3DTiles三维模型

3579字约12分钟

2023-09-08

上一节我们介绍了glTF的主要数据结构以及Mars3D是如何对其进行加载的，这一节我们来介绍一下glTF的升级版3D Tiles ，也是目前 Mars3D 在加载海量三维模型数据方面必须采用的一种数据格式。

1. 3DTiles介绍

2016年，Cesium 团队借鉴传统2DGIS的地图规范：WMTS，借鉴图形学中的层次细节模型，打造出大规模的三维数据标准：3d-Tiles，中文译名：三维瓦片。

它在模型上利用了 gltf 渲染快的特点，对大规模的三维数据进行组织，包括层次细节模型、模型的属性数据、模型的层级数据等。

3D Tiles 是在glTF的基础上，加入了分层LOD的概念（可以把3D Tiles简单地理解为带有 LOD 的 glTF ），专门为流式传输和渲染海量 3D 地理空间数据而设计的，例如倾斜摄影、3D 建筑、BIM/CAD、实例化要素集和点云。它定义了一种数据分层结构和一组切片格式，用于渲染数据内容。3D Tiles 没有为数据的可视化定义明确的规则，客户可以按照自己合适的方式来可视化 3D 空间数据。同时，3D Tiles 也是 OGC 标准规范成员之一，可用于在台式机、Web端和移动应用程序中实现与海量异构3D地理空间数据的共享、可视化、融合以及交互功能。

2. 3dTiles数据示例及其加载

数据处理相关的，可以参看：各类三维模型转为3DTiles格式

2.1 3dTiles数据示例

首先，我从一个简单的3D Tiles数据示例说起,请看下面目录：

上图是一份 3dTiles数据集在文件夹内的样子，层层打开可得以下特点：

入口文件是tileset.json
各级瓦片用文件夹来组织（类似套娃）,目录中有零散的*.json文件
叶子节点有*.b3dm、*.i3dm等格式

对这些数据的结构和详细介绍，我们下一节再详细解说，第一步，我们先学会怎么加载使用这个模型。

2.2 在平台中加载模型

平台内加载3dtiles是使用 TilesetLayer类。

3dTiles至少有一个 tileset.json 文件，作为整个数据集的入口，在代码层面，我们拿到这个主瓦片集JSON 文件（tileset.json）的url地址即可使用加载三维模型了。如： http://data.mars3d.cn/3dtiles/qx-dyt/tileset.json

当我们拿到这个模型服务地址后：

(1)浏览器输入模型url地址验证下是否可以正常访问。
(2)打开模型参数调试编辑页面，在这个页面调试的模型URL输入框内输入模型url地址，并单击加载模型按钮。

(3)可以勾选深度检测来方便测试和调试模型高度
(4)如果是人工模型，可以勾选“鼠标拖拽编辑”来手动拖拽模型的位置与地图上匹配。
(5)在该页面调整好所有参数后，单击“保存参数”按钮，保存的参数json，会自动下载一个json文件。
(6) 如果模型是初始化就加载的，可以打开项目的config.json文件，拷贝刚下载的json到config.json文件的layers参数中即可。

{
  "scene": {},
  "terrain": {},
  "basemaps":[],//已忽略其他参数
  "layers":[
    {
      "name": "模型名称",
      "type": "tileset",
      "url": "http://data.mars3d.cn/3dtiles/qx-dyt/tileset.json",
      "maximumScreenSpaceError": 1,
      "position": {"alt": 452.9 },
      "center": { "lat": 34.216894,  "lng": 108.959834, "alt": 591, "heading": 4,"pitch": -37 },
      "show": true
    }
  ]
}

(7)如果代码中直接使用TilesetLayer类构造三维模型，可以将json中的参数拷贝到类参数中。

const tiles3dLayer = new mars3d.layer.TilesetLayer({
  url: 'http://data.mars3d.cn/3dtiles/qx-simiao/tileset.json',
  maximumScreenSpaceError: 16,
  cacheBytes: 1073741824,
  maximumCacheOverflowBytes: 2147483648,
  position: { alt: 452.9 },
  center: { lat: 34.216894,  lng: 108.959834, alt: 591, heading: 4,pitch: -37 },
  flyTo: true,
})
map.addLayer(tiles3dLayer)

