面向Web的建筑三维模型可视化方法研究

边根庆，陈蔚韬

面向Web的建筑三维模型可视化方法研究

边根庆，陈蔚韬

(西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055)

针对当前工业基础类(IFC)标准文件与WebGL框架集成方案存在模型语义完整性差及数据互操性弱等问题，提出一套建筑信息模型(BIM)数据网络可视化实施方案。该方案以IFC标准文件作为输入数据源，首先对BIM模型进行重构，并提出基于IFC结构树的构件实例层次拆分策略将原始IFC文件实施数模分离；然后，将重构后的IFC模型文件向glTF格式文件进行转换，并在转换过程中完成几何空间和语义属性的双重关系映射；最后，提出基于层次包围体(BVH)结构的BS-AB场景构件可视性检测算法对建筑构件进行可见性剔除。实验结果表明：该方法能够显著减少BIM模型数据冗余，且高效完成了对复杂BIM场景不可见构件的剔除工作，降低了渲染管线的开销，为基于IFC标准与WebGL框架集成方案的BIM模型数据网络可视化提供了一种可行的参考方案。

三维可视化；建筑信息模型；工业基础类；WebGL；可见性剔除

建筑信息模型(building information model，BIM)以其为建设项目全生命周期信息化管理提供了先进的数字化工具和信息共享平台的特点[1]，解决了传统设施工程所面临的信息传递断层和数据共享困难的问题，已广泛应用于建筑、工程、施工及设施管理(architecture，engineering and construction/facility management，AEC/FM)行业[2]。BIM的最大价值在于多参与方以及多专业之间的高效协同[3]，而随着建筑规模的不断增大及建筑信息数据的越加复杂，其模型可视化和海量数据管理[4]变得越加困难，以致于无法满足当前工程建设信息数据管理、共享和同步的BIM本地化应用需求。显然，在满足多用户在不同设备和不同操作系统下随时随地访问需求的同时，有效确保BIM模型的完整语义性和数据的互操作性[5-6]尤为重要。

近年来，WebGL的发展为BIM模型基于B/S架构显示过程中所遇到的硬件性能不足问题提供了良好的解决方案，基于WebGL技术的三维图形显示也随之成为当前BIM模型在线可视化首选方案。文献[7-8]通过将Revit模型直接转换到WebGL所支持的文档层面(如OBJ、JSON、FBX等)以实现BIM模型在线可视化。但在网络传输及浏览器性能限制下，此方法无法解决Web端海量BIM数据加载及模型渲染问题。文献[9-12]从相似性几何对象实例检测及压缩和BIM产品切片模型三角剖分及并行计算等方向对BIM模型数据轻量化进行研究，简化了BIM模型，及提升了模型解析速率。但轻量化后的海量BIM模型数据因轻量化程度及渲染性能受限仍无法在Web端实现快速加载。由此，众多学者从渲染场景管理角度进行研究，以降低Web端模型数据加载量。文献[13-14]在基于双层稀疏体素的BIM模型室内外空间混合索引结构构建和基于增量兴趣视锥的多粒度数据渐进式装载等方面进行了深入探索。文献[15]集成多细节层次(level of details，LOD)与视锥体剔除(view-frustum culling)技术动态调整场景物体内存分配，降低了GPU内存开销。然而，这些方法可见性检测效率及准确性低，仍存在巨大渲染管线开销。文献[16]对压缩后的LOD模型进行基于稀疏体素的射线投射可见性交互测试，避免了大量不正确的可见性测试结果。然而，构建高分辨率的体素较球体等包围盒将占有更多的内存空间。

鉴于此，本文针对三维模型数据加载量大及场景构件可见性检测准确率低导致渲染帧率低的问题，提出一套面向网络的BIM在线可视化实施方案。该方案选取glTF格式作为模型转换目标格式，在保证模型网络化显示前提下，实现模型数据高效压缩；此外，引入BS-AB算法对场景构件进行可见性检测，在保证模型高性能渲染前提下，实现场景构件有效剔除。实验结果表明，与BIMviews等可视化系统相比，本文方法在保证模型语义完整性及数据互操性前提下，其模型渲染及交互更为顺畅。

