Constructing Rules and Scheduling Technology for 3D Building Models
Zhengwei SUI, Lun WU, Jingnong WENG, Xing LIN, Xiaolu JI
Abstract
3D models have become important form of geographic data beyond conventional 2D geospatial data. Buildings are important marks for human to identify their environments, because they are close with human life, particularly in the urban areas. Geographic information can be expressed in a more intuitive and effective manner with architectural models being modeled and visualized in a virtual 3D environment. Architectural model data features with huge data volume, high complexity, non-uniform rules and so on. Hence, the cost of constructing large-scale scenes is high. Meanwhile, computers are lack of processing capacity upon a large number of model data. Therefore, resolving the conflicts between limited processing capacity of computer and massive data of model is valuable. By investigating the characteristics of buildings and the regular changes of viewpoint in virtual 3D environment, this article introduces several constructing rules and scheduling techniques for 3D constructing of buildings, aiming at the reduction of data volume and complexity of model and thus improving computersrsquo; efficiency at scheduling large amount of architectural models. In order to evaluate the efficiency of proposed constructing rules and scheduling technology listed in the above text, the authors carry out a case study by 3D constructing the campus of Peking University using the proposed method and the traditional method. The two results are then examined and compared from aspects of model data volume, model factuality, speed of model loading, average responding time during visualization, compatibility and reusability in 3D geo-visualization platforms: China Star, one Chinarsquo;s own platform for 3D global GIS manufactured by the authors of this paper. The result of comparison reveals that models built by the proposed methods are much better than those built using traditional methods. For the constructing of building objects in large-scale scenes, the proposed methods can not only reduce the complexity and amount of model data remarkably, but can also improving computersrsquo; efficiency.
Keywords: Constructing rules, Model scheduling, 3D buildings
I. INTRODUCTION
In recent years, with the development of 3D GIS (Geographical Information System) software like Google Earth, Skyline, NASA World Wind, large-scale 3D building models with regional characteristics have become important form of geographic data beyond conventional 2D geospatial data, like multi-resolution remote sensing images and vector data [1].Compared to traditional 2D representation, geographic information can be expressed in a more intuitive and effective manner with architectural models being modeled and visualized in a virtual 3D environment. 3D representation and visualization provides better visual effect and vivid urban geographic information, and thus plays an important role in peoples perceptions of their environment. Meanwhile, the 3D building data is also of great significance for the construction of digital cities.
But how to efficiently visualize thousands of 3D building models in a virtual 3D environment is not a trivial question. The most difficult part of the question is the conflicts between limited processing capacity of computer and massive volume of model data, particularly in the procedure of model rendering. Taking the 3D modeling of a city for the example using traditional 3D modeling method, suppose there are 100 000 buildings to model in the urban area and the average size of model data for each building is roughly 10 M. So the total data volume of building models in the city could reach a TB level. However, the capacity of ordinary computer memory is only in the GB scale. Based on this concern, the authors proposed the scheduling technology for large-scale 3D buildings models in aspects of model loading and rendering. Due to the lack of building constructing rules and standard, models of buildings vary in aspects of constructing methods, textures collection and model data volume, especially in aspects of model reusability and factuality. Such a large amount of data without uniform constructing rules becomes a huge challenge for data storage, processing and visualization in computers. It also brings the problem of incompatibility among different 3D GIS systems.
After years of research in GIS (Geographic Information System), people have accumulated a number of ways to solve the above problems [3]. However in virtual 3D environment, because of the difference in data organization and manners of human computer interaction (HCI), we need to apply a new standardized method of modeling and scheduling for 3D models. At present, there is no such a uniform method as the constructing specification or standard for the modeling of 3D buildings. Existing approaches are insufficient and inefficient in the scheduling of large-scale building models, resulting in poor performance or large memory occupancy. In response to such questions, the authors proposed a new method for the construction of 3D building models. Models built using the proposed methods could be much better than those built using traditional methods. For the 3D modeling of building objects in scenes of large scale, the proposed methods can not only remarkably reduce the complexity and amount of model data, but can also improving the reusability and factuality of models. Concerning the scheduling of large-scale building models, the Model Loading Judgment Algorithm (MLJA) proposed in this paper could solve the optimal judgment problem of model loading in 3D vision cone, particularly in circumstance with uncertain user interactions.
