上海秉匠信息科技有限公司

一、基本情况

（一）案例简介

　　上海秉匠信息科技有限公司(以下简称“秉匠科技”)受承办单位委托基于“黑洞”三维图形引擎软件打造了第十届中国花卉博览会数字管理系统。为了实现不同场馆作品的全景呈现，并满足园区方案频繁的设计变更，以及园区的分区管理，该项目依托“黑洞”三维图形引擎，通过软件对场景中三百余种植被类型、八万多颗树种模型及周边场馆的多源异构数据进行支持，使园内各种设施和树种信息与模型进行超大场景完美呈现。

（二）申报单位简介

　　秉匠科技成立于2017年，是一家专注于研发高性能三维图形引擎和数字化智慧管理系统的科技公司。公司为上海市高新技术企业，获得上海市科委“科技创新行动计划”资金支持，核心技术已申请专利和几十项软件著作权。公司研发人员占比超过80%，核心成员在计算机图形学、分布式计算、大数据挖掘、工程管理等领域具有丰富经验，对行业的痛点和需求有深刻认识，是上海市三维审批平台试点开发单位。

二、案例应用场景和技术产品特点

（一）技术方案要点

1.超大场景极速展示

　　花博会整个园区面积达到318 hm2，在“黑洞”引擎中，按照1:1的比例对园区地形地貌模型、管道模型、多种格式的场馆模型以及植被模型和水面模型进行建模，总体BIM模型体量达到10 G左右，三角面数达到上亿，植被模型约有8万棵，对场景的实时渲染构成巨大挑战。

　　借助于“黑洞”引擎的多细节层次技术(Levels of Detail，LOD)，可将海量模型构件重新划分为空间局部块数据，通过实时高效的LOD调度技术，加载少量的块数据即可渲染出指定精度的所有BIM模型。对于大批量植被模型，借助于动态广告板技术，使远处的树木仅渲染一个矩形，其上赋予特定视角下的动态图像，降低了大量树木的GPU渲染负载，同时对树木进行自适应的批次合并，进一步降低任务负载，实现网页端60f/s帧率流畅查看。

2.多源数据融合处理

　　花博会项目模型主要包括整个园区多种格式的地形地貌模型、管道模型、场馆模型、植被模型和水面模型，模型格式包括*.rvt、*.fbx、*.skp、*.3ds等，以及在SpeedTree中建立的三百余种植被模型，平台分别对上述模型进行数据处理后统一进行渲染模拟。

　　针对数据的多源异构性，可以为Revit、3dmax等建模软件开发独立的数据导出插件，将建模软件中的异构模型数据导出成统一格式的中间交换格式，再启动引擎资源转换进程将中间数据转换为引擎所需的最终模型资源，将数据异构截留在导出插件端，对后续的数据处理和渲染提供统一的格式存储。

3.计划变更快速查看

　　花博会项目整体规划周期短，场馆多，并且树种树木存在大量的不确定性因素，在设计初期和规划阶段，图纸变更与方案调整非常频繁。整个项目的设计还要充分考虑艺术性和周边环境的融合性，需要不断的优化设计方案，调整设计效果。

　　借助基于BIM+GIS的花博会三维可视化平台可快速将设计好的场馆模型进行三维可视化呈现，并且可以通过多角度进行环境融合展示，从而提高方案可读性和直观性。在场馆设计变更中，通过场馆设计模型的直接调整就可通过展示平台快速呈现;在树木分布方案变更中，通过三维可视化树种库来完成树种1:1的数字化模拟，为园区树木分区优化提供了有力技术支持。

（二）关键技术指标

　　(1)承载数据大小：10 Tb+(模型资源容量，包括了几何信息和纹理数据)

　　(2)承载构件数量：5千万+(项目中包含的BIM模型构件的数量)

　　(3)承载面片数量：100亿+(项目中包含的总三角面数量)

　　(4)运行帧率：50 fps+(决定了项目渲染和交互时流畅程度)

　　(5)数据响应速度：10 s(场景从启动加载到看到模型的等待时间)

　　(6)支持数据类型：支持rvt、dgn、obj\rvm、nwc、IFC、3ds、Fbx、obj、倾斜摄影(OSGB)、DEM、DOM等多种常用格式。

　　图1支持多源数据

（三）创新点

1. 多细节层次（Level of Detail，简称LOD）技术

　　引擎通过空间分割将所有构件强行按空间区域分割分组，然后对每个空间区域进行自动减面，并将空间区域进行LOD分级，从而将海量构件模型转换为一个层级化的空间区域树。通过动态调度空间区域树，从而可以在不影响渲染效果的基础上，将渲染负载减小一个量级。