1 研究方法

1.1 研究框架

本文结合当前IFC标准文件与WebGL框架集成方案存在模型语义完整性差及数据互操性弱等问题，对IFC标准文件及WebGL可支持文档进行了分析，并通过比对模型渲染场景管理策略优劣，提出一套面向网络的BIM在线可视化实施方案。该方案以IFC标准文件作为输入数据源，首先对BIM模型进行重构，构建基于IFC结构树的构件实例层次拆分策略，对原始IFC文件实施数模分离，拆分为储存建筑几何空间信息的IFC模型文件和储存建筑构件语义属性的JSON文件；然后，构造IFC-glTF转换框架，将重构后的IFC模型文件向glTF格式文件进行转换，并在转换过程中完成IFC几何空间及JSON语义属性到glTF的双重关系映射；最后，通过同时引入球体(bounding sphere，BSphere)和轴对齐包围盒(axis-aligned bounding box，AABB)碰撞检测算法，构建基于BVH的BS-AB场景构件可视性检测算法，对渲染场景中的建筑构件进行可见性剔除，从而实现三维模型数据Web端快速加载和高效渲染。研究方法与流程如图1所示。

1.2 数据转换策略

IFC因其具有很强的兼容性和伸缩性，成为AEC/FM行业数据交换及共享的通用数据文件格式[17]，其不能直接作为3D格式用于图形显示，需将其转换为WebGL可支持文档层面以进行模型可视化。glTF是一种面向实时渲染应用而设计的图形语言交换格式。其将节点层次结构等场景描述信息、模型几何及动画图像等数据信息分块存储[18]，而模型加载时通常只需加载JSON文本格式的glTF文件，其他块文件可通过外部引入直接传递给图形API而无需额外的解析和转换。可见，glTF格式文件不仅能极大的压缩原始IFC文件，也能在保证模型语义完整性和数据互操性的前提下，实现模型数据在Web端的高效传输和快速加载。因此，可将glTF作为IFC模型文件转换的目标格式，完成BIM模型的网络可视化。其转换思路如图2所示。

图1 基于IFC和WebGL的BIM模型数据可视化方法流程图

图2 IFC-glTF数据转换思路示意图

1.3 场景管理策略

在实际渲染过程中，一个渲染场景通常存在数以万计的建筑物构件，而往往网络带宽、内存容量及渲染性能受限，如果对渲染场景中的所有构件进行无差别渲染绘制，将会对GPU造成极大的性能开销，从而降低图形渲染效率。因此，对渲染场景的组织管理和调度优化极为重要。对渲染场景的管理优化存在诸多解决方案，如可见性剔除[19]、兴趣区域设定[20]、LOD索引结构[21]以及批次调用绘制。

浏览器模型数据视野范围是通过视点位置及视锥体构成的，通常只是整个渲染场景的一部分。因此，通过可见性剔除进行渲染场景组织管理是一种应用比较广泛的场景管理方法。视锥体剔除、背面剔除(back face culling)和遮挡剔除(occlusion culling)是3种应用较多的可见性剔除技术，其技术对比如图3所示。

图3 渲染过程中常见可见性剔除技术对比示意图

背面剔除在光栅化阶段进行，通过剔除背向视点的片元以提高渲染性能，是原生OpenGL所支持的可见性剔除算法；遮挡剔除能剔除被可视物体遮挡的不可视物体，虽可降低渲染管线及GPU性能开销，但其基于硬件实现，且需收集被遮挡物体和遮挡物体的位置信息，占用CPU资源。视锥体剔除在很多实时渲染中都存在，用以剔除掉视锥体视域外的多边形或物体而只渲染视锥体视域内的几何图形，从而提高图形渲染效率。相对来说，视锥体剔除算法适合应用于渲染场景组织管理。本文通过引入BSphere体和AABB盒碰撞检测算法构建基于BVH的视锥体剔除算法，其算法原理如图4所示。

图4 基于BVH的BS-AB场景构件可视性检测流程

2 实验方法与流程

2.1 模型转换

2.1.1 数模分离

原始IFC文件中，通常包含几何信息(空间位置及空间关系等)和非几何信息(属性类型及材质贴图等)，而在模型的转换过程中，会经常造成建筑物语义属性信息缺失，导致模型信息完整性不足。因此，需要将BIM模型进行数模分离，分开存储并加载几何空间信息与语义属性信息，从而确保BIM模型的完整语义性。

IFC以树的结构形式将BIM模型的建筑以及构件信息组织并管理起来。每个建筑构件实例均为IFC结构树上的一个节点，而每个节点又与其父类节点或通过其父类节点和其他子节点之间存在包含、关联等空间或属性关系。比如，每个IfcWall实例作为子节点被包含在IfcWall父类节点中，而同理IfcWall父类节点又作为子节点因同被包含在IfcBuildingElement中与IfcDoor关联。通过递归访问IFC结构树的每一个节点，将建筑构件实例的几何属性信息或其他BIM场景信息分层次导出，不仅能有效管理IFC文件，降低IFC数据冗余，也能为构件批绘制奠定基础。基于IFC结构树的构件实例层次导出具体见算法1。