运行效果

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(8) 最后再说几个影响加载效率的关键参数：

maximumScreenSpaceError

控制加载的精度，这个参数默认是16，数值加大，能让最终成像变模糊。

maximumMemoryUsage 【cesium 1.107+弃用】

这个参数默认是512，也即是当几何体和纹理资源大于512MB的时候，Cesium就会淘汰掉当前帧中没有visited的所有块，这个值其实很小，也是cesium为了避免资源占用过高的一个保障，不过上述我们也估算过最差情况下，没有做纹理crn压缩的情况下，这个值很容易被超过，导致很多人误以为cesium的淘汰没有效果。这个值如果设置的过小，导致cesium几乎每帧都在尝试淘汰数据，增加了遍历的时间，也同时增加了崩溃的风险。这个值如果设置的过大，cesium的淘汰机制失效，那么容易导致显存超过显卡内存，也会导致崩溃。这个值应该处于最差视角下资源占用和显存最大量之间。建议显存大小的50%左右，内存分配变小有利于倾斜摄影数据回收，提升性能体验。

cacheBytes、 maximumCacheOverflowBytes

这2个参数替代了maximumMemoryUsage，用于控制显存资源消耗。

skipLevelOfDetail

这个参数默认值是 true，是Cesium在1.5x 引入的一个优化参数，这个参数在金字塔数据加载中，可以跳过一些级别，这样整体的效率会高一些，数据占用也会小一些。但是带来的异常是：

加载过程中闪烁，看起来像是透过去了，数据载入完成后正常。
有些异常的面片，这个还是因为两级LOD之间数据差异较大，导致的。当这个参数设置false，两级之间的变化更平滑，不会跳跃穿透，但是清晰的数据需要更长，而且还有个致命问题，一旦某一个tile数据无法请求到或者失败，导致一直不清晰。所以我们建议：对于网络条件好，并且数据总量较小的情况下，可以设置false，提升数据显示质量。

preferLeaves

这个参数默认是false，同等条件下，叶子节点会优先加载。但是Cesium的tile加载优先级有很多考虑条件，这个只是其中之一，如果skipLevelOfDetail=false，这个参数几乎无意义。所以要配合skipLevelOfDetail=true来使用，此时设置preferLeaves=true。这样我们就能最快的看见符合当前视觉精度的块，对于提升大数据以及网络环境不好的前提下有一点点改善意义。

3. 3D Tiles 数据结构

3dTiles 是一种规范（要区分规范和实现的概念），在规范的指导下，各种资源文件可以是独立存在于硬盘中的目录、文件，也可以以二进制形式写入数据库中。

3dTiles还有一个特点：那就是不记录模型数据（指三维模型的顶点、贴图材质、法线、颜色等信息），只记录各级“Tile”的逻辑关系（指LOD是如何组织的），以及“Tile”自己的属性信息（如房子的名称、建设年限、面积等）。

3.1 3D Tiles支持的模型

城市建筑白膜：在拥有如shp、kml等格式的建筑物二维面边界坐标数据，和高度或楼层数属性信息，再通过工具转换为三维立体的白膜建筑物3DTiles模型。
倾斜摄影：一般是无人机拍摄，拍摄的数据通过建模工具ContextCapture Cente等建模软件可以直接导出3DTiles格式。也可以通过osgb通用格式转3DTiles格式后在平台中使用。
点云数据：一般是激光扫描后生产的数据，有las、pts、ply等格式。
人工建模：数据来源于3dmax、Maya等建模软件建模，建好的三维模型导出为dae和obj数据后，再转换为3DTiles数据格式。
BIM模型：数据来源于专业的BIM软件，常见的有rvt和dgn格式。

提示

这些数据的原始格式都需要转换为3dtiles格式后，才能在平台加载使用。

3.2 LOD树结构

通过上面介绍，3dTiles数据的入口文件是一个名叫tileset.json的文件，在这个json文件中root属性下通过children属性来关联子级节点*.json ，这样一层层关联到叶子节点（如*.b3dm等格式）。

树结构对于三维空间数据的组织有很大的优势。3dTiles在空间上允许数据集使用如下几种树结构：

四叉树：允许使用传统的均匀四叉树，也允许使用松散四叉树等变种（例如，允许子节点，即子瓦片允许存在空间范围重叠），常用于建筑物（存在不可能严格切分的特点）。
八叉树: 四叉树对在高度上不太好切分的数据比较适合，而如果追求极致的空间分割和分级（例如点云数据），那么八叉树更合适。八叉树也允许使用各种变种。
KD树：
格网结构：允许瓦片存在多个子瓦片，通常出现在倾斜摄影数据上，但是这会导致网络请求过多的问题。

