苏晓军 郭俊 胡永晶

（1.深圳市顺欣同创科技有限公司 广东省深圳市 518000 2.北京理工大学 北京市 100081）

“互联网+”驱动下，伴随物联网、AI 等技术的高速发展，软件行业在新基建、智慧园区、智慧安防、智慧城市等领域的兴起，不仅仅是可视化，更重要的是信息的采集、承载与应用。其中三维技术作为模拟与虚拟现实的技术载体，引燃“十四五”产业动力新引擎，助力数字经济发展、构建智慧和谐社会的同时，也面临了更大的技术考验。

1 背景与相关理论概述

建筑信息化模型（Building Information Modeling，BIM），技术不是简单的将数字信息进行集成，而是一种数字信息的应用，并可以用于设计、建造、管理的数字化方法。本文研究内容为BIM技术平台的子集，主要是针对三维空间实体的处理与转换及呈现进行相关技术研究。三维空间实体是指三维拓扑空间 (R3)中存在的维度(自由度)小于等于3 的空间实体，根据空间实体在三维拓扑空间中的自由度，空间实体可以简单划分为四类：点状实体(0 维)、线状实体(1 维)、面状实体(2 维)、体状实体(3 维)。

四分位数（Quartile）也称四分位点，是指在统计学中把所有数值由小到大排列并分成四等份，处于三个分割点位置的数值。多应用于统计学中的箱线图绘制。它是一组数据排序后处于25%和75%位置上的值。四分位数是通过3 个点将全部数据等分为4 部分，其中每部分包含25%的数据。

2 模型加载与渲染的问题

案例：“某超大模型三角面量级达到900w+，需要在普通办公级电脑上快速加载并渲染完成，且具有良好的体验。”

针对案例，用工程思维提炼如下信息：

（1）面数过大，很容易当前个人办公电脑硬件资源限制而导致应用崩溃；

（2）三角面数过多，如果不能再加载性能与模型渲染质量之间需要取得平衡，会导致业务应用的局限性，例如需要高端设备才能流畅使用；

2.1 诊断分析

Step1. Chrome 浏览器下输出模型中物体所包含的模型顶点数，如图1 所示，总量约900w+。

Step2. 用直方图分析顶点数，如图2 所示，面数共1 项的最大值超过平均值3 个标准差，模型所含物体定点数明显偏差正态性，不具备正态特质。

表1：四分法策略定义

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

Step3. 四分法等数学方法继续分析数据获得如图3 所示数据，获得25%、75%分别对应的顶点数，为算法设计获得优化依据。

2.2 优化目标

BS 架构下，BIM 应用首当其冲的约束是客户端GPU 的渲染能力与网络传输效率，在本研究之前已通过动态文件切片有效解决了文件传输效率的制约，本文旨在应用工程思维研究如何在GPU 渲染瓶颈下实现以下目标的均衡：

（1）性能方面，结合异步加载设计，至少满足3～5s 内加载完成，且已加载模型组件可见即可操作。

（2）渲染帧率即FPS 指标不低于40fps。

（3）视觉效果方面主体结构线清晰，显示效果均衡，应用范围内业务需要交互的物体能够清晰呈现。

（4）兼顾超大园区类模型、复杂模型、单体模型等。

（5）支持业务应用按需设置参数，选择性能优先或者质量优先策略加载模型。

3 策略与算法设计

3.1 策略设计

基于上一章节分析，本文提出以下组合划线策略：

（1）模型中的墙体、楼梯以及板梁柱等大面积结构体默认划线；

（2）模型内部物体采用四分法动态划线，取值参数及定义如表1 所示，API 调用时根据需要选择相应的参数。

如表1 所示，本研究定义了L1 级的性能优先、L2 级均衡偏性能，L3 均衡偏质量以及L4 质量优先的策略。对于客户端性能较好的环境，建议优先采用L4 等级渲染模型边线，而对于机器性能较差的客户端环境，推荐有低到高等级逐步测试取得性能与质量的均衡。

3.2 算法实现

图4 为基本过程说明，原始三维模型在经过轻量化处理过程时，系统后台记录模型中每个物体的三角面信息，用于算法动态取值如75%分位所对应的三角面数t，客户端调用时首先按策略1 划线，然后基于策略2 对≤t 的三角面划线。具体实现可根据逻辑定义如图5。

4 策略与算法论证

4.1 模型加载性能差异

网页端加载渲染模型，存在服务端获取切片文件传输的带宽因素、客户端内存及GPU 渲染能力等因素的影响，本研究基于网络稳定的假设前提下做出如图6 所示对比，应用优化算法，模型加载＜5s，相比优化前95s 有指数级提升，基本达到预期性能目标，单体普通建筑模型可实现秒级加载。

4.2 交互响应差异

FPS 指画面每秒传输帧数，每秒钟帧数越多，所显示的动作也会越流畅。但同时也应关注显卡资源消耗，FPS 越高对显卡的要求也会越高。如图7 所示，优化前为27fps，优化后达到一般液晶显示器的上限60fps。

4.3 视觉体验差异

从图8 可看出，有边线和无边线存在细微差别，但在后续业务交互中会存在显著差别。无边线的物体在鼠标选中时缺乏空间感，体验不友好，而勾勒了边线的物体被选中时有明显的三维空间感，交互体验友好。

5 总结与展望

本文通过对某中大型模型轻量化获得的点面数据进行分析，探讨在当下硬件设备约束下，运用工程思维，基于模型特性采用“大面积结构性物体默认绘制空间线”+“精细物体四分法动态绘制空间线”的组合策略，来实现性能与质量的均衡。该算法在智慧园区、智慧城市、智慧安防领域的BIM 应用中具有一定的应用价值。

实际商业应用中，模型除了精细复杂体外，还有超大面积型，甚至在线测绘、模型剖切测量需求，因此未来的研究工作还需要更进一步在以下方面深入研究：

（1）同等约束条件下，模型绘制效率上性能更进一步提升，让使用有更多机会选择更高质量的渲染；

（2）三维模型轻量化算法优化，以支持对更多应用场景。