算法1.基于IFC结构树的构件实例层次导出算法。

Input：建筑模型中所有构件实例。

Output：建筑模型中具有建筑关系的构件实例集。

BIMServer提供了IFC文件管理、数据解析、格式化输出等功能，本文也将通过BIMServer对整个建筑模型进行层次关系遍历检索[22]，通过对IFC结构树的递归访问，将建筑模型拆分为互相对应的IFC模型文件和JSON文本文件。IFC模型文件储存BIM空间和几何信息，而JSON文本文件存储BIM属性和类型信息。数模分离过程如图5所示。

图5 数模分离过程

Fig. 5 Digital-analog separation process

2.1.2 数据转换

在过去研究中，将IFC格式文件转换为GLTF格式文件存在诸多解决方案[23-24]，例如文献[24]选取OBJ文件作为中间格式过度，首先调用IfcOpenShell库中的IfcConvert工具将IFC文件转换为OBJ文件，然后通过AGI(Analytical Graphics，Inc.)公司推出的obj2gltf工具将OBJ转换为GLTF格式文件，从而实现IFC到glTF的整体转换；本文通过调用Revit API，继承IExternal Command (外部命令)和IExternal Application (外部应用)接口，构建基于C#语言的IFC-glTF转换框架，通过Revit2gltf实现glTF模型文件输出。数据转换过程如图6所示。

图6 数据转换过程

2.1.3 数据映射

通常，在BIM模型转换过程中需要完成几何信息到WebGL的空间关系映射。这是由于IFC文件中的构件位置坐标信息由IfcLocalPlacement属性定义，通常采用局部坐标系，而WebGL为全局坐标系。因此，IFC模型构件与WebGL相机建立联系必须进行坐标系空间转换，主要包括模型变换和视变换。从局部坐标系到世界坐标系的坐标转换实际上是空间几何图形经平移、缩放和旋转单独或组合变换而成。考虑笛卡尔坐标系统采用右手法则，此处以绕轴为例，如图7所示。

图7 空间图形平移、缩放和旋转示意图

若该图形如图7所示绕轴旋转，因所示绕值不变，可忽略值变换。此时设为原点到点Local(,,)的距离，为轴旋转到该点的角度。依据三角函数方程即可得点Local(,,)绕轴旋转角度时的旋转矩阵，即

同理可得绕轴旋转角度时的旋转矩阵和绕轴旋转角度时的旋转矩阵。

综上，IFC模型文件几何信息可通过式(5)进行空间坐标系转换，完成构件几何信息到WebGL的空间关系映射，即

其中，=为顶点绕坐标轴旋转时的旋转转换矩阵。经数模分离及数据转换后，在Three.js中通过构造函数“Loader”将glTF模型文件和JSON语义属性文件引入至同一场景对象中，完成几何模型和语义属性信息在WebGL的加载。

2.2 场景管理

2.2.1 视锥体剔除

视锥体剔除通过运用渲染场景中的空间相关性来判断场景模型是否在视锥体内部或者与视锥体相交来进行剔除操作。视锥本身通常由6个裁剪面构成，其裁剪面右剖面如图8所示。为视锥体垂直方向的张口角度；D和D分别为视点到近裁剪面和远裁剪面的距离；H和H分别为近裁剪面和远裁剪面的高度。

图8 视锥体右裁剪面剖面图

假设摄像机的纵横比为，右裁剪面侧某顶点(0,0,0)。根据几何关系，可通过式(6)计算该顶点到右裁剪面的距离，从而判断该顶点与右裁剪面的空间关系，即

若<0，则顶点在视锥体外侧；若≥0，则顶点在视锥体内侧。这是因为涉及裁剪空间变化时，左右手坐标系发生更改，裁剪面法向量指向视锥体内。根据某构件所有顶点与裁剪面的空间关系，可确定整个构件与视锥体是否存在内含、相交或外离关系，从而确定是否对构件进行加载渲染。