This paper first examines and analyzes existing problems in constructing and scheduling steps of 3D building models. Then
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构建三维建筑模型的规则和调度技术
隋正伟，邬伦, 翁敬农，林星,季晓璐
摘 要
三维模型已成为超越了传统的二维地理空间数据的一种重要的地理数据形式。建筑是人类确定其环境的重要标志，因为它们与人类生活密切相关，特别是在市区。地理信息可以用一个更直观、更有效的方式在虚拟的三维环境下能可视化的建筑模型表达出来。建筑模型数据具有数据量庞大、复杂性高、规则不统一等特点。因此，建设大规模场景的成本是很高的。与此同时，电脑缺乏加工大量模型数据的能力。因此，解决计算机有限的处理能力和大量的模型数据之间的矛盾是很有价值的。通过调查建筑物的特点和虚拟的三维环境下视角的规律变化，本文介绍了一些构建三维建筑模型的规则和调度技术，旨在减少数据量和复杂的模型，从而提高电脑调度大量建筑模型的效率。为了评估在上文中提到的建模规则和调度技术的效率，作者开展了一个案例研究，就是用该方法与传统方法兴建北京大学校园的三维模型。两个结果被审查合格后在模型的数据量、模型的真实性、模型加载的速度、可视化的平均响应时间、兼容性和三维地理可视化平台的可重用性等方面做了对比。China Star，就是一个由本文作者制造的中国自己的三维全球地理信息系统平台。对比结果表明，用所提出的方法建立的模型比那些用传统方法建立的模型更好。对于建造大规模场景的建筑物三维模型，用所提出的方法不仅可以显著地减少模型数据的复杂性和数据量，也可以提高电脑的效率。
关键字：构建规则，模型调度，三维建筑物
一、引言
近年来，随着三维GIS（地理信息系统）软件的发展，例如Google Earth、 Skyline、NASA World Wind，具有区域特点的大型三维建筑模型已经成为超越了传统的二维地理空间数据的重要的地理数据形式，如高分辨率遥感影像和矢量数据[1]。相比传统的二维表示形式，地理信息可以用一个更直观、更有效的方式在虚拟的三维环境下能可视化的建筑模型表达出来。三维表示和可视化提供了更好的视觉效果和生动的城市地理信息，从而在人们对他们所处环境的观念中起着重要的作用。同时，三维建筑数据对于数字城市的建设也具有十分重要的意义。
但如何有效地让数以千计的三维建筑模型在一个虚拟的三维环境下可视化并不是一个简单的问题。问题最困难的部分是计算机有限的处理能力和大量的模型数据之间的矛盾，特别是模型渲染的过程。以城市三维建模为例，使用传统的三维建模方法，假设在市区有10万幢建筑物要建模，每个建筑物的模型数据的平均大小约为10兆，所以建造这个城市建筑物模型的总数据量可以达到TB级。然而，普通电脑的内存容量仅是在GB的水平。基于这个担忧，作者提出了对于大型的三维建筑模型在模型加载和渲染等方面的调度技术。由于缺乏构建规则和标准，建筑模型在构造方法、纹理收集和模型数据量等方面都不尽相同，特别是在模型的可重用性和真实性方面。这种没有统一构建规则的大量数据成为计算机数据存储、处理和可视化一个巨大的挑战。它也带来了不同的三维GIS系统之间的不兼容问题。
经过多年对GIS（地理信息系统）的研究，人们已经积累了大量解决上述问题的方法[3]。然而在虚拟的三维环境下，因为在数据组织和人机交互（HCI）方式的差异，我们需要申请一个新的三维模型的建模和调度的标准化方法。目前，对于三维建筑物的建模并没有一个统一的建设规范或标准。现有的方法对于大型建筑模型的调度是不够的、低效的，从而导致了性能不佳或内存占用大。在回答这些问题时，作者提出了一个构建三维建筑模型的新方法，使用提出的新方法构建的模型可能比那些使用传统方法构建的模型更好。对于建造，用所提出的方法不仅可以显著地减少模型数据的复杂性和数据量，也可以提高模型的可重用性和真实性。考虑到大规模的建筑物模型的调度，本文提出的模型加载判决算法（MLJA）可以解决在三维视觉锥模型加载时的最佳判断问题，特别是在不确定的用户交互的情况下。
