大规模城市场景数据在Uni...3D中加载及渲染技术的应用_王志科.pdf
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1、电力与能源第 44 卷第 3 期2023 年 6 月大规模城市场景数据在 Unity 3D 中加载及渲染技术的应用王志科,黄长伟(上海欣能信息科技发展有限公司,上海 200030)摘要:随着电力三维应用功能的不断深化,大规模场景数据的动态加载成为电力三维应用中需要解决的问题。主要讨论了大规模城市场景数据在三维场景中的加载及渲染技术,根据城市建筑数据的特点,主要研究两部分内容:城市建筑数据的处理;海量城市模型渲染技术的实现。该系统构建了基于 Unity 3D 的三维渲染引擎,实现了大规模城市场景的高效渲染模块的开发。该系统作为电力三维系统的一部分,能够实现变电站、架空线、地下电缆等周边城市建筑模
2、型的快速生成及高效展示,有助于深化其在架空线路、电缆通道等业务的应用。关键词:Unity 3D;城市模型;渲染技术;城市场景数据作者简介:王志科(1978),男,学士,工程师,研究方向为虚拟现实技术在电力生产管理中的应用。中图分类号:TM76;P208 文献标志码:A 文章编号:2095-1256(2023)03-0254-06Application of Loading and Rendering Technology of Large Scale City Scene Data in Unity 3DWANG Zhike,HUANG Changwei(Shanghai Shineenerg
3、y Information Technology Development Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China)Abstract:With the deepening of power 3D application function,dynamic loading of large-scale scene data had become a problem that needed to be solved in power 3D application.This paper mainly discussed the loading and rendering techn
4、ology of large-scale urban scene data in 3D scene.According to the characteristics of urban building data,the study focused on two aspects:the processing of urban building data;the rendering technology realization of massive city model.The system builded a 3D rendering engine based on Unity 3D and r
5、ealized the development of efficient rendering module for large-scale urban scenes.As a part of the three-dimensional power system,the system could realize the rapid generation and efficient display of the surrounding urban building models such as substations,overhead lines and underground cables,an
6、d contribute to the deepening of business applications such as overhead lines and cable channels.Key words:Unity 3D,urban model,rendering technology,city scene data三维可视化系统的研究一直以来是虚拟现实、地理信息系统(GIS)等领域的研究重点。三维场景中大规模数据的展示已经成为三维应用开发中必须要解决的问题。对于三维场景中的大规模数据,不可能一次性将所有的场景数据都加载到内存中。虽然可以通过设置摄像机远裁剪面的距离来对场景的加载进行
7、一些优化,但是在大场景的飞行模拟中,场景视角会比较大,加载到三维场景中的数据量很大,渲染效率会下降。在基于 WebGL 的三维可视化系统中,可用3D Tiles、I3S 等数据规范来实现三维场景中大规模模型数据的渲染。3D Tiles 和 I3S 规范均是将三维模型通过树结构空间索引类型对原始模型在空间上分割、转换等细碎化处理,使得场景中局部的加载压力降低,提高渲染性能。这种处理方式虽然能够提升大规模场景展示的效率,但是仍存在一些问题,例如:生成后的模型再次编辑处理比较困难;在三维场景中展示时对象单体化实现也比较困难;对 WebGL 的支持较好,目前在 Unity 3D中没有可用的方案。DOI
8、:10.11973/dlyny202303011254王志科,等:大规模城市场景数据在 Unity 3D中加载及渲染技术的应用在 Unity 3D 中,处理大规模建筑场景的解决方案主要有 Auto LOD,Amplify Impostors等。(1)Auto LOD 使 用 LOD 算 法。但 是 Auto LOD 要求在建模时就要创建出不同精细程度的模型,在三维场景中再配置模型的展示。目前大规模的建筑场景都是通过 GIS 数据生成得到的,生成的只有一级精简模型,这种方法对小场景的精细模型效果较好,但对大规模城市场景并不适用。(2)Amplify Impostors 是把场景中的物体通过不同的