2.2.2 基于BVH的BS-AB场景构件可视性检测算法

使用具有层次结构的空间数据结构组织场景并构建体积略大但几何特征相对简单的包围盒近似描述构件，是解决复杂场景线性数组遍历低效和复杂构件视锥相交测试困难的有利途径。层次包围体BVH是一种常用的空间数据结构。其将场景中的物体进行基于空间信息的层次树状结构组织管理，从根节点往下依次包含内部节点和叶子节点。

因此，BVH结构树可以根据IFC构件树进行创建。在此，将视锥场景视为一个根节点，每一个IfcBuildingElement (如IfcWall、IfcDoor等)作为一个类别放置在内部节点中，则每个类别下的族即为叶子节点。当叶子节点内部仍存在不同构件时，可依照族、族类型继续构建BVH树，直至叶子节点中包含族实例。

在场景中添加包围体的目的是通过精确的碰撞检测对包围盒外几何体过滤。常用的包围体有BSphere体、AABB盒。BSphere体算法是基于球体半径与球心到视锥裁剪面距离实现。若<-，则球体与视锥体外离，不进行加载；若||<，则球体与视锥体相交，进行加载；若>，则球体在视锥体内，进行加载，其结构如图9所示。AABB盒算法是基于包围盒顶点与视锥裁剪面距离实现，通过判断包围盒顶点是否在视锥体内或某两点之间连线是否穿过视锥体确定是否对包围盒进行加载，其结构如图10所示。

图9 球体层次包围盒树结构示意图((a)利用球体包围场景构件；(b)层次结构树)

图10 AABB层次包围盒树结构示意图((a)利用AABB盒包围场景构件; (b)层次结构树)

BSphere体构造及相交测试虽简单，但紧密性太差；AABB盒虽支持动态更新且检测更为准确，但更新效率太低。由此，本文提出先对场景构件进行BSphere体预检测，剔除粗略松散的构件，再通过AABB盒检测，进一步筛选，快速达到最优检测结果。具体见算法2。

算法2.基于BVH的BS-AB场景构件可视性检测算法。

Input：场景内所有构件。

Output：场景内可视构件。

当视锥体与层次包围体进行碰撞检测时，先进行BSphere体预检测，从根结点开始依次对每一个节点进行递归访问，剔除掉外离的内部节点和叶子节点，将内含的内部节点以及与视锥体相交的内部节点内含的叶子节点进行加载。另外，对与视锥体相交的内部节点内仍与视锥体相交的叶子节点进行AABB盒检测，剔除掉与视锥体外离的包围盒。利用此算法在保证视锥体剔除效率的基础上，不仅降低了渲染管线性能开销，也提高了可视构件检测的准确性。

3 实验与结果分析

为了验证模型转换策略和场景管理策略的有效性，本文从公开数据集Open IFC Model Repository和各BIM模型数据库中收集了10个建筑物场景组成实验数据进行实例验证。本实例验证以配置为Intel(R) Core(TM) i7-8700@3.20GHZ 六核处理器、16 GB内存、NVIDIA GeForce GTX 1060显卡以及64位Windows10操作系统的笔记本电脑，基于Chrome浏览器和Three.js框架实现。实验中所有测试数据的IFC版本均为IFC2X3，具体见表1。

表1 实验测试数据集

3.1 模型转换策略有效性分析

本文针对文献[7-8]中模型转换后三维模型数据加载量大且加载时间长问题，提出以glTF作为模型转换目标格式实现网络加载。对此，本文对去语义属性的IFC模型文件进行了模型转换实验。

从图11中可以发现，随着模型文件体量增大，glTF体积缓慢增长，而obj增长较块，且远大于glTF文件。这是由于原始IFC文件经数模分离及格式转换后，仅有少量信息被存储在glTF文件中，而大部分信息保存在bin文件下。

图11 转换后模型文件大小

从表2中可以发现，尽管由于建筑场景的不同，转换后的模型整体文件大小及转换所需要的时间有所差别，但glTF格式压缩率均在90%以上，相较于obj格式有明显的压缩优势。因此，将gLTF作为模型转换目标格式对降低三维模型数据加载量有效，也将更利于Web端三维模型数据快速加载。

3.2 场景管理策略有效性分析

本文针对场景构件可见性检测效果差导致渲染帧率低问题，提出利用基于BVH的BS-AB场景构件可视性检测算法对建筑构件进行可见性检测及剔除。对此，本文以Medel 10作为实验对象，设置了10个同一角度、同一视点但视点与模型距离不一的视锥场景，如图12所示。之后在不同视锥场景下，分别从FPS值及画面单次渲染时间等参数方面与其他渲染系统进行性能比较，从而验证本文策略是否对场景可视构件管理工作有效。