本文首先探讨和分析在三维建筑模型的建造和调度步骤中存在的问题，然后作者提出了一套三维建筑模型的建造规则与优化模型的方法。此外，特殊的模型渲染的调度技术和优化方法也适用于本文的大型三维建筑模型。为了评估所提出规则和方法的效率，作者进行了案例研究，使用所提出的方法与传统方法分别构建北京大学主校区和深圳市的三维模型。北京大学主校区和深圳市两个三维模型被审查合格后在模型的数据量、模型的真实性、模型加载的速度、可视化的平均响应时间、兼容性和三维地理可视化平台，如China Star（一个由本文作者制造的中国自己的三维全球地理信息平台）、Skyline等的可重用性等方面做了对比。比较的结果表明，模型提供了类似的真实性，利用我们提出的方法，模型的数据量减少了86％ ；模型加载的速度增加了70％；模型的可视化和交互速度的平均响应时间减少了83％。同时，如果使用我们的方法建造模型，三维模型数据的兼容性和可重用性也有所改善。
二、三维建筑物建模规则
三维场景是数字城市系统可视化的最佳形式，在建造建筑物的三维模型时，要用正确的而且是考虑到三位建筑模型特点的方法和规则[2]。所建造的模型应该是足够稳健的、可重用的和足够适合于计算机网络传输，并应同时自动适应系统的能力。
一般来说，构建三维建筑模型的方法可分为三种类型：线框模型，曲面模型和实体模型。在一般情况下，以三维的形式进行建筑物建模，建设物的框架首先应根据建筑物的轮廓特征、楼层数、楼层高度、航摄像片、实景真人像片构建。然后，收集要建模的建筑物所代表的场景的特点。重要的特点包括建筑物的航摄像片或实景真人拍摄的照片。最后，将收集的纹理映射到模型框架、优化模型和创建三维建筑模型的数据库。
虽然已经有很多建造三维建筑模型的方法，但我们需要一个统一的建模方法和规则来提高建模的效率、质量、易查性、重用性和归档。通过调查建筑物的特点，我们发现建筑物具有规则的几何形态、不同方向上相似的表面纹理、小规模建筑模型的高度相似性等。基于此，本文从三个方面对建模规则作出了讨论，包括三维建筑模型的建造规则、三维建筑模型的纹理映射规则和我们提到的建模规则基础上的优化方法。
A. 三维建筑模型的建造规则
三维建筑建模是指把真实的建筑物以三维的形式从现实世界到计算机中表现出来的过程[4]。人类，作为模型的的创造者同时又是潜在的使用者，在此过程中发挥着关键的作用。人们对建模对象、建模方法和建模使用的软件工具的理解彼此是不同的。同时开展建模工作的人们之间的这种差异会导致三维模型不同的质量和低效率，因此，本文提到的三维建筑物建模规则对于解决上述问题显得尤为重要，还很有帮助。
1）将相似的楼层作为一个整体，并保持独立的屋顶
2）共享相似的模型，细节特别处理
3）以米为建模单位
4）定义模型的中心点
5）统一模型代码
6）在单一的模型中减少面数
7）减少模型的组合数
8）合理分割模型
B. 三维建筑模型的纹理映射规则
基于三维模型的框架内，要创建一个具有更好可视化效果的三位建筑模型，我们需要合适的纹理。当模型被渲染后，纹理映射的质量直接影响场景的视觉效果[5]。当渲染一个模型时，由于计算机显卡将一起加载所有的纹理，所以纹理映射规则和纹理映射的质量也会直接影响渲染的效率。
C. 建模规则基础上的优化方法
基于建模规则和三维建筑模型的特点，作者开发了一个软件工具来自动优化三维建筑模型。应用到这个软件工具中的优化方法包括：删除模型的内部纹理、合并相邻顶点/线/面，删除未映射的框架等。此外，该软件在优化过程中可以提高整个模型的外形，纹理的位置以及模型的真实性。
三、三维建筑模型的调度技术
对于大型建筑模型的三维可视化，我们要采取一系列的措施以确保高效渲染模型。这些重要的措施包括：现场组织、视力锥切割、消除模型背面的纹理、着色器的优化、LOD算法、数学库优化、内存优化配置等等。
在一个虚拟的三维环境中如何显示数以千计的三维城市建筑物模型是不容易的，主要的问题是模型的调度[7]。它是由模型什么时候怎么样被加载而决定的。这个问题可以分为两个小问题：一个是在三维环境中寻找模型可见的空间区域，另一个是模型渲染效率的优化方法。
A. 在三维环境中查找模型的可见空间区域
