施工工艺三维动态可视化研究及应用

现有施工工艺三维可视化方法存在难更新、软件环境限制或非动态等问题。为解决上述问题，结合Cesium提出面向Web的施工工艺三维动态可视化方法，包括相关数据模型与动画定义方式，以动画帧切分和帧集成为核心的三维动画快速生成方法，经效率测试显示，帧切分与帧集成算法性能可满足一般施工工艺动画需求。同时，应用上述方法实现案例工艺Web端展示与工艺步骤动画的在线编辑、播放与动态更新，验证实际工程应用的可行性。

1

施工工艺可视化数据结构

整体模型

施工工艺可视化涉及数据主要包括三维模型、工艺流程及动画，其关系如图1所示。三维模型整体由若干模型部分组成，而模型部分也可继续划分。其中各模型部分可在三维场景中发生状态改变，如位置、颜色等，以此为基本单元可组成整体动画。

模型整体与工艺流程关联，该流程分解为若干工艺步骤。各工艺步骤包括最基本的步骤描述，同时可设置一个视点状态。视点状态包括相机状态与模型可见性，以明确该工艺步骤的具体场景。同时，工艺步骤亦可定义若干动画，这些动画可设置在某段时间内部分模型的位置变换、旋转或透明度变化中，使整体三维模型在三维图形引擎中实现动态变化，指示实际工艺步骤动态过程。

基础动画类型与组合

基础动画类型均为关键帧动画。如图2所示，1个动画中定义动画类型、延时类型、延时与持续时长。基础动画类型包括平移、旋转、缩放、显隐、变色，这些不同动画类型的唯一区别是关键帧的变化量。延时类型按起点划分为开始、上个动画开始、上个动画结束。关键帧动画由多个关键帧组成。每个关键帧需定义起始时刻、过渡函数及目标量。

基础动画间可组合为更复杂的动画，组合方式如下。

中心偏移 基础旋转仅支持以原点为旋转中心，与基础平移配合可组合为绕任意一点旋转的动画。同样，基础缩放仅支持以原点为缩放中心，与基础平移配合可组合为以任意一点为缩放中心的动画。

同期混合 在同一时间段同时应用若干动画可形成复合动画，如渐入、渐出、强调等。

先后接续 前后接续基础动画可实现连贯的动画组合。

2

基于Cesium的三维动画快速生成方法

整体流程

通过定义动画并将其关联三维模型，即明确三维模型在某些时间段内的状态变化。使用这些信息，可计算所有三维模型在每一帧需进行的操作。整体流程如下：

帧切分 遍历所有的基础动画关键帧，将其变化按总帧数进行切分，并根据动画与三维模型部分间的关联，将切分后的变化关联至部分三维模型；

帧集成 遍历所有帧切分的变化部分与所有相关三维模型部分，计算各部分三维模型在各帧内的总变化，即最终结果。

各类型基础动画在Cesium中的实现

基础动画中的各类型可主要划分为空间变换、颜色变化。在Cesium中，加载的三维模型数据组织方式主要符合3D Tiles标准。该标准中，三维数据是三维瓦片集（3D tile set）的形式组织。三维瓦片集为树状结构，其中节点是三维瓦片（3D tile），可代表1个模型部分。

空间变换类型的动画依赖瓦片变换矩阵。每个三维瓦片定义有1个变换矩阵，用于将该瓦片的局部坐标系变换至其父瓦片的坐标系中，若该瓦片是根瓦片，则该变换矩阵则代表所属瓦片集的局部坐标系。通过调整各瓦片的变换矩阵，可对该瓦片以及所有子系瓦片进行空间变换。

颜色变化依赖瓦片内容。三维瓦片几何数据格式包括批量化三维模型B3DM（batched 3D model）、实例化三维模型I3DM（instanced 3D model）、点云模型PNTS（point cloud）以及上述3种格式的复合格式。用于生成动画的三维模型格式主要为B3DM，根据具体需求也可能为I3DM。B3DM或I3DM中，细度最大的模型单元为模型特征（feature）。在Cesium中，可设置模型特征的高亮颜色（highlight color）。高亮颜色显示方式与瓦片集颜色混合模式（color blend mode）有关。颜色混合模式包括高亮、替换、混合。通过设置合适的颜色混合模式且设置模型特征的高亮颜色，可达到目标颜色效果。同时，通过修改颜色A通道，可控制模型特征透明度，而通过修改模型特征的显示属性，可控制其显隐。