2.场景分页加载

　　通过互斥加载页面、叠加加载页面等技术对场景模型进行层级组织，可以实现城市级别的建筑物的高效加载和渲染。

3.自定义抗锯齿算法

　　通过对多帧渲染数据进行统计计算，实现抗锯齿渲染效果，相比于WebGL自带的抗锯齿功能，可以提高5到6倍的计算速度，优化渲染效果。

4.遮挡剔除算法

　　渲染时通过对事先划分好的屏幕空间块进行遮挡查询，即可计算出下一帧的渲染负载，相比于对单构件进行遮挡剔除，效率可高一个量级，当模型构件数量足够大时，比如上千万级别，也可流畅渲染，不会因构件数量对渲染效率造成影响。

（四）与国内外先进技术的比较

　　图2国内外图形引擎现状

　　根据调研，目前商用市场的工程图形引擎大多基于国外开源的3D库进行。“黑洞”引擎采用OpenGL+WebGL2.0作为底层支撑，基于标准C++自主研发的引擎内核，其具备四大优势，第一，精度可控的模型轻量化技术，实现了数据从模型到平台的全自动无损传递;第二，在不影响模型渲染效率的同时，满足了大场景模型数据的承载力;第三，跨平台架构的搭建，打通从不同浏览器到Windows、安卓、iOS，和Linux等操作系统之间兼容性;第四，开发遮挡技术相关优化算法，降低模型每一帧的渲染负载，实现网页端的性能资源最优调度。

三、案例实施情况

（一）项目概述

　　第十届中国花博会于2021年5月21日至7月2日在上海市崇明区东平国家森林公园地区举行，建设面积10 km2，园内计划种植苗木三百余种，共八万余棵。规划设计阶段，为了实现不同场馆作品的全景呈现，并满足园区方案频繁的设计变更，以及园区的分区管理，光明集团委托秉匠科技基于“黑洞”三维图形引擎软件打造了第十届中国花卉博览会数字管理系统，使园内各种设施和树种信息与模型进行超大场景完美呈现。

　　系统通过多技术融合，将BIM+GIS模型中包含的大量数据信息与二维码、AR等技术融合，实现项目整体数字化让数据成为可读取、可使用的数字资产，为后续园区总体运维打下基础。

（二）技术应用点

　　为了实现不同场馆作品的全景呈现，并满足园区方案频繁的设计变更、园区分区管理以及树木管理等场景，基于“黑洞”三维图形引擎软件开发的第十届中国花卉博览会数字管理系统有以下技术应用点：

　　1.多源异构BIM+GIS数据的处理与分析

　　花博会项目模型数据包括整个园区多种格式的地形地貌模型、管道模型、场馆模型、植被模型和水面模型，针对不同来源的模型数据，分别采用不同的数据处理插件进行轻量化处理，实现将整个园区的模型在“黑洞”引擎进行集成，以及不同模型间的位置分析和碰撞检测分析。不同格式的模型处理流程如图3所示。整个园区在施工现场和三维仿真引擎中的效果如图4、图5所示。

图3不同格式的模型处理流程

2.海量植被模型动态仿真模拟

　　花博会项目共包含三百余种植被类型，共计约八万余棵植被。针对形态各异的植被类型，统一建立树种库进行管理，每种类型的植被首先在Speed Tree(一种三维树木建模软件)中建立统一的形态，再通过脚本进行随机缩放和旋转，实现每棵树的呈现效果均不相同。植被模型支持GPU过程动画，通过在树叶模型的顶点位置赋予不同的动态随机数，实现树叶随风摆动的仿真效果，如图6所示。根据植被名称和所属区域等信息，提取不同区域的*.dwg设计图中植被的精确位置信息，生成带有区域、名称、位置等信息的植被信息入库，树种库的每一棵植被模型均有自己的全局唯一编号，从而实现对每一棵树进行全生命周期管理。

　　图6植被模型动态仿真模拟

3.苗木变更与设计变更管理

　　在花博会项目中，通过后台的苗木库，准确地将苗木展现在三维模型上。一旦出现变更，设计人员可以快速地从苗木库中提取需要变更的苗木信息，将原有旧的苗木替换为新的苗木，实现准确、快速的设计变更，保证整体效率，节约经济成本。新的苗木种植效果也可以直观地在三维模型上进行展示，让设计人员能够结合周围的实际情况，保证园林设计效果的美观性。

　　在花博会项目中，为了保证整体园林的美观性，其大门经历了数次修改。每一次的修改，设计师都可以快速地将新的大门模型上传至图形引擎，替换旧的大门模型，以此来直观地向各个相关单位展示设计变更后的效果，各个单位也可以根据设计变更后的效果图提出修改意见，如图7所示。