在三维可视化和大型三维场景的特点中，根据计算机的操作机制，在加载信号模型或市区单位模型前我们需要先确定当前视点的位置，然后在虚拟的三维环境对视点的规则变化作出反应，系统将自动预加载三维模型数据到内存中去。通过这种方式，可以减少频繁的IO操作，从而系统的整体效率得到提高。本文提出了一种新的算法名为MLJA（型号载入判决算法），为了找出在三维环境中模型的可见空间区域。该算法使三维空间中的十字光标和高程信息变得完整，这样便可以确定用户当前的视点。随着视点的运动，算法有效地调度加载相应的模型。
B. 模型渲染效率的优化方法
上述提到的大型三维建筑模型的调度方法是一种用来解决大型模型的数据量和计算机有限的处理能力之间的矛盾这一问题的有效方式。根据这个算法，我们可以避免在有限的计算机内存中加载整个大型三维建筑模型，然后在模型加载和放弃的过程中提高系统效率。由于GPU和本地视频内存的容量有限，我们需要进一步研究如何用更有效的方式加载模型数据显示。在本文的剩余部分，作者将继续介绍模型在视觉锥渲染时优化的几种方法。
1）消除纹理模型的背面
用户是看不见三维模型的背面的，如果我们省略了三维模型背面的纹理映射，显卡的处理负荷将减少多达至少50％。此外，根据对实际模型渲染的步骤进行调查，作者发现在三维模型的背面，看不到的纹理是以视力的逆时针的方向渲染出来的，而可见的纹理映射是以顺时针的方式渲染的，所以，我们可以省略以逆时针的方式渲染的模型。因此，三维模型的背面将不存在纹理，显卡就可以更迅速，更有效地工作了。
2）消除屏蔽模型
通过计算场景中三维模型之间的几何关系，当显示场景时，可以显示适当的屏蔽补丁，而屏蔽模型可以省略。我们通过这种方式，可以有效降低显卡内存的使用，从而实现更高的渲染效率和更快的三维虚拟系统。
在虚拟的三维地理信息系统中，我们经常从高空观察三维模型，尤其是大型户外三维模型。 三维建筑模型的安排通常是很稀疏的，但真正的块是非常小的。因此，建立一个类似于BSP树的视觉控制索引，花费不是很多。通过仔细研究DirectX，我们发现我们可以利用最新DirectX的Z缓冲技术的优势来实现模型的屏蔽控制。
3）着色器指令的优化方法
在着色器3.0中，SM（着色模型）是一个可以优化渲染引擎的模型。一个三维场景通常包含几个着色器，在这些着色器中，一些是为建筑物的表面和骨架着色的，其他是为三维建筑模型的纹理着色的。
着色器可以把三维建筑模型中类似的顶点结合起来，对单个顶点的相关操作，确定了该模型的物理形状，创造新的多边形时可以快速连接点、线、三角形和其他多边形等。我们可以在不麻烦CPU的情况下在很短的时间内直接分配计算任务到着色器和本地视频内存，在这种情况下，烟雾、爆炸等特殊效果和复杂的图形视觉效果就不再需要电脑CPU的处理。着色器的这个特点可以加快CPU和显卡在处理大量三维模型是的速度。
4）大型三维场景的LOD算法
LOD（细节层次）是一种常见的、有效的解决方案，用来解决模型实时可视化和真实性之间的冲突[8]。通过调查LOD技术的主要特点和典型的算法，作者为多层次的动态显示提出了一个新的结构。这种结构不仅可以应用于许多不同但固定的拓扑模型的网格简化，而且还可以应用于变化的拓扑模型的网格简化。因此，LOD技术可以应用到任何网格模型。基于上述问题，作者还设计了变化拓扑的网格简化算法，这就是通过合并顶点。通过顶点的合并和分裂的双重操作，我们可以在不同LOD水平的模型间实现平稳过渡，并自动改变模型的拓扑结构。
上述这些技术在三维场景中扮演着重要的角色，它不仅可以使一个大型场景快速可视化，而且还可以用大量的建筑细节在局部范围内提供场景的高分辨率显示。
四、结束语
构建规则和调度技术在大型三维建筑模型的应用方面扮演着重要的角色。人们对三维表达的需求给虚拟的三维环境带来了高效率和高品质的的挑战，在这篇文章中提出的方法给了这些方面很好的尝试。根据本文作者的调查和案例研究，构建规则和调度技术的集成提供了强大的工具来解决计算机有限的处理能力和大量模型数据的之间的矛盾。北京大学案例研究的结果表明，提出大型三维场景的构建规则和调度技术的新方法是非常可行的，在实践中也是很有效的。所提出的方法，不仅可以规范建模的过程，而且在调度大型三维建筑物时所花费的时间可以大大缩短，它引入了一个新的有效途径来发展大规模三维场景的应用。
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