数字孪生技术：WebGL vs. 游戏引擎

Posted 2021-12-04 新缸中之脑

3D城市建模已成为各大城市的既定活动。作为这一发展的一部分，城市模式得到日益发展，以支持涉及大型用户群体的许多应用，如协作城市规划、行人导航、活动规划以及在城市中发现服务和企业。

城市、公共组织和私营公司自行制作的3D城市模型越来越普遍，在某些情况下甚至作为开放数据（图1）。此外，由于在线社区提供了大量开放软件、教程和其他教育材料，学习如何利用地理空间数据变得比以往更加容易。

图1 赫尔辛基的3D城市模型可作为开放数据资产提供 - 现实网格模型（左）和语义城市信息模型（右）

利用 3D 城市模型的应用程序可以通过越来越多的软件解决方案来开发，从简单的工具到复杂的系统。仅此一项就给开发人员在选择正确的解决方案时带来了挑战。高效创建应用程序，同时利用 3D 数据的潜在优势，仍然是 3D 城市建模的主要挑战。

在开发应用方面，近年来有两类平台特别受人使用：基于浏览器的 3D 环境和 3D 游戏引擎。虽然这两个平台都提供 3D 可视化功能，但游戏引擎一直处于虚拟现实 （VR） 和增强现实 （AR） 热潮的最前沿。同时，基于浏览器的 3D 使创建应用程序成为可能，这些应用程序可以轻松地分发给大型用户群，并且无需单独的软件安装即可操作。

1、基于浏览器的平台

基于浏览器的 3D 渲染的发展使交互式 3D 应用程序实现了从桌面系统到浏览器的过渡。基于浏览器的解决方案通常依赖于 WebGL 技术，并且受到网络浏览器和互联网带来的性能限制的限制。然而，与此同时，它们本质上接近于轻松共享、在线参与和实时数据流的可视化（例如来自物联网系统）。

对于地理空间在线 3D 系统，全球存在许多使用案例，将 3D 虚拟地球作为 3D 城市模型的通用发布平台，或者用于能源等更专用的应用案例（如赫尔辛基能源和气候地图集，见图 2）。

图2：赫尔辛基能源和气候地图集以视觉和信息的形式包含与能源相关的建筑信息，允许用户在检索建筑物信息的同时，在浏览器中浏览赫尔辛基。

在 3D GIS 和虚拟地球仪中，基于浏览器的系统已经成熟为整个软件生态系统，其中包括标准化的数据格式，如 3D Tiles。最常用的开源组件，如 CesiumJS、GeoServer或 3DCityDB，已成为若干商业产品（如virtualcityMAP）或开源框架（如 TerriaJS）的起点。

2、3D 游戏引擎平台

第二个重要的发展轨道是游戏引擎作为专业应用（如可视化、虚拟体验、模拟和游戏化培训）的平台出现，涉及 GIS 数据和构建模型。游戏引擎仍然缺乏对地理坐标系统或地图投影的原生支持，但它们擅长实时 3D 渲染提供的视觉质量和性能，从而能够进行实时交互和体验、VR 和 AR。 主要软件供应商推出了简化游戏引擎平台上城市数据集使用的工具。

最流行的游戏引擎拥有庞大的开发人员社区，并提供广泛的文档，使学习曲线平坦，并使他们更容易访问。如今，游戏引擎公司已经开始大量投资，将平台的利用范围扩大到传统数字游戏和娱乐领域之外，如汽车和 AEC 行业。游戏行业也越来越有兴趣使用 3D 空间数据（例如在新的 Microsoft 飞行模拟器中大量使用全球生成的 3D 数据）。

Unity 和虚幻引擎可以说是基于 3D 城市数据创建交互式可视化和体验的最流行的游戏引擎平台。越来越多的数据转换工具和插件使游戏引擎成为一个有吸引力的灵活数据集成平台，用于生成"数字孪生"式应用程序。游戏引擎已广泛应用于逼真 3D 可视化（例如图 3），通常涵盖具有文化意义的网站、规划的未来城区和包含公民参与元素的建设项目。

图3：虚幻引擎中赫尔辛基的逼真和高度详细的3D模型。

3、需要考虑的技术特点和方面

在创建 3D 城市模型应用程序时，开发人员应根据应用考虑平台的技术特点和功能。这些可能与支持 3D 地理信息（即地理坐标系统和 API）、可视化功能（例如实时渲染、VR/AR 支持）、使用灵活性（例如 Web 使用、开放性、交互性水平）、数据集成和管理（例如语义、传感器数据或其他有意义的数据类型的集成）以及支持 3D 数据资产（例如网格模型） 有关。 点云，城市GML，BIM模型等）。下面对其中一些属性进行了解释和简要讨论。

地理空间信息支持

由于应用平台可能被各种地理空间数据集所利用，因此它们支持这些数据集的能力通常相当关键。这可能包括支持地理坐标系统和支持全市、国家或全球数据集所需的大型坐标空间等。除了 GeoTIFF 或 CityGML 等存储格式外，能够通过通常用于交换 GIS 数据（如 WFS 和 WMS）的界面获取数据可能非常有用，并减少了对额外数据准备的需求。

