基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层（LOD）方法

摘要

本发明公开了一种基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层方法，包括以下步骤:首先对BIM构件进行四维数组编码，利用IFCengine对BIM模型的几何信息和数据语义进行提取并映射至CityGML，实体几何信息转换表达为B‑rep的表达方式；采用遮挡剔除技术进行图元轻量化，中低层级LOD仅采用空心三维mesh图元，高层级LOD采用三维solid实体，充分利用三维mesh曲面模型，使得BIM系统更加轻量化，同时结合并使用三维solid实体模型，吸收现有的BIM的LOD优点并克服现有的BIM的LOD分层的相关缺点。以此同时增加LOD层次，满足模型的颗粒度平滑、均匀并实现快速可视化。

说明书

技术领域

本发明涉及BIM模型分层领域,尤其涉及一种基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层(LOD)方法。

背景技术

大型的BIM(building information modeling)模型通常涉及建筑、结构、水暖、机电等多个专业，常常包含成千上万的构件(如门、墙、柱…等)。每个构件有很多三角形面片组成，使得BIM三维渲染的可视化系统的性能降低、卡顿、甚至无法进行操作。

现有大型BIM的LOD(Level of detail)处理方案：WebGL技术可以对BIM进行轻量化操作，可以对在视域里被遮挡的BIM部分模型进行剔除，不对该遮挡的部分进行渲染显示。BIM通过IFC的数据语义和几何信息进行过滤、提取，并转换为CityGML的表达，使得BIM的LOD分层更易实施。

根据BIM构件的模型的空间位置，对BIM的单个构件按空间位置进行排序，这样使得每个构件具有独特的标识ID。并对每个构件制作出带有几何外形的最粗纹理的模型，目的是在初始加载BIM模型时，可以让最粗纹理的模型可能最先进入视域，从而BIM模型的整体轮廓得以呈现。对同一个构件分别生成不同粗细纹理的模型，这些不同纹理的模型构成同一个构件不同的LOD分层，同时与其他构件组成组件LOD分层或整体LOD分层。现有的BIM的LOD的纹理瓦片减少方法可以通过三角形顶点坍缩，边线的坍缩，以及三角形面片直接减少这三种方式实现。三角形面片愈多，模型纹理的显示则愈精细，反之愈粗糙。与三角形减面片的方式类似，通过正方形四分法能够实现面片的减片。当正方形对角切分时，纹理成为三角形面片。所以正方形减面片可归结为三角形减面片。BIM的模型可以通过三维mesh网格表达，同时也可以用三维solid实体表示。三维solid的BIM构件的三维模型能够利用24分法实现不同的LOD分层。24分法就是把一个正方体单元分成8个小一级的正方体，在对角线切分为24个锥体。在三维模型的实时渲染阶段，通过实时计算视点与模型的距离，对BIM模型进行动态内存加载与渲染，呈现在视域。视域里的模型在被下一个BIM的LOD分层代替同时，被代替的LOD分层自动从内存中删除。代替原LOD并进入视域的LOD进入视域加载并进行实时渲染。因而控制了内存总量，确保流畅的渲染。

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层方法，它包括以下步骤:

S1.对BIM构件进行四维数组编码,第一维数组表示该构件的图元编码,第二到第四维数组表示构件的空间坐标位置顺序；

S2.利用IFCengine对BIM模型的几何信息和数据语义进行提取并映射至CityGML，实体几何信息转换表达为B-rep的表达方式；

S3.采用遮挡剔除技术进行图元轻量化，将图元采用24分子树进行分割，基于视点计算场景中需要剔除的图元，只绘制可见图元；

S4.中低层级LOD仅采用空心三维mesh图元，高层级LOD采用三维solid实体。

进一步地，中低层级LOD为LOD1-LOD4，所述高层级LOD为LOD5和LOD6。

进一步地，BIM模型中采用图元的合并技术，即相同的图元按照空间坐标连接调用在先图元。

进一步地，相同的图元只保留一个，后续排列位置上相同图元调用在先相同图元。

进一步对，S3图元轻量化后，三维mesh图元采用四分树的方法切分并实现缓存，三维Solid实体采用八分树的方法切分并实现缓存。

进一步地，三维mesh图元和三维solid缓存后GPU基于视点执行LOD调度。

进一步地，LOD调度即以构件模型上的点BIMsC(x

进一步地，BIM模型的编码架构采用树形架构，使BIM构件在离视点从远到近时依次呈现在视域里的是粗纹理三维mesh模型，较精细纹理三维mesh模型和三维solid实体模型，形成BIM系统。

