基于数字城市中的BIM模型的虚幻引擎渲染方法与流程

基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法
技术领域
1.本发明涉及图像数据处理技术领域，尤其涉及一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，具体地，它是一种基于数字城市中bim模型数据导入unreal图形引擎的高效渲染方法。


背景技术：

2.bim是建筑信息模型（building information modeling）的简称，是应用在建筑学、工程学及土木工程学的工具，建筑信息模型或建筑资讯模型用来进行以三维图形为主的电脑辅助设计。bim的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。借助这个包含建筑工程信息的三维模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。简而言之，bim技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。
3.在数字城市的建设中，使用到大量的bim模型，bim模型需要导入到诸如“unreal”的虚幻引擎（unreal engine）工具中经过渲染以进行显示。目前常规技术流程主要有两种：方案一：首先利用revit软件创建bim模型，然后从revit中导出rvt模型，然后将rvt模型导入3dmax进行优化，然后从3dmax中导出datasmith模型，然后将datasmith模型导入unreal；方案二：首先利用revit软件创建bim模型，然后从revit中导出datasmith模型，然后将datasmith模型导入unreal。
4.上述的两种技术方案中，由于unreal是基于游戏而构建的图形渲染引擎，初期并未考量bim模型数据量庞大而进行特殊优化，单栋bim模型的建筑、结构、水、暖、电五大专业所包含的构件数基本过万，单个构件三角面总数过千万，渲染负载非常高，导致当bim模型进入unreal时渲染帧率时常低于30帧常规使用帧率，无法流畅运行及查看。为了使bim模型在unreal内流畅运行，大部分企业花费大量人力成本进行模型优化，或更改业务方案，避免大量模型同时渲染，但最终还是以较低帧率进行使用，无法达到最初预期。现有的技术方案存在如下问题：1、低效率渲染：每帧渲染量级过于庞大，导致渲染指令过多，cpu满占用，帧率极低，个位数帧率为常规情况。
5.2、bim模型优化人力成本高昂：模型优化成本非常高，如果整体做模型轻量化，3万左右构件总数的bim模型需要付出单人40小时的优化时间且不包含问题解决。
6.3、bim数据丢失：常规模型轻量化时进行了模型合并的操作，则无法正确保留全量的bim信息，导致模型脱离bim原则，进行伪数字化操作。
7.4、材质效率低、无功能：材质渲染效率低，且版本之间互不兼容，定制bim功能需要手工逐个更换才可以使用。
8.5、导入/更新成本高：bim模型经过多轮转换/优化导入到unreal引擎，导入时间冗长，且不稳定，容易崩溃，bim模型数据更新时，需要删除旧数据重新导入，时间、人力成本极高，更新时需要重新打包，效率极低。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法。
10.本发明的目的还在于提供一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，提高渲染效率。
11.本发明的目的还在于提供一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，使其能够避免人工优化模型，避免重复劳动。
12.本发明的目的还在于提供一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，避免bim数据丢失问题。
13.为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，所述渲染方法包括：步骤100：使用unreal读取datasmith模型文件；步骤200：生成hlod-4 减面低模集合层；步骤300：生成原模型碰撞体，挂载全量bim模型数据；步骤400：按照面不相连原则分离所有模型，以降低单个模型网格面总数；步骤500：将分离后的所有模型按照大小进行分割，以便于创建lod单元；步骤600：基于原模型创建lod-1精模层；步骤700：创建lod-2减面低模层；步骤800：创建hlod-3二级优化层；以及步骤900：将所有数据整合，使unreal读取渲染数据进行bim渲染。
14.根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤100之前，所述渲染方法还包括：步骤a：使用revit创建bim模型；和步骤b：将制作好的bim模型使用revit模型导出工具导出为datasmith模型文件。
15.根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤100中，unreal以多线程全核心满载运行的方式读取datasmith模型文件。
16.根据本发明的一个优选实施例，所述datasmith模型文件由模型贴图和udsmesh模型网格组成。
17.根据本发明的一个优选实施例，所述revit模型导出工具为unreal-revit-datasmith插件。
