技术领域
[0001] 本
发明属于工程建筑领域的
计算机图形学，是BIM(Building Information Modeling，
建筑信息模型)技术的核心部分——三维建筑图形渲染技术，具体涉及一种BIM模型双面显示加速渲染方法、系统、产品和存储介质。
背景技术
[0002] BIM(建筑信息模型)为近年来建筑信息化领域核心的理念之一，其数据的
基础即为建筑的三维信息模型，其中从建筑模型轻量化的
角度考虑，很多图元都用了精简表示形式，例如对于管道采用圆柱面，对于
栏杆采用一个面来表达，这样显示可以大大精简图元的复杂度，但是也带来了另外的问题：目前显卡在显示相应面的时候，是需要区分该面的正反方向的，从渲染效率优化的角度出发，作为内侧的面(
反面)将不做渲染；由于剔除了对内侧面的渲染，当在另外一侧视角观察的时候会出现显示缺失的情况。
[0003] 现有的显卡渲染管线一般从固定管线和一般可编程管线的处理流程上来说，都存在一个背面剔除机制(back culling)，即作为内侧面(或者叫背面，与视线相反的面)将不显示。当需要显示内侧面的情况下，那么必须完成两次显示相关作业，即将内侧面再渲染一次。显然，为了避免渲染缺失的情况，必须将内侧面也同时渲染出来，对场景所有图元采用这种策略，这将大大拖慢渲染效率，将整体渲染效率降低50％。
[0004] 下面结合图1，具体说明目前针对双面渲染的常规处理方式，通过显卡的固定渲染管线处理流程包括:
[0005] 1.1
中央处理器(CPU)向显卡(GPU)发送渲染数据，由于GPU一般接收三角形作为基本渲染单位，此处主要在计算机内通过CPU向GPU发送多个三角形
顶点数据及相关设置信息，一般是通过调用显卡相关的API(OpenGL/DirectX)用来完成；同时也需要设置相应的光照条件从而计算得到相关渲染数据，具体数据参见步骤1.4的说明，同时为了简化和突出，暂时忽略掉与本发明无关的数据项。
[0006] 1.2GPU接收到顶点数据之后，针对相关的三角形顶点、法线进行几何变换，为后续通过固定管线的进一步处理做准备，本步骤和其他固定管线的处理流程均在显卡驱动层完成。
[0007] 1.3光栅化：由于显示设备为离散的栅格格式，需要对三角形进行
栅格化，成为片元(
像素)格式；三角形顶点的实际连接顺序是在光栅化阶段进行的，也就是顶点
着色器运行之后，这些顶点就是以观察者视角所见的了。默认情况下，背面剔除后所有的背向观察者的面都会被丢弃，节省渲染性能。但由于我们需要强行渲染双面的三角形，因此该步骤需要打开双面渲染的
开关。
[0008] 1.4由于针对双面处理之后的片元(像素)数据，进行逐片元(像素)的光照计算，相比于单面渲染的片元(像素)数据，需要2倍片元(像素)计算的开销。固定管线一般采用的光照计算模型为Blinn-Phong光照模型，该光照模型的光照计算结果主要结构由3个分量组成：
[0009] 环境放射项(Ambient):在没有确定
光源定义的情况下，图元所处的环境周围的光照。一般而言，即使在黑暗的情况下，世界上通常也仍然有一些光亮(月亮、远处的光)，所以物体几乎永远不会是完全黑暗的。为了模拟这些，我们会使用一个环境光照常量，它永远会给物体一些
颜色。
[0010] 漫反射项(Diffuse):模拟光源对物体的方向性影响(Directional Impact)。它是Blinn-Phong光照模型中视觉上最显著的分量。物体的某一部分越是正对着光源，它就会越亮。
[0011]
镜面反射项(Specular):模拟有光泽物体上面出现的亮点。镜面光照的颜色相比于物体的颜色会更倾向于光的颜色。
[0012] 如果用
算法表达，定义和计算如下,其中未经计算的变量均来自于CPU端的发送，为简化表达，默认所有方向向量数据均为单位化：
[0013] Position：图元表面着色点的坐标
[0014] Normal:图元表面着色点法向量
[0015] Light:光线方向，计算方式为：
[0016] Position–LightPosition(光源
位置)
[0017] View:视线方向，计算方式为：
[0018] Position–EyePosition(视点位置)
[0019] GlobalAmbient:全局环境光颜色
[0020] LightColor:光源光线颜色
[0021] Ka:环境光衰减系数
[0022] Kd:漫反射光衰减系数
[0023] Ks：镜面反射光衰减系数
[0024] Shininess:镜面反射高光扩散程度控制项
[0025] 视线与光线夹角的半角方向：
[0026] HalfVector＝-(Light+View)
