數(shù)字孿生系統(tǒng)的三維模型輕量化技術(shù)架構(gòu)與質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生，三維模型，輕量化，技術(shù)架構(gòu)，評(píng)價(jià)方法

0 引言

數(shù)字孿生過(guò)程需要通過(guò)三維測(cè)繪、幾何建模、流程建模等技術(shù)，完成物理對(duì)象的數(shù)字化，構(gòu)建出相應(yīng)的機(jī)理模型。三維模型的建模技術(shù)是用幾何概念描述對(duì)象的物理形狀，能夠?qū)⑽锢韺?duì)象的實(shí)體形狀映射到虛擬空間，并配合渲染等實(shí)現(xiàn)更好的可視化展示和交互。這些模型通常包含大量的數(shù)據(jù)和信息，使得模型的存儲(chǔ)和計(jì)算成本極高，拖慢數(shù)字孿生系統(tǒng)三維模型的可視化展現(xiàn)速度，嚴(yán)重影響數(shù)字孿生應(yīng)用效果。所以，在數(shù)字孿生應(yīng)用中，模型的優(yōu)化（比如輕量化[1-4]和格式轉(zhuǎn)換[5-6]等）是至關(guān)重要的一環(huán)，可以顯著提高模型的跨平臺(tái)使用能力，從而提高數(shù)字孿生的性能和精度。其中，通過(guò)模型的輕量化處理，可以有效地減少模型的數(shù)據(jù)量和計(jì)算量，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。目前，企業(yè)研發(fā)數(shù)字孿生應(yīng)用時(shí)常用的優(yōu)化網(wǎng)格模型、優(yōu)化紋理貼圖、減少模型頂點(diǎn)數(shù)等輕量化手段缺少標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范流程以及模型質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。本文基于面向數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景需求的三維模型輕量化技術(shù)處理的主要原則，結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)三維模型研發(fā)企業(yè)的調(diào)研成果，給出了滿足數(shù)字孿生應(yīng)用特點(diǎn)的三維模型輕量化處理技術(shù)通用架構(gòu)，對(duì)三維模型輕量化處理效果的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分析研究，為后續(xù)新國(guó)標(biāo)的制定提供指引。

1 技術(shù)架構(gòu)

面向數(shù)字孿生可視化應(yīng)用場(chǎng)景的三維模型輕量化的技術(shù)架構(gòu)，由原始模型輸入、預(yù)處理輕量化、數(shù)字孿生項(xiàng)目生成、運(yùn)行時(shí)輕量化和終端顯示等處理環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖1所示。

三維模型的輕量化處理技術(shù)主要體現(xiàn)在技術(shù)架構(gòu)中的預(yù)處理輕量化和運(yùn)行時(shí)輕量化這兩個(gè)處理環(huán)節(jié)。其中，網(wǎng)格減面是通過(guò)對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)格進(jìn)行精簡(jiǎn)，可以在保證幾何特征的前提下減少三角形面片的數(shù)量，進(jìn)而減少網(wǎng)格的數(shù)據(jù)量的過(guò)程。預(yù)處理的實(shí)例化是在創(chuàng)建多個(gè)相同形狀和屬性的對(duì)象時(shí)，通過(guò)引用單個(gè)對(duì)象（稱(chēng)為實(shí)例）的方式來(lái)代替逐個(gè)復(fù)制，可以在增加同類(lèi)對(duì)象數(shù)量時(shí)不增加多邊形數(shù)量，從而節(jié)省文件存儲(chǔ)空間。模型合并是將多個(gè)獨(dú)立的三維模型，通過(guò)技術(shù)手段合并為一個(gè)整體模型的過(guò)程。模型結(jié)構(gòu)信息導(dǎo)出是指將模型的整體結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)以某種格式或方式從原始三維模型數(shù)據(jù)中導(dǎo)出，屬性信息導(dǎo)出是指從原始三維模型中提取和導(dǎo)出三維模型中各對(duì)象的屬性信息。運(yùn)行時(shí)的實(shí)例化是指在加載與渲染多個(gè)相同形狀和屬性的對(duì)象時(shí)，通過(guò)引用單個(gè)實(shí)例的方式來(lái)代替逐個(gè)加載與渲染，可以在增加同類(lèi)對(duì)象數(shù)量時(shí)不增加多邊形數(shù)量，從而節(jié)省內(nèi)存空間與計(jì)算資源。運(yùn)行時(shí)的多層次細(xì)節(jié)（LOD）管理是指根據(jù)對(duì)象模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定對(duì)象模型渲染的資源分配，降低非重要對(duì)象模型的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算的過(guò)程。

2 輕量化過(guò)程

首先是原始模型的輸入，也就是BIM模型、CAD模型、單模型和傾斜攝影等各類(lèi)三維模型的導(dǎo)入過(guò)程。這些類(lèi)型的三維模型都可以作為待輕量化處理并生成數(shù)字孿生項(xiàng)目的原始模型。

