3DTiles 1.0 数据规范详解[3] 内嵌在瓦片文件中的两大数据表

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1. 本篇前言

说实话,我很纠结是先介绍瓦片的二进制数据文件结构,还是先介绍这两个重要的表。思前想后,我决定还是先介绍这两个数据表。

因为这两个表不先给读者灌输,那么介绍到瓦片的二进制数据文件结构时,就满嘴“晦涩难懂”啦。

1.1. 数据与模型

上文介绍到,瓦片的三维模型实际上是由gltf承担起来的(作为glb格式嵌入到瓦片二进制文件中),那么,除了模型数据,肯定模型自己本身也有属性数据的。

就比如,门有长宽高、密度、生产日期等信息,楼栋模型有建筑面积、楼层数等信息。

所以,“属性数据” 和 “模型” 是如何产生联系的呢?

早在我的博客《聊聊GIS数据的四个分层与GIS服务》中有提及,只需把模型的几何数据作为一个属性,写入属性数据中,即把属性数据和几何数据并列,就可以了。

但是,在3dTiles中,模型数据是以glb的形式嵌入在瓦片文件中的(点云直接就写xyz和颜色信息了),模糊了二维中“要素”的概念,而且gltf规范看起来并没有所谓的“要素”的概念,仅仅是对GPU友好的vertex、normal、texture等信息。

如何让gltf模型的每一个模型,甚至每一个三角面,甚至每一个顶点打上“我属于哪个模型”的印记呢?我们本篇稍稍晚一些介绍。

再回忆一个重要的 3dTiles 理念:

3DTiles 1.0 规范本身不包含模型数据的定义,它仅仅记录模型变成瓦片后的空间组织关系、模型与其属性数据之间的关系。

所以,3dTiles 规范在瓦片二进制数据文件中,使用了两个重要的表来记录这种 ”模型与属性“ 的联系:

  • FeatureTable(要素表)
  • BatchTable(批量表)

1.2. 瓦片二进制数据文件的大致字节布局结构

上一篇简单提过,瓦片引用的二进制文件有4种,即:b3dm、i3dm、pnts、cmpt。

除去cmpt这个复合类型不谈,前三种的大致布局见上图。

每一种瓦片二进制数据文件都有一个记录该瓦片的文件头信息,文件头包括若干个因瓦片不同而不太一致的数据信息,紧随其后的是两大数据表:FeatureTable(我翻译其为:要素表)、BatchTable(我翻译其为:批量表)。

这两个表既然是二进制的数据,尽管它名字里带“表”,但是却不是二维表格,它更多的是一些 键值 信息。

关于不同瓦片二进制文件的这两个表的结构,在后续博文会详细介绍。

2. 记录渲染相关的数据:FeatureTable,要素表

在 b3dm 瓦片中,要素表记录这个批量模型瓦片中模型的个数,这个模型单体在人类逻辑上不可再分。

(在房屋级别来看,房子并不是单体,构造它的门、门把、窗户、屋顶、墙等才是模型单体;但是在模型壳子的普通表面建模数据中,房子就是一个简单的模型)

要素表还可以记录当前瓦片的中心坐标,以便gltf使用相对坐标,压缩顶点坐标数字的数据量。

官方给的定义是:

要素表记录的是与渲染有关的数据。

直球!听不懂!

我来“翻译”一下好了:

要素表,记录的是整个瓦片渲染相关的数据,而不是渲染所需的数据。

渲染相关,即有多少个模型,坐标是相对的话相对于哪个中心,如果是点云的话颜色信息是什么以及坐标如何等;

渲染所需,例如顶点信息、法线贴图材质信息均有glb部分完成。

我们以pnts(点云瓦片)举例,它的要素表允许有两大类数据(看不懂没关系,之后的博客还会继续介绍四种瓦片文件的结构):

  • 点属性:记录每个点云点的信息
属性名 数据类型 描述 是否必须
POSITION float32 * 3 直角坐标的点 是,除非下面的属性存在
POSITION_QUANTIZED uint16 * 3 量化的直角坐标点 是,除非上面的属性存在
RGBA uint8 * 4 四通道颜色
RGB uint8 * 3 RGB颜色 /
RGB565 uint16 有损压缩颜色,红5绿6蓝5,即65536种颜色 /
NORMAL float32 *3 法线 /
NORMAL_OCT16P uint8 * 2 点的法线,10进制单位向量,有16bit精度 /
BATCH_ID uint8/uint16(默认)/uint32 从BatchTable种检索元数据的id /
  • 全局属性:记录整个点云瓦片的信息
属性名 数据类型 描述 是否必须
POINTS_LENGTH uint32 瓦片中点的数量。所有的点属性的长度必须与这个一样。
RTC_CENTER float32 * 3 如果所有点是相对于某个点定位的,那么这个属性就是这个相对的点的坐标。 /
QUANTIZED_VOLUME_OFFSET float32 * 3 量化偏移值(不知道是什么) 与下面的属性必须同时存在
QUANTIZED_VOLUME_SCALE float32 * 3 量化缩放比例(不知道是什么) 与上面的属性必须同时存在
CONSTANT_RGBA uint8 * 4 为所有点定义同一个颜色 /
BATCH_LENGTH uint32 BATCH_ID的个数 与点属性中的BATCH_ID必须同时存在

简略一瞥,可以看出点云因为没有使用gltf模型(也没必要),把点云要渲染到屏幕上所需的坐标、法线、颜色等信息写在了要素表中。

如果还是不能理解何为“渲染相关”,那么请阅读后续四种瓦片文件格式的详细介绍,相信你会有所收获——有可能是我表达比较菜。

要说明一个“业界黑话”:

