文提出一種多維圖形引擎融合方法，將多維圖形引擎的用戶界面、交互方式、開發接口、切換模式、應用場景進行融合設計，實現了多類圖形引擎的流暢跳轉，為水利工程管理過程中的不同場景的數字化應用提供了有力技術支持。

1常見引擎分類

1.1二維引擎

二維GIS引擎是起步最早、標準化程度最高也最成熟的圖形引擎，用于對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行分析、顯示和描述，其具有輕便、簡潔、信息表達簡明扼要的優點，但不夠直觀，展示能力有限，其典型應用場景是交通導航、土地規劃、專題圖展示，如圖1所示。

1.2三維引擎

相比二維GIS引擎，三維GIS引擎為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺，將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化［8-10］，人們結合自己相關的經驗就可以理解，從而做出準確而快速的判斷，但其對于硬件和軟件技術的要求也更高。三維引擎擅長大場景管理和海量數據加載［11-12］，空間數據分析能力強，缺點是顯示效果差，無法承載小范圍內大體量精細模型數據，其典型應用場景是可視化展示［13］、三維空間分析等，如圖2所示。

1.3BIM圖形引擎

BIM圖形引擎是伴隨著BIM技術的發展而發展起來的，相比于GIS引擎，BIM圖形引擎更關注于BIM數據的應用和呈現，能夠更完整地保留原始BIM模型的信息，更適用于資產數字化交付和工程管理，其典型應用場景是BIM資產管理、工程全生命周期管理，如圖3所示。

1.4可視化引擎

高渲染可視化引擎和傳統BIM、GIS軟件使用的三維引擎相比，在畫面表現上無疑是完勝的，近乎真實的光影、照片級的畫面、酷炫的動畫，引人入勝。目前高逼真渲染圖形引擎主要有兩條技術路線，分別是基于Unreal Engine和Unity Engine。隨著行業對可視化

效果要求的不斷提升，加上游戲引擎開發商在非游戲行業的不斷發力，近年來市面上已經涌現出一批利用游戲引擎為AEC（建筑、工程和施工行業）領域提供可視化解決方案的企業和成功案例。但其缺點也十分明顯，就是美工投入大，硬件要求太高，支持的用戶并發數也偏少，典型應用場景是可視化仿真模擬。

2多維引擎融合難點分析

當前國內市場圖形引擎呈現百花齊放狀態，國內外均有相關產品［14-15］。筆者結合項目實際應用情況，調研了4類引擎共12款產品，引擎對比情況見表1。調研引擎功能應用覆蓋二維GIS、三維GIS、BIM及高渲染可視化引擎各個方面［16-18］，且各有成功的實施案例，但沒有一款集成所有優勢、覆蓋全部場景的引擎［19-20］。綜合性項目在使用多個引擎時，迥異的技術路線也使得引擎的二次開發難度變大。針對以上這些問題，本文提出了多維引擎方案。

2.1引擎交互方式不同

由于每一類引擎的應用出發點不同，其交互方式也有很大差異。以鼠標右鍵為例，在BIM圖形引擎里鼠標右鍵是選擇或平移，在三維GIS圖形引擎里則可能是放大縮小操作。表2列出了3款圖形引擎的鼠標交互情況。如果在一個項目里同時使用兩種引擎，則需要對引擎的交互進行改造，確保用戶體驗一致。

2.2引擎開發接口不適配

二維GIS、三維GIS、BIM及可視化引擎產生的需求從一開始就不相同，應用的場景也有著明顯的差異，因此其在開發接口的設計和命名上也都存在著巨大的差異。對于開發者而言，需要熟悉每一類引擎的開發接口，隨著接入引擎的增多，學習成本和維護成本呈指數級增長，并且針對同一操作，開發者需要編寫多套代碼并針對不同引擎進行適配，開發難度大。表3列出了常用圖形引擎的API，共涉及11個大類共60個接口，每多使用一個引擎將需要增加掌握約50個左右的接口。

2.3引擎切換割裂感強

在切換引擎時，如果直接將畫面切換為另外一個圖形引擎的顯示結果，由于畫面之間缺乏過渡并且缺乏聯系，會給用戶帶來很強的割裂感。同時，兩個畫面之間展示的內容不同，用戶的關注點在第一個引擎里不能平滑過渡到第二個引擎，則會造成用戶的思緒不連貫，影響用戶體驗。

2.4缺乏標準的應用場景

目前，各類引擎之間的應用邊界并不十分清晰，相互之間有重合，如果不能有效定義一套標準的應用場景，就不能發揮每一類引擎的優勢，如果只是各類引擎的單純疊加，不能實現引擎融合效果。比如使用三維GIS引擎去進行BIM數據的工程量統計和進度模擬，就可能會出現展示效果差、加載慢等問題。

3多維引擎融合關鍵技術

3.1融合式界面視覺設計

針對每一種引擎界面不統一的問題，從用戶交互性出發，充分考慮各引擎之間的差異，并滿足項目個性化的定制需求，允許用戶進行自由配置。界面視覺設計融合包括配色、形狀和尺寸、布局和定位、工作單位的融合，融合式界面設計需要考慮的配置參數見圖4。以界面配色為例，涉及到品牌色、背景色、輔助色、功能色以及透明度參數，在提供統一配色基礎上，需提供可配置的選項，方便根據項目需求進行定制，形成一致的用戶體驗。

3.2融合式人機交互設計

針對每一種引擎交互方式不統一的問題，為了不給用戶造成困擾，對交互形式進行融合。支持自定義配置的引擎按照統一行為進行配置，針對無法配置的引擎重寫可配置的交互方法，最后實現統一的交互方式。以鼠標操作為例，鼠標操作主要包括左鍵、中鍵、右鍵（單擊、雙擊、長按、長按并拖動）以及鼠標滾輪（正向、反向）。將各類引擎鼠標交互進行融合配置，具體配置結果如圖5所示。