八叉树

3.3 构成3dtiles的成员：Tile瓦片

瓦片对象会引用一个二进制的瓦片数据文件,目前这些文件有以下类型：

文件后缀名	名称	英文名称	对应实际数据
b3dm	批量三维模型	Batch 3D Model	传统三维建模数据、BIM数据、倾斜摄影数据
i3dm	实例三维模型	Instance 3D Model	一个模型多次渲染的数据，灯塔、树木、椅子等
pnts	点云	PointCloud	点云数据
cmpt	复合模型	Component	前三种数据的复合（允许一个cmpt文件内嵌多个其他类型的瓦片）

上面表格中的b3dm 和 i3dm 格式是基于 glTF（一种专为高效传输 3D 内容而设计的开放性规范）构建的，它们的瓦片内容在二进制体中嵌入了 glTF 资源，包含模型的几何和纹理信息，而 pnts 格式却没有嵌入 glTF 资源。

3.4 单个Tile瓦片的内部构成

在3dTiles中，模型数据是以glb的形式嵌入在瓦片文件中的（点云直接就写xyz和颜色信息了），模糊了二维中“要素”的概念，而且gltf规范看起来并没有所谓的“要素”的概念，仅仅是对GPU友好的vertex、normal、texture等信息。

瓦片引用的二进制文件有4种，即：b3dm、i3dm、pnts、cmpt。除去cmpt这个复合类型不谈，前三种的瓦片二进制数据文件的大致字节布局结构见下图：

每一种瓦片二进制数据文件都有一个记录该瓦片的文件头信息，文件头包括若干个因瓦片不同而不太一致的数据信息，紧随其后的是两大数据表：FeatureTable（我翻译其为：要素表）、BatchTable（我翻译其为：批量表）。

这两个表既然是二进制的数据，尽管它名字里带“表”，但是却不是二维表格，它更多的是一些键值信息。

（1）FeatureTable 要素表: 记录渲染相关的数据

在 b3dm 瓦片中，要素表记录这个批量模型瓦片中模型的个数，这个模型单体在人类逻辑上不可再分。

（在房屋级别来看，房子并不是单体，构造它的门、门把、窗户、屋顶、墙等才是模型单体；但是在模型壳子的普通表面建模数据中，房子就是一个简单的模型）

要素表还可以记录当前瓦片的中心坐标，以便gltf使用相对坐标，压缩顶点坐标数字的数据量。

在一个瓦片中，一个三维要素（GIS中的通常叫法）= 一个模型（图形学、工业建模叫法） = 一个BATCH（3dtiles叫法）

要素表的结构：JSON描述信息+要素表数据体

（2）BatchTable 批量表: 记录属性数据

批量表就是所谓的模型属性表，批量表中每个属性数组的个数，就等于模型的个数，因为有多少个模型就对应多少个属性嘛！如果把批量表删除，那么3dTiles数据还能正常渲染。

批量表的结构：JSON描述信息+批量表数据本体,与要素表很像，批量表也是由：二进制的JSON文本头 + 二进制的数据体构成的。如下图所示：

（3）四类类型对应的具体结构

b3dm：

i3dm:与 b3dm 一致，文件头多了个gltfFormat属性。

pnts不存在gltf模型，故结构如下：

cmpt：这是前三种的一种更灵活的组织，允许一个瓦片使用 cmpt 形式，组合多种瓦片，cmpt瓦片可以内嵌任意个、任意类型的瓦片，b3dm、i3dm、pnts均可。

（4）代码中如何查询瓦片的批量表

我们通常在平台中使用点击事件，来获取一个 BATCH，即三维要素。在API中，这个被叫做：Cesium3DTileFeature。那么，这个 Cesium3DTileFeature 就能访问到它自己的批量表中的属性数据：


map.on(mars3d.EventType.click, (event) => {
  const feature = event.pickedObject;
  // 下面只是演示解释底层实现，在平台中直接通过event.graphic.attr可以获取属性
  if (feature instanceof Cesium.Cesium3DTileFeature) {
      const propertyNames = feature.getPropertyNames();
      const {length} = propertyNames;
      for (let i = 0; i < length; ++i) {
          const propertyName = propertyNames[i];
          console.log(`${propertyName  }: ${  feature.getProperty(propertyName)}`);
      }
  }
});

用到了 Cesium3DTileFeature.getPropertyNames() 方法获取批量表中所有属性名，用了 Cesium3DTileFeature.getProperty(string Name) 来获取对应属性名的属性值。更多 API 见官方文档。

获取更多关于3D Tiles 的格式信息可访问：

官方github 官方格式说明秋意正寒博客详解