进一步地，BIM系统利用基站进行通信调度实现三维mesh、三维solid和数据单元之间的通信调用。

进一步地，将图元采用24分子树进行分割是以空间的一点为基准将空间先划分为8个区域，再划分为24个区域，

现有的BIM模型的LOD主要相关优点是：

1、BIM的构件采用空间位置排序，位置排序有利于BIM系统的管理与操作，并作为BIM构件的模型的ID，便于BIM构件模型的几何信息和语义信息的提取。

2、BIM系统对构件的相同图元进行合并。图元指的是BIM构件的LOD模型。BIM系统存在大量相同的构件，所以同时也存在大量的相同的图元。因此对相同的图元合并可以减少计算的载重，有利于BIM的轻量化操作。

3、由于大型的BIM结构比较复杂，构件的顶点和面的数据比较大，所以可以通过算法根据权重剔除相应的顶点和面，这样可以使得BIM模型轻量化。轻量化是BIM最主要的任务之一。

4、现有的BIM的LOD可以运用批次绘制技术。批次绘制技术的目的是使得渲染速度得到较大提高，这样的渲染过程更适合视觉观察。

现有的BIM的LOD相关缺点是：

1、轻量化一直是BIM的一个难点，如何使得BIM在LOD多级化并轻量化是一个重要的问题。LOD层级过少，不适合视觉观察。另一方面，LOD层次愈多，将不利于BIM的轻量化，所以LOD并非层级愈多愈好。

2、BIM构件的LOD的三维mesh模型没有得到充分的利用。由于三维mesh网格点占重比三维solid实体小，所以三维mesh模型比三维solid实体更能够使得BIM轻量化。这里构件的三维mesh是指三维mesh曲面。

3、BIM的三维solid模型和三维mesh模型没有在BIM模型中进行充分配合使用。三维mesh和三维solid优化利用有益于BIM的LOD层次化操作，可以使得纹理视觉更合乎需要。

4、LOD的层数少，模型颗粒度要么太粗，要么太细，难以满足快速可视化需要。增加LOD层数有利于模型粗细均匀。

发明内容

本方法提出的BIM的LOD新方案主要是继承现有BIM的LOD技术优点。这些优点包括在空间位置排序、BIM实现对图元的合并技术、以及批次绘制技术等，同时对BIM的构件模型进行合理调用。该BIM的LOD新方案需要改进并充分利用三维mesh曲面模型，使得BIM系统更加轻量化，同时结合并使用三维solid实体模型，吸收现有的BIM的LOD优点并克服现有的BIM的LOD分层的相关缺点。以此同时增加LOD层次，满足模型的颗粒度平滑、均匀并实现快速可视化。

附图说明

图1为遮挡剔除技术视点-遮挡物-被遮挡物关系示意图；

图2为基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层方法流程图；

图3为采用24分子树进行分割单元立方体示意图；

图4为呈现LOD发射面的金字塔示意图；

图5为BIM模型分层方法流程图；

图6为BIM坐标空间构件LOD的图元组图；

图7为BIM的编码树形架构图。

具体实施方式

首先，定义构件和图元。构件是由几何性定义和关联的数据及规则构成，即包括几何信息和数据语义两大部分。这里的构件是相对的概念，指的是与LOD层级相对应的可视化里要求的最小单元，例如门。但是如果门还需要继续细分为门把手、锁等，这时可以采用增加下一级LOD层级的方式，则门为上一级LOD构件，但另一方面是增加的该LOD级别的组件。门把手、锁等这时候成为新增加的LOD级的构件。一般来说，这样增加的LOD没有意义，所以门作为构件是平衡轻量化考虑的必然结果。图元指的是构件的不同粗细纹理的三维mesh图形或三维solid图形，同一构件可有不同层次的图元，也就是同一构件可以由不同LOD的三维mesh和三维solid图元。