[0027] 三个分量计算公式分别为：
[0028] Ambient＝Ka*GlobalAmbient
[0029] Diffuse＝Kd*LightColor*DiffuseLight
[0030] Specular＝Ks*LightColor*SpecularLight
[0031] 其中最为关键的两个变量DiffuseLight和SpecularLight的计算方式为：
[0032] DiffuseLight＝max((Normal*Light)，0)
[0033] SpecularLight＝pow(max((HalfVector*Normal),0),Shiness)
[0034] 那么最终的光照结果即为：
[0035] ColorResult＝Ambient+Diffuse+Specular
[0036] 不难看出，除环境光计算与图元表面法线无关之外，对Diffuse和Specular的计算都需要经过和法线的方向计算，其中max(x,0)的操作保证了这些方向性计算结果不会计算与法线相反方向的光照值，也就是说，单次计算不会渲染图元的背面,如果需要渲染背面，那么就需要经过额外的一次流程再来计算。
[0037] 1.5将光照计算得到的结果，输出到显卡相关缓存，并最终渲染到屏幕。
[0038] 在目前的显卡渲染系统架构的情况下，在考虑效率的情况下，已知的替代方案如前所述，都存在着效率低下的问题。
发明内容
[0039] 本发明在综合考虑上述因素的基础上，充分利用显卡的可编程管线技术(Shader Programming)实现针对图元的一次性双面渲染，即对BIM模型的显示控制机制进行改进，克服“两次渲染”的问题。
[0040] 本发明提供一种BIM模型双面显示加速渲染方法，该方法包括以下步骤：
[0041] S1、由中央处理器(CPU)向显卡(GPU)发送BIM模型数据；
[0042] S2、利用
顶点着色器对三角形顶点、法线进行几何变换，同时执行第一阶段的光照计算，得到光线方向Light、视线方向View和视线与光线夹角的半角方向HalfVector；
[0043] S3、将三角形栅格化为片元且不剔除背面，片元对应于显示装置的像素；
[0044] S4、利用GPU的片元着色器逐片元进行第二阶段的光照计算，通过双面光照计算得到正、反面的光照结果ColorResult，对于光照结果朝向三角形背面的情况进行取绝对值操作；
[0045] S5、将正、反面的光照结果输出到GPU相关缓存，并最终渲染到显示装置。
[0046] 可选地，步骤S1中，通过调用与显卡对应的API来完成，所述API来自OpenGL/DirectX。
[0047] 可选地，BIM模型数据包括以三角形顶点数据为基础的计算数据。
[0048] 可选地，步骤S2中，光线方向Light为：Position–LightPosition；
[0049] 视线方向View为：Position–EyePosition；
[0050] 视线与光线夹角的半角方向HalfVector为-(Light+View)；
[0051] 其中Position为图元表面着色点的坐标；LightPosition为光源位置；EyePosition为视点位置。
[0052] 可选地，步骤S4中，ColorResult＝Ambient+Diffuse+Specular；
[0053] Ambient＝Ka*GlobalAmbient；
[0054] Diffuse＝Kd*LightColor*DiffuseLight；
[0055] Specular＝Ks*LightColor*SpecularLight；
[0056] 其中Ambient为环境放射项、Diffuse为漫反射项、Specular为镜面反射项、Ka为环境光衰减系数、Kd为漫反射光衰减系数、Ks为镜面反射光衰减系数、GlobalAmbient为全局环境光颜色、LightColor为光源光线颜色，且
[0057] DiffuseLight＝abs(Normal*Light)；
[0058] SpecularLight＝pow(abs(HalfVector*Normal),Shininess)；
[0059] 其中Normal为图元表面着色点法向量，Shininess为镜面反射高光扩散程度控制项。
[0060] 可选地，所述顶点着色器和片元着色器作为显卡的可编程管线进行处理。
[0061] 本发明还提供一种BIM模型双面显示加速渲染系统，该系统包括中央处理器(CPU)、显卡(GPU)和显示装置，
[0062] 所述CPU向GPU发送BIM模型数据；