可视化功能

可视化水平对于向用户传达所需的信息至关重要。当代游戏引擎和 WebGL 技术在 Web 浏览器中都严重依赖实时计算机图形。实时 3D 图形允许开发人员创建引人入胜的交互式可视化和体验，例如，通过动态实时照明使用户能够在场景中自由移动。

许多最先进的可视化技术都由视频游戏行业驱动并应用。现代渲染技术（如基于物理的渲染 （PBR） 可以进一步提高场景的逼真性。此外，通过VR和AR支持身临其境的可视化，可以成为使用真实规模和维度传达城市环境的极其强大的工具。使用适用的显示设备 ， 如头戴式显示器 （HMD） 或移动设备 - VR 和 AR 可以使用游戏引擎或至少在某种程度上在 Web 上（例如通过 WebXR 标准）进行本地应用。

使用灵活性

在单个 3D 应用开发平台中，其使用的灵活性包括几个组件：

• 在 Web 浏览器上部署应用程序的能力增加了其可访问性，并消除了单独安装和插件的需要。不用说，这对许多基于浏览器的平台来说是一个显著的优势。
• 3D城市模式应用可以成为强大的通信和信息传播工具。在此基础上，多个用户同时添加评论和交互的能力可能非常有用，尤其是在参与式使用的情况下。这种方法在实时多人应用中最为明显，通常在游戏引擎中实现。
• 软件的许可及其"开放性"在使用灵活性方面也起着重要作用。开放数据和开源运动在城市建模现场都表现得非常明显。这对于应用程序开发来说是有趣的，因为越来越多的分发地理数据和发展应用程序的平台可以作为开源平台提供。例如，虚幻引擎可以自由使用，甚至在总收入为 100 万美元的情况下获利。

数据集成和管理

数据集成是有意义的应用的核心，可被视为城市数据分析和数字双胞胎创造的关键推动者。通过生成城市的语义信息模型，集成属性信息（例如与建筑地籍、城市规划、公用事业网络相关的数据）或其他附加信息（例如统计数据、城市服务和企业），3D 城市模型可以不仅仅是城市环境的可视化。此外，正在使用与交通、天气和构建 HVAC 系统相关的实时传感器收集越来越多的数据。3D 城市模型可以作为集成和可视化这些数据源的平台。

除了包含动态数据的各个点外，城市本身也是动态的，环境也在不断变化。因此，例如，使用时间系列数据来传达城市环境的变化是有用的。此时间相关数据可以是历史数据，也可以是描述未来的模拟或计划数据。

在数据管理方面，3D 城市模型可以包含不同规模和详细级别的数据。简单地管理庞大的数据量是一个常见的挑战。因此，明智的做法是考虑平台处理多个级别详细信息的能力，并在存储和加载中应用优化方法，以方便大数据量。

支持 3D 资产

毋庸置疑，对于构建利用 3D 数据的应用程序，支持城市建模环境中使用的各种 3D 数据资产至关重要。不同的 3D 资产类型包括密集的彩色点云（如 LAS、E57）、大纹理网状模型（如 OBJ、FBX、glTF）、各种语法丰富的城市信息模型（如 CityGML、CityJSON）或建筑信息模型（如IFC），提供对单个建筑物的高度详细视图。此外，对适用于多种资产类型的灵活数据格式（如 3D Tiles）的支持正变得越来越重要。

4、结论和可能的未来发展

考虑到3D城市建模的复杂性和多样性，没有一个平台可以满足城市环境3D模型的制作、更新、维护和利用等所有要求。目前可用的虚拟地球仪和游戏引擎往往突出略有不同的技术方面（见图4）。应用程序开发需要灵活的平台，以便开发可访问、开放、可视和交互式的应用程序，以满足用户的需求。实现这种灵活性通常需要作为开源解决方案或至少可以免费学习的解决方案。

图4：对可用虚拟地球和游戏引擎为每种技术功能类型提供的功能概述，为一组公开可用的平台提供说明。

在3D城市模型应用平台的背景下，最有趣的发展之一是基于浏览器的游戏引擎的进步。这不仅有望为基于浏览器的 3D 应用程序带来类似游戏引擎的功能，还有望将 VR 等可视化功能与未来的在线 GIS 应用程序集成在一起。在专业应用中，游戏引擎的使用越来越多，甚至导致游戏引擎和虚拟地球的集成，也可以看到同样的集成过程。软件生态系统中已经出现了这方面的例子。

技术和软件领域不断变化，并取得可喜的成果。研究和推进可用 3D 城市数据的利用，对于充分利用数据提供的潜在优势至关重要。尽管在技术和组织层面的数据质量、互操作性、标准化和管理方面经常面临挑战，但越来越多的可行和公开的数据正等待在城市本身范围之外使用。

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原文链接：3D城市： WebGL vs. 游戏引擎 — BimAnt