18.根据本发明的一个优选实施例，所述生成hlod-4 减面低模集合层包括将步骤100中读取的所有文件合并减面处理为hlod-4层，进行储存。
19.根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤700中，使用开源减面库以缩减渲染成本。
20.根据本发明的一个优选实施例，在所述步骤800之后、步骤900之前，所述渲染方法还包括：获取原模型材质贴图，生成实例材质放入主贴图，并包含bim功能。
21.根据本发明的一个优选实施例，所述hlod-3二级优化层介于hlod-4 减面低模集合层及lod-2减面低模层中间。
22.根据本发明的一个优选实施例，所述bim功能包括颜色叠加和/或模型剖切。
23.本发明有益效果为：本发明所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，它针对于bim模型数据，多线程全核心满载文件读取，将所有数据整合，使unreal读取专用的渲染数据高效率进行bim渲染，它极大地提升了渲染效率，避免了bim数据的丢失问题，全面自动化避免人工优化模型，避免重复无效的劳动，采用动态加载datasmith文件逻辑，直接避免了数据更新导致的人力成本，无需删除后导入的更新操作，实现加载即最新的高效使用逻辑。
附图说明
24.图1示出了现有技术中bim模型导入虚幻引擎的常规技术流程；图2为根据本发明的实施例的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法的流程图。
实施方式
25.下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
26.在本公开的描述中涉及几个常用的技术术语表达，包括rvt模型、revit、datasmith、bim、ue、unreal、3dmax、lod、hlod，为清楚起见，首先对它们进行说明：rvt模型：rvt模型是由autodesk公司推出的revit软件专属的模型格式，用于存放bim模型数据。
27.revit：revit是autodesk公司的一套系列软件的名称，revit系列软件是为建筑信息模型（bim）构建的，可帮助建筑设计师设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑。
28.datasmith（unreal官方文档）：datasmith 是一系列工具和插件的集合，可以将使用各种行业标准设计应用创建的完整预构建场景和复杂资源导入虚幻引擎。
29.bim：bim是建筑信息模型（building information modeling）的简称，bim技术是autodesk公司在2002年率先提出，已经得到业界的广泛认可，它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于bim进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。bim的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。借助这个包含建筑工程信息的
三维模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。
30.ue和unreal：ue和unreal是unreal engine（虚幻引擎）的简写，由epic开发，是世界知名授权最广的游戏引擎之一。
31.3dmax：3d studio max，常简称为3dmax或3ds max，是discreet公司开发的基于pc系统的3d建模渲染和制作软件。其前身是基于dos操作系统的3d studio系列软件。在windows nt出现以前，工业级的cg制作被sgi图形工作站所垄断。3d studio max + windows nt组合的出现降低了cg制作的门槛，首先开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作。
32.lod：lod技术即levels of detail的简称，意为多细节层次。lod技术指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。
33.hlod（unreal官方文档，hierarchical level of detail）：虚幻引擎中的一个复杂关卡可以包含上百个细节丰富的静态网格体资产。对于这种程度的细节，一次加载方圆数公里的关卡会非常缓慢。当模型处于远距离时，分层细节级别（hlod）系统可以将多个静态网格体actor合并成单个代理网格体和材质。这能减少场景中需要渲染的actor数量，从而减少每帧的绘制调用数量，并提高性能，这在处理大型开放世界时特别有用。
34.根据本发明的总体发明构思，提供了一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，这种虚幻引擎渲染方法，针对unreal渲染方式，加载时自动创建多达4层的专用lod/hlod进行优化，提高各种镜头距离下的高效率渲染，同样模型情况下得到10倍及以上帧率提升，能够轻松到达游戏常用60帧/秒渲染速度。同时，加载同时使用开源减面库自动减面，完全脱离人力成本，且无破面乱面问题。而针对bim数据丢失问题，在加载过程中重构原始精细模型的碰撞体，独立存储全量bim数据，避免合并模型后导致数据丢失，且增加数据查询速度，将渲染和数据存储完全分离。原生材质为了兼容多种格式，增加了多个无效节点，导致渲染效率极低，且无任何功能，本发明重构了基础模型并添加了多种bim功能（如：颜色叠加、模型剖切等材质功能）的支持。此外，本发明为动态加载datasmith模型，没有更新模型负担，且使用多线程，加载时间效率极高，全核心多线程满载极大提升多次复用的时间成本，跨过人工更新模型的成本，且多版本支持，极大削弱人力成本。