[0063] 所述GPU利用其顶点着色器，对三角形顶点、法线进行几何变换，且完成第一阶段的光照计算，得到逐顶点的光线方向Light、视线方向View和视线与光线夹角的半角方向HalfVector；并将三角形栅格化为片元且不剔除背面；
[0064] 所述GPU利用其片元着色器逐片元进行第二阶段的光照计算，通过双面光照计算得到正、反面的光照结果ColorResult，对于光照结果朝向三角形背面的情况进行取绝对值操作；
[0065] 所述显示装置显示最终渲染结果。
[0066] 可选地，CPU通过调用与显卡对应的API来执行，所述API来自OpenGL/DirectX。
[0067] 可选地，BIM模型数据包括以三角形顶点数据为基础的计算数据。
[0068] 可选地，光线方向Light为：Position–LightPosition；
[0069] 视线方向View为：Position–EyePosition；
[0070] 视线与光线夹角的半角方向HalfVector为-(Light+View)；
[0071] 其中Position为图元表面着色点的坐标；LightPosition为光源位置；EyePosition为视点位置。
[0072] 可选地，ColorResult＝Ambient+Diffuse+Specular；
[0073] Ambient＝Ka*GlobalAmbient；
[0074] Diffuse＝Kd*LightColor*DiffuseLight；
[0075] Specular＝Ks*LightColor*SpecularLight；
[0076] 其中Ambient为环境放射项、Diffuse为漫反射项、Specular为镜面反射项、Ka为环境光衰减系数、Kd为漫反射光衰减系数、Ks为镜面反射光衰减系数、GlobalAmbient为全局环境光颜色、LightColor为光源光线颜色，且
[0077] DiffuseLight＝abs(Normal*Light)；
[0078] SpecularLight＝pow(abs(HalfVector*Normal),Shininess)；
[0079] 其中Normal为图元表面着色点法向量，Shininess为镜面反射高光扩散程度控制项。
[0080] 本发明还提供一种产品，该产品具有上述的BIM模型双面显示加速渲染系统。
[0081] 本发明还提供一种存储介质，用于存储计算机可读指令，当所述计算机可读指令由计算机执行时，使得所述计算机执行
权利要求1-5中任意一项所述的方法。
[0082] 本发明的有益效果：本发明相比于现有通过显卡的固定管线处理方法和一般的着色器处理方法，仅通过一次渲染就能同时渲染出正反面，不仅保证了背面的渲染结果，而且节省了渲染开销，大大加速和简化了BIM模型的双面渲染过程。
[0083] 上述说明仅是本公开技术方案的概述，为了能更清楚了解本公开的技术手段，而可依照
说明书的内容予以实施，并且为让本公开的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳
实施例,并配合
附图，详细说明如下。
附图说明
[0084] 图1是
现有技术通过显卡固定管线进行双面渲染的流程示意图；
[0085] 图2是本发明双面显示加速渲染方法的流程示意图。
具体实施方式
[0086] 以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0087] 需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0088] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0089] 另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
[0090] 为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术方案，下面结合附图进行介绍。
[0091] 参见图2，相对于现有技术，本发明利用显卡的可编程管线(Shader Programming)，对光栅化之前和之后的两个处理步骤进行对显卡端的额外控制，具体步骤如下：
[0092] 2.1与步骤1.1相同，中央处理器(CPU)向显卡(GPU)发送BIM模型的多个三角形顶点数据及相关设置信息，由计算机通过CPU向GPU发送，通过调用显卡相关的API(OpenGL/DirectX)来完成；