其次，对BIM系统的构件和图元的空间坐标系统SIS(spatial informationsystem)建立逻辑关系：

1、BIM(building information model)中每个构件(Component)的三维mesh模型和三维solid模型在空间上的坐标可以用BIM构件在三维空间的位置和构件的图元的一维数组组成的四维矩阵来表达。即用BIMs＝(M，A1,A2,A3)表达BIM模型。M数组表示构件的LOD模型层级。A1、A2、A3数组表示BIM构件的三维空间坐标，分别是按构件空间位置排列的矩阵的row、column和page。

2、每个构件可用唯一坐标BIMsC(x

3、对于每个构件，构件由若干顶点组成，构件上的每个顶点与顶点可以按三角形连接，并由三角形面构成三维mesh。另一方面，由面extrude方法或类似的方式形成三维solid实体模型，实体模型按八分法划分。这样，整个BIM系统的模型按坐标关系构成逻辑关系，进而可进行运算操作。

本发明基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层方法步骤如下：

S101、BIM模型轻量化。Revit BIM模型是实体solid模型，三维实体模型在LOD粗模型中，其被遮挡的部分和实体内部在观察时由于无法看到，因此此时是没有意义的。所以这些没有意义的实体需要在LOD的模型中剔除，以实现BIM模型的轻量化。本发明采用遮挡剔除技术是在场景绘制中剔除当前视点下被遮挡的对象、只绘制最前面的对象，从而达到提升性能的目的。被观察物由于被遮挡，所以不会被绘制，从而减少绘制量，提升性能，但是使用者的感知是一样的。做法是对图元做单位立方体8分切分，再对单位立方体进行对边切分，图元切分为24切分，对切分的图元进行空间索引，然后根据视点计算场景中要剔除掉的图元，只绘制可见的图元。当视距比较远时，这时遮挡物呈现在视域中被绘制，被遮挡物不呈现在视域，因此不被调度进行渲染绘制(此时被剔除)。当视点逐步靠近被遮挡物时，遮挡物将由被遮挡物替换进行渲染绘制。如图1所示，左边是当视距比较远时，这时遮挡物呈现在视域中被渲染绘制，被遮挡物不呈现在视域，因此不被调度进行渲染绘制(此时被剔除)。当视点逐步靠近被遮挡物时，右边，遮挡物将由被遮挡物替换进行渲染绘制。对于同一个构件，构件在视点远端部分可以看成被视点近端部分遮挡。

S102、BIM的LOD纹理精细化。三维mesh网格曲面以边界描述来表达，由于三维mesh可以比三维solid实体更能使BIM模型轻量化。所以在粗纹理级别中，采用三维mesh曲面的多级LOD代替三维solid实体。随着LOD级别的提高，三维mesh曲面网格愈精细,达到高级的LOD5和LOD6时采用三维LOD实体。

S103、对IFC进行CityGML标准转换。因为RevitBIM是实体模型，需要对RevitBIM实体标准IFC进行转换表达，对BIM的几何信息和数据语义进行过滤和提取。GIS模型的三维几何以边界描述来表示，按照CityGML标准的几何表达方式。因此，需要对IFC进行CityGML标准转换，通过CityGML对BIM进行LOD分层。

S104、CityGML通过B-rep来表达几何图形。B-rep通过它的面的集合来表示一个实体，而每一个面又可以用边来描述，边通过点，点通过三个坐标值来定义。因此，实体几何信息需要转换为CityGML表达为B-rep表达方式。本发明中，中低层级的LOD1-LOD4仅采用BIM模型的空心外表面的三维mesh组成的图元，以达到最轻量化。由于LOD1-LOD4采用空心的三维mesh图元，因此也可以利用Unity/Unity Reflection对BIM构件的实体模型进行转化为空心三维mesh图元。