　　图7苗木变更与设计变更管理

4.园区分区管理

　　智能分区，花博会项目在设计初期划分为十大区域，采用传统二维图纸的方式进行整体呈现与展示，但随着项目的不断推进与管理的不断细化，对园区的分区管理逐步要进行动态调整与动态变更。利用BIM+GIS基础图形可快速进行行道树区域、分界道路、河道的地块范围区分，借助GIS模型进行矢量图生成，将原来的十大区域划分为更加详细的44个区域，并在树木后台管理系统中同步进行生成，满足项目分区盘点、管理的需要，如图8所示。

　　图8园区分区管理

（三）创新举措

　　1.基于Importor(一种高级广告板技术)技术的大型园区植被系统仿真

　　花博会场景树木总量达到数万棵，树木的种类也达到了上百种，个体大小差异巨大。引擎基于多级LOD网格原理，降低了植被的整体渲染负载。但是，由于花博会树木总量巨大，单靠LOD技术仍会带来繁重的GPU负载，所以加入了Impostor技术，当树木距离超过一定阈值时，树木将以矩形广告版的形式来替代实体树木模型。为降低每颗树的渲染指令延迟，当距离继续增加时，则将相邻的一堆树木合并为一个整体来管理和渲染，降低了CPU负载。

　　2.基于Filmic Tone Mapping(电影色调映射)技术真实光照渲染效果仿真

　　花博会的场馆以及水面，在真实情况下都会在环境光照下出现反射、折射等光照效果。为真实表现花博会植被与场馆的交相呼应、水面波光粼粼的效果，引擎采用了基于物理的光照模型，通过模型基色、金属性、粗糙度等简单的材质参数，真实地表现出场馆等模型在不同光照环境下的渲染效果，对太阳光的反射以及环境光的散射都能得到准确的表现。

　　同时，改进了传统的低动态范围光照计算，加入了高动态范围光照处理，使得模型表面反射光强大于显示器像素的强度范围时，可对屏幕所有像素上的光强进行统计测定，确定出一个合适的曝光度，然后将高强度光照信息重映射为显示器能显示的低范围强度，并根据屏幕像素的光强分布加入镜头鬼影、泛光等特效，从而真实还原了花博会中生动逼真的动态场景。

　　3.基于动态植被系统的实时阴影仿真

　　针对花博会的八万余棵植被，仿真平台对所有植被模型均做了动态效果模拟，为更接近于真实的仿真效果，采用大范围实时软阴影技术，将场景由近及远分割为若干部分，每个部分被独立的阴影图所覆盖，每个阴影图使用随机扰动点过滤等技术，在所覆盖区域内生成具有半影效果实时阴影，多个区域叠加形成了完整的超远视距的软阴影效果。从而实现在不同的时间、角度查看模型时，都能达到接近真实的阴影效果。

四、应用成效

（一）采用定位系统，保证树木的精准定位

　　花博会园内苗木共计苗木三百余种，共八万余棵，管理平台基于“黑洞”三维图形引擎开发的种植管理系统对矢量路径及树木位置坐标自动识别，精确匹配模型位置，一键完成系统内大小树木自动定位种植。大大减轻设计人员对于树木模型定位时间，通过该系统轻松实现了10 km2模型场景内植物或其他固定设施等构件精确定位。

（二）通过智慧决策，实现树木的精益管理

　　“黑洞”三维图形引擎内自带约三十多种树种，项目实施过程中对引擎内树种的补充现已达到三百余种，100%涵盖了花博会园区内树木种类，通过平台苗木管理系统，对园区内树木进行了有效的数字化管理。每棵树木上均有独立的二维码图形，通过唯一的苗木编号确定名称、高度、木龄、管养时间等信息，该系统在后期还可以形成独立的树木运维系统，具有可拓展性。

（三）沉淀数字资产，为园林行业注入新能量

　　由于花博会项目不同于其他建设工程，其系统开发需求更倾向于苗木等植物管理，软件打通园区各管理部门的数据，实现部门资源共享，软件依据不同部门对园区内数据的删选，使管理人员获取有用的数据要素，根据自身情况加以整理与应用。同时在设计及施工阶段将园区内的相关数据采集，整合为园区数字资产。数字化建设中产生的数据既覆盖了用户的各个行为阶段，也贯穿了园区整体运作流程，对其进行有效沉淀，为传统园林行业注入新能量。

　　执笔人:

　　上海秉匠信息科技有限公司(夏海兵、沈沁宇、高阳、杨伟强、杨宇轩)

　　审核专家:

　　魏来(中国建筑标准设计研究院，副总建筑师)

　　陈顺清(奥格科技股份有限公司，董事长、教授级高工)