[0093] 2.2GPU接收到顶点数据之后，利用显卡的顶点着色器(Vertex Shader)，对三角形顶点、法线进行几何变换，同时逐顶点进行光照计算，同时将一部分光照计算在顶点着色器阶段完成：包括Light,View和HalfVector的计算(参考1.4中的计算公式)，其计算的坐标空间为视图空间(ViewSpace)，相关计算结果传入片元着色器。
[0094] 该步骤在顶点着色器的处理方式除相关光照参数变量的计算之外与现有技术在固定管线中的处理方式相同；
[0095] 2.3与步骤1.3相同，即光栅化：由于显示设备都为离散的栅格格式，需要对三角形进行栅格化，成为片元(像素)格式；由于我们需要强行渲染双面的三角形，因此该步骤需要打开双面渲染的开关。
[0096] 2.4通过利用显卡的片元着色器作为可编程管线逐片元进行双面光照计算，具体算法如下：
[0097] 利用GPU的片元着色器，接收2.2顶点着色器计算的Light,View和HalfVector之后的数据，针对每个片元，对其正、反面均进行光照计算，对比1.4中的计算过程来说，最重要的计算改变即针对DiffuseLight和SpecularLight的计算：
[0098] DiffuseLight＝abs(Normal*Light)
[0099] SpecularLight＝pow(abs(HalfVector*Normal),Shininess)
[0100] 其中，abs为取绝对值操作，以取代1.4中的max(x,0)操作
[0101] Blinn-Phong的三个分量的计算相同：
[0102] Ambient＝Ka*GlobalAmbient
[0103] Diffuse＝Kd*LightColor*DiffuseLight
[0104] Specular＝Ks*LightColor*SpecularLight
[0105] 那么最终的光照结果仍为：
[0106] ColorResult＝Ambient+Diffuse+Specular
[0107] 2.5将计算得到的最终结果，输出到显卡相关缓存，并最终渲染到屏幕。
[0108] 针对显卡的渲染管线来说,显而易见，经过优化光照计算，提升了渲染效率。
[0109] 经过实际的建筑模型测试，使用固定管线开启双面渲染模式，其渲染完整
帧时间是采用固定管线单面渲染模式的接近2倍，而采用本发明的可编程管线渲染双面的时间是固定管线单面渲染模式的1.1倍,也就是说，本发明通过可编程管线的来进行双面渲染的光照的处理，可以极大改善双面渲染模型的效率。
[0110] 本发明实施例中的
电子设备可以包括但不限于诸如
笔记本电脑、PDA(
个人数字助理)、PAD(
平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如台式计算机等等的固定终端。
[0111] 电子设备可以包括处理装置(例如中央处理器CPU、图形处理器GPU等)，其可以根据存储在只读
存储器(ROM)中的程序或者从存储装置加载到随机
访问存储器(RAM)中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还存储有电子设备操作所需的各种程序和数据。处理装置、ROM以及RAM通过总线彼此相连。
[0112] 特别地，根据本发明的实施例，上文参考
流程图描述的过程可以被实现为计算机
软件程序。例如，本公开的实施例包括一种
计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置从网络上被下载和安装，或者从存储装置被安装，或者从ROM被安装。在该计算机程序被处理装置执行时，执行本公开实施例的方法中限定的上述功能。
[0113] 上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
[0114] 附图中的流程图和
框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模
块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。
[0115] 也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于
硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0116] 描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