35.本发明的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，具体包括包括：步骤a：使用revit创建bim模型；步骤b：将制作好的bim模型使用revit模型导出工具导出为datasmith模型文件；步骤100：使用unreal读取datasmith模型文件；步骤200：生成hlod-4 减面低模集合层；步骤300：生成原模型碰撞体，挂载全量bim模型数据；步骤400：按照面不相连原则分离所有模型，以降低单个模型网格面总数；步骤500：将分离后的所有模型按照大小进行分割，以便于创建lod单元；步骤600：基于原模型创建lod-1精模层；步骤700：创建lod-2减面低模层；步骤800：创建hlod-3二级优化层；以及
步骤900：将所有数据整合，使unreal读取渲染数据进行bim渲染。
36.下面结合一个具体实施例详细描述本发明，该具体实施例针对数字城市需要导入bim模型数据为基础蓝本得出最优bim加载策略。
37.1.使用revit创建bim模型使用revit创建五大专业建筑、结构、水、暖、电为行业公知。revit系列软件是为建筑信息模型(bim)构建的，可帮助建筑设计师设计、建造和维护质量更好、能效更高的建筑。
38.2.将制作好的bim模型使用unreal-revit-datasmith插件导出为datasmith模型。
39.使用unreal官方提供的revit模型导出工具将当前文件导出为datasmith模型文件。
40.3. 使用unreal读取datasmith模型文件，采用多线程全核心满载文件的方式读取。该datasmith模型文件由模型贴图（png、jpg、jpeg等图片格式）和udsmesh模型网格组成，为提高加载速度，本发明采用多线程（c++原生）文件读取策略，极大提高了文件读取效率，使硬盘内的文件能够以最快速度读取到内存（ram）内，方便后续调用。游戏引擎默认渲染为单线程操作，但文件读取可多线程全核心满载运行，极大的提高了加载速度，避免加载造成的卡顿。
41.4.生成hlod-4减面低模集合层，该层服务用于远距离渲染。将前述unreal读取的所有文件合并减面处理为hlod-4层进行储存，增加远距离渲染时的效率，避免卡顿，常规情况将会提升10倍及以上的渲染效率。为了大体量bim模型渲染，制作unreal专用的hlod-4渲染层级，服务于远距离渲染。
42.5.生成原模型碰撞体，挂载全量bim数据。unreal内获取数据原则为射线检测到该碰撞体，读取碰撞体的数据，本发明会将所有模型处理为四层lod/hlod数据，整个过程交替渲染，为了避免数据获取异常，将专门生成专用数据获取的碰撞体，且碰撞体不作为渲染单元出现，有效避免渲染帧率低问题。为了避免bim数据被合并导致丢失的问题，生成专用数据承载的碰撞体，提高数据读取效率的同时降低渲染成本。
43.6.按照面不相连原则分离所有模型，以降低单个模型网格面总数。构件内或许存在多个不相连的模型，例如：消防栓的门、消防栓本体、消防栓框体均为独立个体，为了避免单个构件面数过大，进行拆分，降低单个cpu渲染指令负载，有效提高性能。revit建模使用族库概念，降低模型师创建模型的成本，但是同时导致单个构件出现多个独立的网格个体，为了有效降低单个构件的三角面总数，进行分离，便于后续有效渲染。
44.7.将分离后的所有模型按照大小进行分割，以便于创建lod单元。原模型分离后，按照一定大小单位进行分割，便于后续lod单元创建时使用数据。分离后的模型进行单位体积内的分割，降低后续创建lod的成本，基础分割数据二次创建lod会大大提高直接创建lod的效率。
45.8.基于原模型创建lod-1精模层，该模型服务于最近距离查看，该层用于最近距离观察构件，保证真实，又避免渲染成本过高。该层创建为了近距查看构件，和其他层lod/hlod进行混合渲染。
46.9.创建lod-2减面低模层，使用开源减面库以缩减渲染成本。该层用于中近距离查看模型，在不影响模型真实性情况下，进行减面重新构建，保证量级的同时提高渲染效率。该层在lod-1发挥作用的同时周围构件采用lod-2层进行有效的渲染，成本降低，提高渲染
效率，避免卡顿。
47.10.创建hlod-3二级优化层，该层服务于中等距离批量渲染。该层用于中等距离的合并渲染，自动化生成合并模型，有效降低中等距离内的cpu渲染指令量级，高效成批渲染。该层介于hlod-4及lod-2层中间，避免距离位于当前的尴尬情况而创建的，和其他三层lod/hlod相辅相成。
48.11.获取原模型材质贴图，生成实例材质放入主贴图，并包含bim功能。创建专用bim模型材质，提取原有材质贴图，在不干涉原有贴图的情况下进行功能整合，直接避免了人工二次操作的成本，加载即使用无需二次操作。所述bim功能包括颜色叠加和/或模型剖切。材质功能（如：颜色叠加、模型剖切等材质功能）在bim中占有非常大的比重，且因为revit在版本升级的过程当中未考虑上下兼容问题，导致unreal也无法进行合适的材质兼容系统，本发明在基础材质内创建了上下版本兼容的节点，有效降低了版本迭代导致的模型二次导出导入的成本。