然后進(jìn)行預(yù)處理輕量化，是指對(duì)各類(lèi)型三維模型在導(dǎo)入數(shù)字孿生項(xiàng)目之前進(jìn)行輕量化預(yù)處理的過(guò)程。此過(guò)程的輕量化處理包括子模型實(shí)例化、多層次細(xì)節(jié)（LOD）生成、模型減面、數(shù)據(jù)壓縮等模型通用處理方法，也包括針對(duì)單模型的子模型合并，以及針對(duì)BIM類(lèi)型模型與CAD類(lèi)型模型的參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換、模型結(jié)構(gòu)信息與屬性信息導(dǎo)出方法。

對(duì)于CAD/BIM模型，有兩部分的數(shù)據(jù)需要導(dǎo)出。一部分是CAD/BIM模型的模型結(jié)構(gòu)信息與屬性信息。這部分?jǐn)?shù)據(jù)是用于描述CAD/BIM模型的PMI數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)、構(gòu)件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。模型結(jié)構(gòu)信息與屬性信息導(dǎo)出方法可以將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)存放在XML、JSON等類(lèi)型的文本文件中，然后執(zhí)行相同字符串合并等數(shù)據(jù)壓縮處理，也可以將導(dǎo)出的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)模型與構(gòu)件的唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。另一部分CAD/BIM模型需要導(dǎo)出的數(shù)據(jù)是三維模型數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)的導(dǎo)出需要經(jīng)歷參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換、實(shí)例化、生成LOD、數(shù)據(jù)壓縮這四個(gè)過(guò)程。參數(shù)化模型轉(zhuǎn)換將三維模型表達(dá)由參數(shù)化形式轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格形式，然后對(duì)各構(gòu)件進(jìn)行實(shí)例化處理。CAD/BIM模型的構(gòu)件是標(biāo)準(zhǔn)化的，因此對(duì)CAD/BIM模型進(jìn)行實(shí)例化處理通常能獲得很好的效果。實(shí)例化處理后再對(duì)CAD/BIM模型生成LOD。CAD/BIM模型生成LOD時(shí)可以合并所有構(gòu)件，由導(dǎo)出的模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提供所有構(gòu)件的結(jié)構(gòu)信息。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，就可以獲得數(shù)字孿生項(xiàng)目需要的輕量化后的三維模型以及導(dǎo)出的模型額外信息。

對(duì)于單模型（包括靜態(tài)模型與動(dòng)畫(huà)模型），預(yù)處理輕量化包含四個(gè)處理過(guò)程：生成LOD、實(shí)例化、子模型合并和數(shù)據(jù)壓縮。對(duì)單模型的處理首先經(jīng)過(guò)實(shí)例化過(guò)程，對(duì)相同形狀與屬性對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化。再經(jīng)過(guò)生成LOD過(guò)程，在保持實(shí)例化的情況下通過(guò)減面等輕量化方法生成多個(gè)精度不同的LOD模型。然后經(jīng)過(guò)子模型合并過(guò)程，對(duì)各LOD模型的非實(shí)例化對(duì)象進(jìn)行合并處理。最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮處理就能獲得數(shù)字孿生項(xiàng)目需要的輕量化后的單模型。

對(duì)于傾斜攝影模型，預(yù)處理輕量化包含三個(gè)處理過(guò)程：生成LOD根層級(jí)、模型減面和數(shù)據(jù)壓縮。

傾斜攝影模型首先經(jīng)過(guò)生成LOD根層級(jí)過(guò)程，對(duì)沒(méi)有根節(jié)點(diǎn)的傾斜攝影模型生成根節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)是一個(gè)包含傾斜攝影模型整體輪廓的節(jié)點(diǎn)文件，能夠在查看傾斜攝影模型時(shí)提升模型加載速度及在數(shù)字孿生大場(chǎng)景中極大地減少內(nèi)存、顯卡等資源消耗。生成根節(jié)點(diǎn)后，傾斜攝影模型進(jìn)入模型減面處理，對(duì)傾斜攝影模型根節(jié)點(diǎn)及其他各模型節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行模型減面。最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮處理就能獲得數(shù)字孿生項(xiàng)目需要的輕量化后的傾斜攝影模型。

數(shù)字孿生項(xiàng)目生成是指將預(yù)處理輕量化后的模型與模型額外信息，合并導(dǎo)入到數(shù)字孿生項(xiàng)目的過(guò)程。

運(yùn)行時(shí)輕量化是指在數(shù)字孿生項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行輕量化處理的過(guò)程。此過(guò)程的輕量化處理，主要包括運(yùn)行時(shí)LOD管理與運(yùn)行時(shí)實(shí)例化兩部分。其中，運(yùn)行時(shí)LOD管理在執(zhí)行時(shí)可以在確定LOD層級(jí)后，對(duì)同LOD層級(jí)的模型進(jìn)行分區(qū)域合并處理，以提升渲染效率。

最后的終端顯示是指數(shù)字孿生項(xiàng)目經(jīng)過(guò)各種輕量化處理后，渲染出可視化結(jié)果，并在各種顯示終端上進(jìn)行呈現(xiàn)的過(guò)程。

3 質(zhì)量評(píng)價(jià)