S105、高级别的LOD中采用三维solid实体。由于BIM的三维solid实体在精细纹理中的不可替代性，因此在比较高级别和最高级的LOD中，仍需要采用三维solid实体，使得BIM在高级别的LOD中其纹理呈现真实而且精细。

综上所述，本发明采用三维mesh曲面LOD和三维solid实体的LOD相结合的方式，既达到实现BIM的LOD纹理粗细均匀，又实现BIM轻量化。

由于三维solid实体的LOD会对BIM系统造成严重的冗余。因此，本方案采取如下措施：

1、图元的合并技术。BIM系统中存在大量相同的构件，所以也产生大量相同的图元。为不产生冗余，相同的图元可以调用。所以相同的图元只保留其空间坐标的位置处于前列的一个图元，后面相同的图元可调用该图元。图元在BIM模型的空间上具有其本身的唯一坐标，并在空间位置上按三维坐标排序，即依次按x，y，z方向上取一个图元。通过Ifc几何语义和几何信息对比，如果后面的图元与前面的图元相同，则记录这个后面相同图元(可以取图元的一个点的位置为索引)的空间坐标，利用该空间坐标搜索并调用前面相同的图元。其逻辑在于相同的图元按照空间坐标得以联接。

2.缓存措施，三维mesh曲面利用四分树的方法切分并且实现切片缓存，三维solid实体利用八分树的方法切分并且实现切片缓存。

3.基于视点的图元的LOD调度方式。视域中场景内绘制数据量随视域远近而变化的LOD合理调度能够提升数据浏览速度。视点到图元的视距和视点的移动速度和移动时间相关联，移动速度愈大，移动时间愈多，视距愈短。所以，视域里的图元调度渲染的速度需要和视点移动速度和移动时间相关联。视点移动速度愈大，移动时间愈多，视域里的图元调度渲染应当愈快。渲染的速度和视觉相适宜。由于图元是按空间坐标进行编码索引管理的，视点空间位置决定了视点与图元的视距，利用视距可以索引图元并进行调度管理。

视域按如下参数确定：视点在屏幕上的位置、视域大小、以及视域内的分辨率衰减。根据与观察点的距离进行模型评估的重要程度，距离观察点越近，其显示的精细程度越细，反之则反。

图2为本发明基于三维mesh曲面和solid实体的BIM模型分层方法流程图，从RevitBIM模型开始，经过IFC转换到CityGML，再到LOD层级，中间经过几何信息转换、图元处理、图元调度、再到几何构件模型LOD层级，直到可视的BIM的LOD渲染显示。

其中LOD1到LOD6依次为纹理从粗到细的过程。LOD1-LOD4继承传统的CityGML的优点，LOD5和LOD6是一个实时动态的细节层次化的过程，目的在于当BIM的LOD1-LOD4难以满足实际需要，需要更精细的纹理。本申请利用三维solid实体八分切分的技术，增加该LOD5和LOD6层级，使得实体纹理细分的视觉感满足需求。因此，本方案采用三维mesh曲面的LOD1-LOD4层级和实时动态渲染的三维solid的LOD5和LOD6层级结合，利用mesh的轻量化和优化调度技术，使得BIM的LOD分层更能满足实际需要。

S106、LOD1-LOD4采用三维曲面。即以曲面的一个点为基准将其划分为24个区域(子树)。对剖分的每一个区域内(子树)的数据按照一定的瓦片边长，存储为不同分辨率(例如1024×1024，512×512)的三维切片缓存文件。对不在视域的和被遮挡的予以衰减择取或剔除。视域中场景内绘制数据量随视域远近而变化的LOD合理调度能够提升数据浏览速度。LOD1-LOD4切片以CityGML的几何形成，也可以利用Unity/Unity reflection形成mesh切片。