9、角度去渲染,生成图片之后保存下来使用,在场景渲染时,根据位置直接渲染生成图片,提高渲染性能。然而这种方法会导致程序占用的内存增大,而且对程序中模型拆分比较细的场景渲染效果比较好,但对大规模建筑场景的渲染提升效果不大。因此,需要研究一种大规模城市建筑数据的处理方法来提升数据的加载和渲染效率。1城市建筑 GIS数据分析与处理1.1城市建筑轮廓概述城市建筑轮廓,指的是一个城市的建筑平面轮廓图。城市建筑轮廓数据包含城市范围内的所有建筑轮廓,轮廓可以是一个简单的矩形,或者是多边形的封闭区域,表示这个区域内有栋建筑。通过城市建模轮廓进行三维建筑模型的生成,需要城市建筑轮廓数据中包含楼层的高度信息。建筑轮廓
10、数据存储方式主要为 Shapefile 格式。Shapefile 是美国环境系统研究所(ESRI)开发的一种空间数据的开放格式,已经成为地理信息软件界的一个开放标准。Shapefile是一种用于存储地理要素几何位置和属性信息的非拓扑简单格式。Shapefile 中的地理要素可表示为点、线或面(区域)。Shapefile 的工作空间可以包含 dBase表,用于存储可连接到 Shapefile要素的附加属性。本次选取的基础数据为 Shapefile格式的上海建筑轮廓数据,数据中包含建筑楼层数量信息。在城市建筑数据处理部分,首先从城市的 Shapefile 数据中提取出城市建筑轮廓的几何数据和属性数
11、据,然后对数据进行预处理,根据建筑形状及楼层数量等信息,处理生成建筑的白模模型,再根据白模进行贴图,生成模型的侧面纹理和顶面纹理,最后对生成的城市建筑模型进行切片处理,导出特定格式的模型文件。1.2城市建筑轮廓数据处理在城市建筑轮廓数据中会出现坐标系不匹配、楼层面被错误分割等情况,因此在生成城市建筑轮廓数据之前,需要对数据进行预处理,数据预处理主要包含:建筑轮廓数据坐标系处理、城市建筑面融合与分离、建筑轮廓数据边界处理。1.2.1建筑轮廓数据坐标系处理坐标系参考系统(CRS)定义了 GIS中的二维投影地图与地球上真实地址的映射关系。一般可将 CRS分为投影坐标参考系统(笛卡尔或直角坐标参考系)
12、和地理坐标参考系统。地理坐标参考系统,也被称为 WGS84,它使用经度、纬度和高度值来描述地球表面上的位置信息。投影坐标参考系统,使用基于 X,Y,Z值的坐标系统来描述地球上某个点所处的位置,这个坐标系是从地球的近似椭球体投影得到的,它对应于某个地理坐标系。投影有很多方式,不同的投影构成了不同的投影坐标系,常见的投影坐标系包括:高斯-克吕格投影坐标系统、Albers 投影坐标系统、Web墨卡托投影坐标系统。目前常用坐标系对应的欧洲石油调查组织(EPSG)编 码 为 EPSG:4326(WGS84)、EPSG:3857(墨卡托投影)、EPSG:4490(CGCS2000)。本次获取到的上海城市建
13、筑轮廓 Shapefile文件使用的坐标系为 EPSG:4236(WGS84),在数据处理时所需的坐标系为 EPSG:3857(墨卡托投影),因此在生成建筑白模前需要对数据的坐标系进行处理。城市建筑轮廓数据坐标系处理比较简单,可使用 ArcGIS 或 QGIS 软件进行处理。本文使用QGIS 软件处理,处理前需要将 Shapefile 文件导入 QGIS图层中,然后使用图层导出功能,将图层要素另存,在另存窗口中填写保存路径,并选择255王志科,等:大规模城市场景数据在 Unity 3D中加载及渲染技术的应用CRS为 EPSG:3857后点击确定,即可完成建筑数据坐标系统的转换。1.2.2城市建
14、筑面融合与分离城市建筑轮廓基础数据中会出现建筑面被错误切分的情况,若不对数据进行处理,则会出现生成模型后一栋楼被拆分为多个的情况。这样不仅不符合实际情况,而且会增加生成建筑模型的三角形顶点数和面数,增大了三维场景渲染的压力,因此在生成建筑模型之前需要先将出现问题的数据进行处理。处理方法为将具有相同楼层数并相交的建筑面融合,并将不相交的建筑面分离开。因此,需要对建筑轮廓数据进行融合与分离的操作。ArcGIS 或 QGIS 软件提供了矢量数据融合处理的工具,数据融合算法采用的是矢量图层,并将其要素组合成新的要素。可以指定一个或多个属性融合于同一类的要素,也可以将所有的要素融合为单个要素。融合过程中
15、所输出的几何图形都将转换为多个几何图形,如果输入的是多边形图层,将擦除被融合的邻接多边形的公共边界。融合过程中,启用“将不可相交的要素分开”,可在融合后将不相交的建筑面进行分离1。1.2.3建筑轮廓数据边界处理将建筑轮廓数据融合、分离处理完成后,需要进行数据渲染将数据拆分处理。本次数据处理中可以根据行政边界将建筑轮廓数据进行分割处理。数据边界处理方法为相交处理,相交算法是提取输入图层和叠加图层中矢量要素的重叠部分,输出相交图层中的要素及属性信息1。将城市建筑轮廓数据导入 QGIS 软件中,并将上海各个区县行政边界也同时导入其中。选取地理处理工具中的相交功能,在相交功能里选择建筑轮廓数据图层为输
16、入图层,选择行政边界图层作为叠加图层,选取需要保留的属性字段后,点击运行,执行完成后即可将建筑轮廓和区域边界融合。使用分割矢量图层的功能,选取上一步处理过的模型,通过区域边界中的区县字段进行分割,分割完成后,输出各个区段的 Shapefile文件,随后可以进行城市建筑模型的构建。1.3城市建筑白模生成通过三维建模工具,可以生成城市建筑模型,再使用 Blender GIS 插件完成城市建筑白模的快速生成。Blender 是一款免费开源的三维图形图像处理软件,提供了从建模、动画、材质、渲染到音频处理、视频裁剪等一系列的数据处理解决方案。Blender GIS是 Blender中的一款插件,提供了
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