目前，對(duì)于數(shù)字孿生系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)輕量化處理后的三維模型，國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有統(tǒng)一的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景的三維實(shí)景模型在生產(chǎn)建模工藝、成果表現(xiàn)和應(yīng)用層次等方面均與傳統(tǒng)三維模型的建模過(guò)程不同，完全依據(jù)現(xiàn)行的三維地理信息模型相關(guān)規(guī)范[7]進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)用偏差。

數(shù)字孿生系統(tǒng)的輕量化三維模型可能的質(zhì)量問(wèn)題主要有以下幾個(gè)：（1）模型失真。在三角面簡(jiǎn)化過(guò)程中，如果誤差控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致模型失真，出現(xiàn)鋸齒狀等情況。（2）精度降低。在數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和刪除操作可能會(huì)導(dǎo)致精度下降，從而影響模型質(zhì)量。（3）紋理丟失。在紋理數(shù)據(jù)壓縮過(guò)程中，使用一些壓縮算法可能會(huì)導(dǎo)致紋理信息的丟失，從而影響模型的視覺(jué)效果。（4）渲染速度無(wú)法提升。即使對(duì)模型進(jìn)行了輕量化處理，仍然可能會(huì)因?yàn)槟Ｐ瓦^(guò)大或復(fù)雜而導(dǎo)致渲染速度慢。

數(shù)字孿生系統(tǒng)中三維模型輕量化處理質(zhì)量可以通過(guò)一些具體的指標(biāo)來(lái)進(jìn)行度量，如網(wǎng)格減面技術(shù)的網(wǎng)格減少率和減面時(shí)間、實(shí)例化技術(shù)的實(shí)例化渲染效率和實(shí)例化壓縮率、LOD生成技術(shù)的LOD生成時(shí)間、模型合并技術(shù)的合并精度和合并時(shí)間、模型壓縮技術(shù)的數(shù)據(jù)壓縮比和數(shù)據(jù)壓縮速度等。具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的操作和計(jì)算方法如下。

3.1 網(wǎng)格減面

（1）網(wǎng)格減少率

打開(kāi)模型查看器，查看原始模型總面數(shù)并記錄為；對(duì)原始模型執(zhí)行網(wǎng)格減面處理，并導(dǎo)出為減面后的模型；打開(kāi)模型查看器，查看減面后模型總面數(shù)，并記錄為。面片減少率可按公式（1）計(jì)算：

3.3 LOD生成時(shí)間

選擇一個(gè)網(wǎng)格模型文件，通過(guò)模型查看器查看原始模型的總面數(shù)與總頂點(diǎn)數(shù)，分別記錄為與；通過(guò)幀率、渲染時(shí)間等指標(biāo)，對(duì)比使用LOD前后模型的性能差異；對(duì)原始模型執(zhí)行多級(jí)LOD生成處理生成n 個(gè)LOD層級(jí)，并使用秒表記錄總處理時(shí)長(zhǎng)；通過(guò)模型查看器查看每個(gè)LOD層級(jí)模型的總面數(shù)與總頂點(diǎn)數(shù)，分別記錄為與；檢查每個(gè)LOD層級(jí)模型總面數(shù)之間是否滿足如下關(guān)系：

3.4 模型合并

（1）合并精度

獲取合并前原始三維模型的所有頂點(diǎn)，形成點(diǎn)集A；對(duì)原始三維模型執(zhí)行模型合并處理，獲取合并后三維模型的所有頂點(diǎn)，形成點(diǎn)集B；對(duì)點(diǎn)集A中的所有頂點(diǎn)，獲取點(diǎn)集A中的每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)集B中的最近點(diǎn)的最大距離（Hausdorff距離-度量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)集之間相似度的指標(biāo)），記錄為；對(duì)點(diǎn)集B中的所有頂點(diǎn)，獲取點(diǎn)集B中的每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)集A中的最近點(diǎn)的最大距離，記錄為；點(diǎn)集A與點(diǎn)集B的平均Hausdorff距離可按公式（6）計(jì)算：

3.5 模型壓縮

選擇一個(gè)網(wǎng)格模型文件，查看文件大小并記錄為；對(duì)原始模型執(zhí)行數(shù)據(jù)壓縮處理，并導(dǎo)出為壓縮后的模型文件，并通過(guò)秒表測(cè)試數(shù)據(jù)壓縮處理時(shí)間，記錄為T(mén)S；查看壓縮后的模型文件大小，并記錄為。數(shù)據(jù)壓縮比可按公式（8）計(jì)算：

4 結(jié)論

本文基于面向數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景需求的三維模型輕量化處理技術(shù)需求，提出一種數(shù)字孿生應(yīng)用特點(diǎn)的三維模型輕量化處理技術(shù)通用架構(gòu)，對(duì)技術(shù)架構(gòu)涉及的輕量化處理流程進(jìn)行了具體論述。在分析數(shù)字孿生系統(tǒng)的輕量化三維模型質(zhì)量問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)影響輕量化三維模型質(zhì)量的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)及其評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，給出了這些關(guān)鍵指標(biāo)的計(jì)算方法，為后續(xù)新國(guó)標(biāo)的制定提供了指引。