1. 三維模型是否需要入庫?

三維模型數(shù)據(jù)在某種程度介乎矢量數(shù)據(jù)與遙感影像數(shù)據(jù)之間:

• 既像影像數(shù)據(jù),具有整體性意義:往往以整個場景的形式出現(xiàn)
• 又像矢量數(shù)據(jù)一樣可以拆分為若干單個部件(影像則一般不會拆為單個像素)

也就是說,三維模型可以被入庫,但不是那么方便,因而并沒有類似矢量數(shù)據(jù)入庫這種被廣泛使用的存儲方式.但根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求不同,可以設(shè)計如下幾種入庫方式.

1.1 模型以文件形式存儲,元數(shù)據(jù)入庫

這是最常見且簡單的三維數(shù)據(jù)管理機(jī)制,雖然看起來簡陋且沒有技術(shù)含量,但其實滿足了大多數(shù)使用場景,也沒有引入新的問題.

這種機(jī)制的使用場景往往有如下的特點:

• 模型與模型之間沒有關(guān)聯(lián),一般都是獨立使用
• 模型本身基本不發(fā)生修改,沒有修改的需求

這種機(jī)制更多的抹除了三維模型自身的特征,而是當(dāng)做一個普通的數(shù)據(jù)來處理.

1.2 模型以文件形式存儲,元數(shù)據(jù)和空間索引入庫

這是第一種機(jī)制的優(yōu)化,將模型的空間索引(如外包三維盒)入庫,在復(fù)雜度不增加很多的情況下提供了很多新的功能,使模型與模型可以產(chǎn)生邏輯上的關(guān)聯(lián).不過這種方案依舊是小的修補(bǔ),沒有帶來根本上的革命.

1.3 模型完全入庫

所謂完全入庫,并非將三維模型以二進(jìn)制的形式整體存儲到一個字段中去,而是將場景模型打散為若干部件,每一個部件轉(zhuǎn)換為內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu),存儲在一條或多條記錄中.

使用完全入庫的方法可以給我們帶來更多關(guān)于使用場景的想象:

• 動態(tài)/細(xì)粒度的修改/刪除/增加模型
• 按需實時獲取動態(tài)范圍的數(shù)據(jù)
• 可以進(jìn)行靈活的庫內(nèi)數(shù)據(jù)計算
• 可以利用數(shù)據(jù)庫的生態(tài),例如并行計算/存儲擴(kuò)展等

想法固然美好,但依然要回歸現(xiàn)實:

• 實現(xiàn)上述想法的需要支付的代價是什么?
• 是否能同時實現(xiàn)上述想法?

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計遇到的問題

我們不討論具體的技術(shù)實現(xiàn)(比如底層使用CGAL),而是需要思考,我們的數(shù)據(jù)入庫后是為了做什么的:

• 用來做各種空間分析,例如光照,投影面積/軌跡/碰撞等分析(簡稱算)
• 用來最終輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可瀏覽的模型(簡稱看)

這兩種需求本身并不沖突,但底層存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計卻可能存在沖突.

為看而優(yōu)化的設(shè)計:

• 為了方便瀏覽與傳輸,減少數(shù)據(jù)量,數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能多的使用引用,旋轉(zhuǎn)矩陣等面向GPU友好的機(jī)制.
• 為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確存儲,應(yīng)兼容更多的常用三維格式,保留盡可能多的原始信息
• 需要設(shè)計材質(zhì)/紋理等引用機(jī)制,以減少存儲壓力,

為算而優(yōu)化的設(shè)計:

• 為了加速計算,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要盡可能的以最終模式存儲,避免運算時的動態(tài)引用,旋轉(zhuǎn)(類似GLTF格式)
• 空間分析時,材質(zhì)/紋理/法線/uv等都不參與計算,應(yīng)盡可能不存儲

可見,兩種場景對底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的需求是對立的,算和看難兩全,無法用簡單的方式覆蓋兩種使用場景.

3. 問題的核心與解決思路

既然算,看無法同時保證,那就把它們分開處理,因為一般來說,算的東西和看的是不一樣的.

例如在BIM場景中,進(jìn)行碰撞檢測分析時,沒必要拿精確擬合的圓形管線來計算,它們只會徒增計算量,對最終的結(jié)果基本不產(chǎn)生影響,使用近似的多邊形柱替代即可完成任務(wù).但我們最終瀏覽的時候,還是希望盡可能展示光滑的擬合管線.

所以可以制定這樣一種策略:

• 三維數(shù)據(jù)依然以組件級別粒度入庫
• 庫內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含兩部分(表內(nèi)孿生):
  1. 經(jīng)過簡化用于計算的純模型
     • 該模型應(yīng)該具有以下特點:
       • 使用時不需要經(jīng)過任何矩陣變換就能直接用
       • 為了減小計算量和存儲壓力,在業(yè)務(wù)允許的情況下頂點數(shù)盡可能少
       • 可能會有大量重復(fù)數(shù)據(jù),這就是用空間換時間的代價
     • 該精簡模型可由用戶自行指定,也可由庫內(nèi)函數(shù)自動生成
  2. 包含紋理/材質(zhì)/uv/法線的原始模型
     • 因為他們不再參與庫內(nèi)計算,因此可以使用引用的方式,減少重復(fù)存儲,節(jié)省空間
     • 或者可以直接使用一種常用格式作為這部分的存儲機(jī)制(如gltf格式),方便直接兼容更多的三維模型格式
• 拋棄實時動態(tài)生成,充分利用上述機(jī)制,從實際出發(fā),通過業(yè)務(wù)優(yōu)化實現(xiàn)近似的功能:
  • 實時動態(tài)生成很誘人,但隨著數(shù)據(jù)量的擴(kuò)大,計算量也在不斷加大,保證實時性的成本太高,而且可能實際使用到的機(jī)會不多
    • 無緩存可能是不值得追求的偽圣杯
    • 在三維瀏覽場景中,真實時動態(tài)可能是個偽需求
  • 數(shù)據(jù)庫的計算資源并不不便宜,動態(tài)生成不容易緩存,重復(fù)計算的壓力會比較大
  • 通過業(yè)務(wù)進(jìn)行流程優(yōu)化盡管沒有那么高大上,但更加實際

綜上,沒有銀彈,一切到要根據(jù)實際使用場景來做選擇.