S107、LOD5和LOD6是三维solid实体模型。因此采用24分子树进行分割。以空间内的一个点为基准将空间先划分为8个区域，再划为24个区域(子树)。本发明中，如图3所示,每个单元立方体先分成8个小一级别的立方体，再对角线切分为24个四面锥体。对每个三维立方体基本单元在六个面上对角切面，这样每个面上产生4个三棱锥体。形成以单元立方体中心为顶点的6*4＝24个三棱体基本单元。其中的三棱锥体C1D1FO即是24个三棱锥体之一。对剖分的每一个区域内(三棱锥体)的数据按照一定的瓦片边长，存储为不同分辨率的三维切片缓存文件。对不在视域的和被遮挡的予以衰减择取或剔除。视域中场景内绘制数据量随视域远近而变化的LOD合理调度能够提升数据浏览速度。

S108、三维mesh切片和三维solid切片经过缓存后，需要通过编码进行管理和调度使用。表1、表2和表3示例了该方案采用的编码方式：这里图元a1121表示第1维图元在空间x、y、和z方向上的位置分别是第1位、第2位、和第1位。下列三个表格中，每个表格里的图元处在该图元组相应的位置。除图元a1111的外，按顺序如果图元与前面的图元相同，则该图元位不占载重，设置为空，使用时调用前面相同的图元。a,b,c,d…等是图元编码的代码，用来表示

图元在视平面x，y上图元的相对位置，方便调度时搜索管理时使用。

对于相同的图元，利用编码可以进行合并调度。

表1.第一维数组第1组图元

表2.第一维数组第2组图元

表3.第一维数组第3组图元

该方案同时采用下列方法：

1、相同的图元只保留1个，其他后续排列位置上有相同的图元可以调用前面相同的图元。建立BIM的四维图元解空间，初始解是第一维第一个值的图元也就是BIM的最初轮廓图元集。

利用四维编码，可以对图元进行索引和管理。并可以引出对应的图元渲染的时耗矩阵，对图元计算量提前预测，适当增减处理图元的数量规模。

2、视域里的图元在下一组图元进入视域时，原来在视域的被代替的图元从内存消失，不占用内存。保持渲染的流畅。

3、只有进入视域的图元才被渲染，同时靠近视域的图元处于准备渲染状态。

4、可以增加图元。第一维数值对于不同的空间位置的图元数值可以不同，目的是有的构件的图元数量可以不一样。被遮挡的图元不进入视域。

可用Amijk表示任何一个图元。由于具有相同空间上的图元是同一个BIM的构件，其轮廓是相同的。当视域比较远时，按照视距采用纹理比较粗的构件图元。当视域近时采用纹理比较精细的构件图元。

S109、BIM模型的LOD调度。对于BIM模型的LOD调度算法，是按照视距呈现在视域中的逻辑过程。当相机探测到构件模型上的点BIMsC(x

本技术方案是继承GIS系统的优点，运用空间信息系统SIS所构成的四维编码，对图元的空间位置进行编码。实现不同的图元的LOD以得到不同BIM的LOD。利用BIM的mesh三维模型和solid实体三维模型，由粗到细构成从mesh到solid的不同层级的LOD。

该系统实现以下几方面的效果：

实现BIM的构件的空间位置SIS编码，可以利用SIS索引，对BIM模型进行搜索和系统信息管理。

利用编码的管理，可以实现数据和图元的链接和通信。利用四维矩阵，把BIM构件模型用数据表现出来，便于和BIM的数据链接和应用。

实现BIM的空心mesh三维模型和solid三维模型的结合。LOD的mesh层级可以大幅轻量BIM模型，同时LOD的solid三维模型能够更好体现BIM的真实感。Mesh和solid三维模型实现BIM更多LOD层级化，同时也实现BIM多层级化。

利用空心三维mesh减面和BIM三维立方体的24分法可以实现更多构件的图元层，从而得到更精细的LOD层。

实施例1

下面结合具体实施例对上述技术进行说明，如图5所示，BIM通过其标准IFC,利用IFCengine对BIM的几何信息和语义信息进行提取并按空间位置进行编码处理。然后再按几何信息与语义映射至CityGML,模型进行24分切分。24分切分对三维mesh曲面和三维solid实体进行切分。LOD1-LOD4为空心三维mesh曲面层级，LOD5和LOD6为solid实体层级。