49.12.unreal渲染：将所有数据整合，使unreal读取专用的渲染数据高效率进行bim渲染。
50.本发明有益效果为：本发明所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，它针对于bim模型数据，多线程全核心满载文件读取，将所有数据整合，使unreal读取专用的渲染数据高效率进行bim渲染，它极大地提升了渲染效率，避免了bim数据的丢失问题，全面自动化避免人工优化模型，避免重复无效的劳动，采用动态加载datasmith文件逻辑，直接避免了数据更新导致的人力成本，无需删除后导入的更新操作，实现加载即最新的高效使用逻辑。具体地，包括：优点一：超高渲染效率，10倍及以上的渲染效率提升，方便用户在兼容本发明的平台内高效使用bim功能；优点二：bim模型优化人力成本等于0，全面自动化避免人工优化模型，避免重复无效的劳动；优点三：bim数据全量存储，本发明直接避免了bim数据的丢失问题，达到100%原数据；优点四：材质优化渲染高效率，替换原有datasmith材质，极大优化材质渲染效率，并增加bim材质功能组基础，开盒即用；优点五：动态加载，高效更新数据，拒绝人工更新，本发明采用动态加载datasmith文件逻辑，直接避免了数据更新导致的人力成本，无需删除后导入的更新操作，加载即最新的高效使用逻辑。
51.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于，所述渲染方法包括：步骤100：使用unreal读取datasmith模型文件；步骤200：生成hlod-4 减面低模集合层；步骤300：生成原模型碰撞体，挂载全量bim模型数据；步骤400：按照面不相连原则分离所有模型，以降低单个模型网格面总数；步骤500：将分离后的所有模型按照大小进行分割，以便于创建lod单元；步骤600：基于原模型创建lod-1精模层；步骤700：创建lod-2减面低模层；步骤800：创建hlod-3二级优化层；以及步骤900：将所有数据整合，使unreal读取渲染数据进行bim渲染。2. 根据权利要求1所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于，在所述步骤100之前，所述渲染方法还包括：步骤a：使用revit创建bim模型；和步骤b：将制作好的bim模型使用revit模型导出工具导出为datasmith模型文件。3.根据权利要求2所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：在所述步骤100中，unreal以多线程全核心满载运行的方式读取datasmith模型文件。4.根据权利要求3所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：所述datasmith模型文件由模型贴图和udsmesh模型网格组成。5.根据权利要求4所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：所述revit模型导出工具为unreal-revit-datasmith插件。6.根据权利要求5所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：所述生成hlod-4 减面低模集合层包括将步骤100中读取的所有文件合并减面处理为hlod-4层，进行储存。7.根据权利要求6所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：在所述步骤700中，使用开源减面库以缩减渲染成本。8.根据权利要求7所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于，在所述步骤800之后、步骤900之前，所述渲染方法还包括：获取原模型材质贴图，生成实例材质放入主贴图，并包含bim功能。9.根据权利要求8所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：所述hlod-3二级优化层介于hlod-4 减面低模集合层及lod-2减面低模层中间。10.根据权利要求8所述的基于数字城市中的bim模型的虚幻引擎渲染方法，其特征在于：
所述bim功能包括颜色叠加和/或模型剖切。

技术总结
本发明提供一种基于数字城市中的BIM模型的虚幻引擎渲染方法，涉及图像数据处理技术领域，包括：使用Unreal读取datasmith模型文件；生成HLOD-4减面低模集合层；生成原模型碰撞体，挂载全量BIM模型数据；按照面不相连原则分离所有模型，以降低单个模型网格面总数；将分离后的所有模型按照大小进行分割，以便于创建LOD单元；基于原模型创建LOD-1精模层；创建LOD-2减面低模层；创建HLOD-3二级优化层；将所有数据整合，使Unreal读取渲染数据进行BIM渲染。本发明提供的基于数字城市中的BIM模型的虚幻引擎渲染方法能够提高渲染效率，避免人工优化模型，避免重复劳动，避免BIM数据丢失问题。题。题。


技术研发人员：周强 孙许靖 杜岩 吴同 王学佳 乔洋 周毅
受保护的技术使用者：北京掌舵互动科技有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/12