表2 模型转换结果

图12 场景视点设置示意图

实验中，BIMviews所依赖的BIMServer服务器版本为BIMServer1.5.88。Chrome网页浏览器为64位的84.0.4147.89版本。实验过程中，通过开启Chrome浏览器Rendering监听器中的FPS mater对3D场景绘制区域进行FPS监听；借用stats.js库对场景区域进行Rendering time监测。此外，BIMviews加载IFC模型文件，其他方法均加载glTF文件。实验结果如图13、14所示。

从图13可以发现，随着视点与模型的距离缩小，视锥体内构件数量降低，整体FPS值均在逐渐上升，但其他2种方法增幅较小且不够稳定。且在Distance 5之后，视锥体内构件数量大幅降低，本文方法视锥体剔除效果明显，渲染帧率稳步上升。从图14可以发现，在Distance 5之前，2种方法下的画面单次渲染时间差别不大，但在Distance 5之后，本文所用方法下的画面渲染时间下降明显。通过实验对比，验证了本文BS-AB场景构件可视性检测算法的可行性和场景管理策略的有效性，可以满足BIM模型数据网络可视化的流畅需求。此外，在实验过程中发现，BIMviews加载实验对象IFC文件及获取模型数据较慢，平均在40 s左右，卡顿明显。而利用Three.js加载glTF文件至Web 3D完整显示平均只需要7 s左右，再次验证了glTF格式比IFC格式更适合BIM模型数据基于Web三维显示及交互。

图13 FPS对比分析

图14 画面渲染时间对比分析

4 结 论

本文针对三维模型数据加载量大导致Web端加载缓慢以及场景可视性构件检测准确率低导致画面渲染卡顿问题，提出将glTF作为模型转换目标格式，并通过基于BVH的BS-AB场景构件可视性检测算法对场景构件进行可视性剔除。实验结果表明，该方法大幅度降低了BIM模型数据量，且提高了模型可视构件检测准确率，有较好的Web端模型加载及渲染效果。但是，本文方法无法对被遮挡构件进行可视性检测，且对模型构件类型(如建筑或机电)检测效果有所差别。后续工作将从LOD及遮挡剔除算法[25]着手，对渲染场景视锥体剔除后渲染管线和GPU性能开销仍不理想的问题进一步优化。此外，将考虑结合Three.js和Cesium.js，以更好的实现三维模型与实景融合。

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Research on web-oriented visualization method of 3D architectural model

BIAN Gen-qing, CHEN Wei-tao

(School of Information and Control Engineering, Xi’anUniversity of Architecture and Technology, Xi’an Shaanxi 710055, China)

Aiming at the problems of poor model semantic integrity and weak data interoperability in the current industrial foundation class (IFC) standard file and WebGL framework integration scheme, a set of building information model (BIM) data network visualization implementation schemes are proposed. The program uses IFC standard files as the input data source, first reconstructs the BIM model, and proposes a component instance hierarchical split strategy based on the IFC structure tree to implement the digital and analog separation of the original IFC file. Then, the reconstructed IFC model file is converted to the glTF format file, and the dual relational mapping of geometric space and semantic attributes is completed in the conversion process. Finally, the BS-AB scene component visibility detection algorithm based on the Bounding Volume Hierachy (BVH) structure is proposed to perform the construction component Visibility culling. The experimental results show that this method can significantly reduce BIM model data redundancy, efficiently complete the elimination of invisible components in complex BIM scenes, and reduce the overhead of the rendering pipeline. It is a provides a feasible reference solution for the visualization of BIM model data based on the IFC standard and WebGL framework integration scheme. Network visualization provides a feasible reference solution.

3D visualization; building information model; industrial foundation class; WebGL; visibility culling

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050823

A

2095-302X(2021)05-0823-10

2020-12-11；

2021-03-23

11 December，2020；

23 March，2021

住房和城乡建设部软科学研究项目(2019-R-022)；陕西省软科学研究计划项目(2019KRM195)

Soft Science Research Project of the Ministry of Housing and Urban-Rural Development (2019-R-022);Shaanxi Province Soft Science Research Project (2019KRM195)

边根庆(1968–)，男，浙江浦江人，教授，博士。主要研究方向为BIM技术。E-mail：bgq_00@163.com

BIAN Gen-qing (1968–), male, professor, Ph.D. His main research interest covers BIM technology. E-mail：bgq_00@163.com