动画帧切分

动画帧切分过程中，首先按帧切分关键帧动画的变化量，此后生成各帧变换矩阵或变换颜色。帧切分方式与过渡函数有关，根据过渡函数与帧数对变化量进行插值，并计算每帧内的插值变化。帧切的整体流程如图3所示。

计算各帧变化的方法所需参数包括目标帧位置、总帧数、动画类型、过渡函数类型、开始量、结束量。

动画类型与插值变化的类型及计算方式有关。平移动画结果为平移矩阵，旋转动画结果为旋转矩阵，缩放动画结果为缩放矩阵，显隐动画结果为透明度，变色动画结果为颜色RGB。除基础动画，中心偏移类的组合动画直接在该方法中进行处理，如绕任意一点的旋转动画，结果是向中心点的平移矩阵、旋转矩阵、返回的平移矩阵相乘的结果。比较特殊的是进入类型的动画，其时长标记为0，但在所有动画最开始时执行，如在逐渐显示的动画前需增加隐藏动画。

过渡函数变量范围为[0, 1]，值范围为[0, 1]。目标帧位置与总帧数比例为变量，所得值乘以总变化量即单帧变化量，以此可计算为单帧变化结果。

上述算法时间复杂度为全部进入动画，且动画开始时间约为总时长时最大，为O(mka)。其中m为总帧数，k为总关键帧数量，a为平均每关键帧的帧数。

动画帧集成与应用

动画帧集成步骤为动画模式归并→帧动画累积。1个三维模型关联动画集合组成称为1个动画模式。在第1步中遍历所有三维模型，并按其动画模式归并。第2步中，遍历所有动画模式，从开始至结束根据帧切分结果累积动画。第1，2步的流程分别如图4，5所示。

帧动画累积算法时间复杂度为O(mnp)。其中m为总帧数；n为模式数量；p为平均每个模式的动画数量。由于各动画模式间的动画可能重复，因此n·p大于总动画数量。若动画数量为q，模型数量为s，则n·p≤min(q!, s)，但很难达到最坏的情况。

帧动画集成后得到每个模型在任意帧的目标变换矩阵及颜色。变换矩阵只能应用至瓦片级别，因此若三维模型为模型特征，需确定所属瓦片，在该瓦片上应用此变换矩阵。

3

测试与应用案例

算法效率测试

效率测试中所用动画类型为平移，每个动画为50个关键帧，最开始偏移100s。各测试组其他关键参数及2个阶段的计算时间结果如表3所示。第1组为参照组，第2~5组分别仅调整帧率、动画时长、各模式动画总数、模式数量，对比其结果与第1组，即可判断这些参数对2个阶段计算时间的影响。

表1 效率测试结果

结果与理论估计相符，即帧率与动画总时长与2个阶段的计算时间呈正比；各模式动画总数主要影响帧集成阶段效率；动画总数与帧切分计算时间呈正比关系，对帧集成影响小。同时，大部分动画总时长＜5min，各模式动画总数＜100，此情况远小于测试参数，可满足需求。

应用案例

应用案例采用某桥连续梁0号块施工工艺，步骤如下：支架搭设→临时支座施工→永久支座安装→支架预压→安装底模及侧模→安装钢筋及设置预应力→安装内模及端模→混凝土浇筑及养护→拆除模板→预应力张拉→压浆封锚→拆除支架。以支架搭设为例，选择该步骤，三维模型场景切换至支架搭设前的状态，并显示步骤描述。

各步骤间动画相互独立，动画制作界面如图6所示。1个工艺步骤有1个动画列表，列表中的每项可能是关键帧动画或复合动画。在动画编辑对话框中可修改参数，特别是关键帧动画，可创建多个关键帧。1个动画可能关联若干三维模型，此后便完成该动画的设置。

动画设置完成后，可使用帧切分与帧集成算法快速生成各帧动画结果，如支架搭设、混凝土浇筑及养护、支架拆除，如图7所示。

本文来自清华控股有限公司，清华大学深圳国际研究生院；王珩玮，胡振中，赵燕来