在一个瓦片中,一个三维要素(GIS中的通常叫法)= 一个模型(图形学、工业建模叫法) = 一个BATCH(3dtiles叫法)

然后,我向读者隆重介绍要素表的简单结构,因为要素表、批量表都是以 二进制 形式存储,所以了解每一种瓦片的二进制数据布局十分重要。

2.1. 要素表的结构:JSON描述信息+要素表数据体

要素表紧随在若干个字节的文件头后,它本身还可以再分为 二进制的JSON文本头 + 二进制的数据体

如下图所示:

有迫不及待的读者希望更进一步了解要素表了,不要急,后续篇章一定展开,例如如何读取要素表和其中的数据等。

接下来,是另一个数据表:批量表。

3. 记录属性数据:BatchTable,批次表

如果把批量表删除,那么 3DTiles 数据还能正常渲染。

批次表就是所谓的模型属性表,批次表中每个属性数组的个数,就等于模型的个数,因为有多少个模型就对应多少个属性。

其实也有例外的情况,后续聊 3DTiles 数据规范的扩展能力时,再把这个坑填上,不然怎么说 3DTiles 很灵活呢

批量表相对比较自由,只要能与模型对得上号,想写啥就写啥。

3.1. 批次的属性数据 ↔ 模型的关联

假定读者在阅读此 3DTiles 博客之前,已经对 glTF 数据规范有一定的了解。

glTF 数据在几何数据部分有三层:Node ← Mesh ← Primitive。

其中,Primitive 即 glTF 数据规范中最小的图形单位,其顶点定义由其下的 attributes 对象下 POSITION 属性来寻找访问器(Accessor),从而获取到数据。

{
  // ...
  "meshes": [
    {
      "primitives": [
        {
          "attributes": {
            "POSITION": 0,
            "TEXTURE_0": 2
            // ...
          },
          "indices": 1,
          "mode": 4,
          "material": 0
        } // endof primitive[0]
      ]
    } // endof mesh[0]
  ],
  // ...
}

获取到 POSITIONindices 对应的访问器、缓存视图、缓存文件后,即可获取 gltf 模型的所有顶点,即几何模型,即三维要素的几何数据。

现在问题来了,如何将这些顶点 “打” 上一个印记呢?就像检疫的猪肉一样,打个印记,说明猪是健康的。

Cesium 团队在设计 3DTiles 规范的时候充分利用了 glTF 规范的特点:开源。因此,每一个 primitive 被在其 attributes 中添加了额外的访问器:_BATCHID

"primitives": [
  {
    "attributes": {
      "POSITION": 0,
      "_BATCHID": 3,
      "TEXTURE_0": 2
      // ...
    },
    "indices": 1,
    "mode": 4,
    "material": 0
  }
]

它与 POSITION 等没什么两样,同样会占用一部分数据。聪明的读者应该能想到了,如果每一个顶点都有一个所谓的 _BATCHID 对应,那么我随便给个点,我不就知道这个点的 _BATCHID,从而就知道这个点属于哪一个 BATCH 了吗?

翻翻前面的 “黑话”,GIS 的读者更容易关联起来:

一个 BATCH (即三维要素)用自己的 BATCHID 与几何数据一一对应,属性数据也与这个 BATCHID 一一对应,由传递关系,那么三维的几何数据 (glTF) 也就能和 属性数据 (批量表) 一一对应了。

不过不是所有的瓦片都有 glTF 模型,例如 pnts 瓦片。

所以这个 几何 与 属性 两大数据如何关联,在之后的博文再具体问题具体分析。

关于这个模型和属性的关联,在 b3dm 瓦片的博文中要重点介绍。

批次表的结构:JSON描述信息+批量表数据本体

与 要素表 很像,批次表也是由: 二进制的JSON文本头 + 二进制的数据体 构成的。如下图所示:

关于两个表的更深层次的数据内容,例如如何承载模型与模型之间的逻辑关系,如何记录使用 Google 压缩算法的模型数据,那就是后续文章的内容了。

4. 结语

本篇没有特定的数据作为说明,写得不太好,因为是第一次尝试用自己的语言表达这两大数据表,谋篇布局能力不太行,还请读者包涵。

这两个数据表真正的内容,还要等到接下来的四篇对瓦片二进制文件的重点介绍中,才能细细讲完,本篇仅仅作为接下来四篇博客的 “总结”,也可以说是 “介绍”。

附 CesiumJS API 如何查询瓦片的批量表

我们通常在 Cesium 中使用 点击 事件,来获取一个 BATCH,即三维要素。在 Cesium API 中,这个被叫做:Cesium3DTileFeature

那么,这个 Cesium3DTileFeature 就能访问到它自己的批量表中的属性数据:

const handler = new Cesium.ScreenSpaceEventHandler(viewer.canvas);
handler.setInputAction(function(movement) {
  const feature = scene.pick(movement.endPosition);
  if (feature instanceof Cesium.Cesium3DTileFeature) {
    const propertyNames = feature.getPropertyNames();
    const length = propertyNames.length;
    for (let i = 0; i < length; ++i) {
      const propertyName = propertyNames[i];
      console.log(`${propertyName}: ${feature.getProperty(propertyName)}`);
    } // end for
  } // end if
}, Cesium.ScreenSpaceEventType.LEFT_CLICK);

用到了 Cesium3DTileFeature.getPropertyNames() 方法获取批量表中所有属性名,用了 Cesium3DTileFeature.getProperty(string Name) 来获取对应属性名的属性值。更多 API 见官方文档。

posted @ 2020-07-06 03:10  岭南灯火  阅读(8857)  评论(3编辑  收藏  举报