BIM的构件模型LOD1-LOD4按24分三维曲面进行切片缓存。为了更能精细审视BIM模型，三维solid实体模型更能反映模型的精细颗粒度，因此同时也对构件的模型进行立方体单元24分并对角切分的切片进行缓存处理作为solid的LOD5和LOD6层级。

这里对BIM单个构件的三维mesh图形或是solid实体图形统称为图元，同一构件有不同纹理的图元。首先对大型BIM的单个构件空间位置进行四维数组编码。第一维数组表示该构件的图元编码，该数组的值代表该构件的图元的纹理粗细，数值愈大，纹理愈细。第二维到第四维表示BIM的构件的空间坐标的位置排序。这样，所有的图元都可以通过编码进行计算和管理。根据第2步对图元进行处理缓存。在视锥中，BIM根据视域距视点的位置呈现LOD的级别。视锥面愈大，LOD级别愈高，纹理随视锥的面扩大而呈现颗粒更精细的LOD级别。在视域范围内，图元得以呈现，视域以外的图元切片按距离远近其分辨率成衰减趋势，距离愈远，衰减愈多，并按秩序排队等待渲染呈现。也就是对先前剖分的每一个区域内的数据按照一定的瓦片边长，存储为不同分辨率的三维切片缓存文件，对不在视域的和被遮挡的予以衰减择取或剔除。

LOD5和LOD6是三维solid实体。它的被遮挡的实体切片按视距近远衰减，当视点逐步逼近时被遮挡的部分才开始逐步渲染出现。在视锥外的图元不渲染。但如果在视锥改变角度的情况下，也按距离离视点中心的位置逐步随距离的增加而衰减，并排队等候进入渲染。

图6编码中，箭头框里编码表示在BIM坐标空间最前面的一个平面位置的一组构件LOD的图元组，其中处于空间同一位置的每个构件有不同的图元。实箭头所指的一行图元是同一构件。箭头框外依次分别是从最前面到最后面的空间位置上构件的图元组。

BIM模型在该方案里采用三维mesh和三维solid模型相结合的方式，这里的三维mesh是用构件的外形轮廓构成的空心三维mesh表面，并且三维mesh按需要可以有一定数量的不同粗细纹理的LOD层。对于三维solid模型，为了轻量化，LOD构件的三维模型根据视域、视锥、以及视距其分辨率成衰减趋势。

该BIM的编码架构采用的是一个良好的树形架构。图7为BIM的编码树形架构图，该结构使得当BIM的构件在离视点远距离时呈现在视域的mesh是粗纹理模型。当构件模型离视点愈来愈近时，LOD逐步升级，并采用比较精细的纹理的mesh模型。当构件的位置靠近视域或视域进入构件时，采用三维solid实体模型。

通过上述步骤，构件的三维mesh和三维solid模型与BIM的数据构成了BIM系统。由于BIM系统的构件数量十分庞大，所以这里采用基站(指的是架构的一级组件或子系统)的概念。基站也就是子系统比方暖通系统，子系统又作为父辈拥有子系统。这样，可以采用通信的方式建立他们的逻辑联系。BIM总系统通过上述基站与第三级基站建立通信与协作。这样做的目的是能够实现共享分工协作。同时，mesh、solid、以及属性数据再通过下一级构件的mesh模型、solid模型、以及属性数据产生通信与协作，直到最简单的mesh图元、solid单元、以及属性信息单元。这些单元接到请求后，通过上一级基站，传输到解析位置，等待进入视域，完成所处的LOD调用的作用，如下述框图所示。

该方案的BIM系统采用树形架构，并利用基站进行通信的先进调度方式。在BIM系统下建立各个子系统库，这些子系统可以通过上一级基站互相调用。所以三维mesh、三维Solid图元和数据单元可实现通信调用。该方案有利于优化BIM系统，共享并且分工协作，使得分层更具轻量化。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。