3.3標準化接口設計

針對每一類開發接口不統一的問題，通過定義標準化的接口規范，對常用的開發接口進行梳理和分類，對公共的開發接口按照統一的標準接口規范進行重新封裝。

通用的圖形引擎接口可分為11大類，分別包括基礎工具集、測量工具集、剖切工具集、顯隱工具集、調試工具集、構件工具集、相機工具集、標繪工具集、視圖樣式工具集、場景樣式設置集、特效工具集。梳理出通用的工具集后，針對每一個接口進行輸出參數、輸入參數、接口名稱的統一，API接口封裝邏輯見圖6。以加載場景接口為例，接口設計見表4。

3.4低割裂感跳轉設計

針對引擎切換時產生的割裂感，通過以下3種方法進行優化。

（1） 定義標準坐標轉換類及視角控制標準。

標準坐標類及視角控制標準可保證引擎切換前后均顯示同一個對象且視角一致，觀察對象、觀察位置和對象大小都不發生改變，只改變顯示風格，保持用戶思維連續性。標準坐標類定義見表5。

（2） 設置興趣點。

在切換引擎時，相同的興趣點有利于保持操作視角的連接不中斷，如圖8所示，在二維場景和三維場景中將泵站標記為興趣點。

（3） 設置轉場動畫。

通過加載動畫、空間旋轉等方式，讓用戶顯著地知道此處發生切換，需要用戶重新整理思緒，進入新的場景，如圖8所示。

3.5標準化應用場景設計

為了最大化發揮各類引擎的優勢與長處，需要明確每一類引擎的應用場景，根據應用場景來選擇對應的圖形引擎，并形成一套標準的應用場景模板，方便開發者直接使用，減少重復編碼。

標準應用場景模板通過內置樣例數據、交互邏輯、引擎切換方式、基礎展示功能以及示例代碼，讓開發者可以直接看到最終使用效果，并可以根據自己的需要替換為實際項目中的數據，經過簡單的配置，便可形成用于案例演示的成果。圖9為引擎內置的典型水資源工程場景示意圖。另一方面，開發者還可以形成自己的應用場景模板庫，并不斷豐富完善。

4引擎應用案例

4.1項目簡介

位于重慶西部的一項水資源配置工程為Ⅰ等大（1）型工程，建設內容包括新建水源泵站7座、加壓泵站5座、水庫二級提水泵站8座，新建輸送水管線約400 km，新建調蓄水庫1座。

4.2融合引擎效果分析

由于平臺建設的特殊性，其涉及的數據類別眾多，不僅包含大場景的GIS數據，還包含小范圍內大體量的BIM數據。鑒于此，為解決單一圖形引擎在不同應用場景中的瓶頸問題，充分發揮GIS、BIM、虛幻引擎在各自業務領域的優勢，構建了管理高效、承載量大、渲染優異、開發靈活的全融合工程圖形引擎框架，并在該水資源配置工程信息系統上進行了首次嘗試。通過全融合工程圖形引擎框架，實現了水資源業務系統對于基礎底圖展示、三維工程全貌、項目過程管理、可視化效果展示需求的完美融合。

4.2.1二維GIS場景

以二維GIS一張圖為基礎底圖，實現基礎地理、配水專題、涉水建筑等多源數據融合和圖屬一體化管理，建設完善具有引供水特色、全域統一的電子地圖，為工程建設、配水調度、工程運維提供統一地圖服務及空間分析等空間地理支撐，二維GIS業務沙盤場景如圖10所示。

4.2.2三維GIS場景

三維GIS場景相對于二維GIS對地理信息的展示會更加直觀、逼真，同時多維度的分析功能也更加強大，可用于全線周邊地理信息、工程環境與施工面貌展示。三維GIS融合場景如圖11所示。

4.2.3BIM應用場景

該工程通過BIM技術應用，將各階段工程信息與BIM模型映射關聯，形成工程模型大數據，實現工程的全過程、全要素、全參與方的數字化、在線化和智能化，從而構建項目中各參建單位溝通協調的新體系。BIM精細化管理場景如圖12所示。

4.2.4高渲染可視化場景

虛幻引擎作為三維可視化行業的佼佼者，在各行各業都受到歡迎。該工程利用云渲染技術，把繁重的計算任務交給服務器，利用“直播”技術，把絢麗的畫面推送至Web端，使客戶端采用較低的成本即可隨處獲得高品質的渲染表現。高渲染可視化渲染場景如圖13所示。

借助于多維圖形引擎融合技術，該工程平臺在實現多場景界面統一、人機交互統一、基礎接口統一、圖形部分開發工作量減少3/4的同時，為該水資源工程帶來沉浸式的瀏覽體驗，遠可縱覽全局，近可運籌帷幄，大小場景自由穿梭，二三維無縫切換，高逼真效果實時推送，融合多維數據信息，實現全要素、全過程的可視化掌控。

5結 語

本文對各類圖形引擎的融合問題進行了研究，分析了多維引擎融合難點，通過融合式界面視覺設計、融合式人機交互設計、標準化接口設計、低割裂感跳轉設計、標準化應用場景設計等措施實現多類圖形引擎的融合，并將其成功應用到實際工程中，取得了良好的經濟和社會效益。該技術能有效減少多引擎應用開發成本，為工程數字化項目帶來沉浸式的瀏覽體驗，大小場景自由穿梭，多維數據融合，實現全要素、全過程的可視化掌控。在水利行業中，數字化技術應用前景廣闊，本文研究內容為水利行業數字化管理提供了有力的技術支撐。

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（編輯：鄭 毅）