摘要：在中，引入一些元數(shù)據(jù)方面的擴展項。不同層級的元數(shù)據(jù)像素級別樣式化渲染不同層級的元數(shù)據(jù)像素級別樣式化渲染配合使用和兩個擴展項，下一代的可以在各個層級存儲元數(shù)據(jù)。例如，水泥地和草地的摩擦系數(shù)可以作為元數(shù)據(jù)，影響車輛的行駛速度等。

下一代的 3D Tiles 前瞻

原文：Introducing 3D Tiles Next, Streaming Geospatial to the Metaverse

原文發(fā)布時間：2021年11月10日

閱讀本文前，需要有足夠的 3D Tiles 1.0 基礎(chǔ)、glTF 規(guī)范基礎(chǔ)、CesiumJS 基礎(chǔ)。

譯者概述

3D Tiles Next 自官方有想法以來，我就一直在跟蹤，無奈年關(guān)將至，業(yè)務(wù)繁忙，現(xiàn)在才著手閱讀和學(xué)習(xí)。

3D Tiles Next 下文會簡稱 Next，而現(xiàn)行的 3D Tiles 1.0 則簡稱 1.0，因為官方暫時沒把下一代正式稱為 2.0.

從組織方式來說，Next 在 Tileset 和 瓦片文件層級均做了優(yōu)化，Tileset 新建了多項擴展，瓦片文件則直接使用 glTF 格式，不再使用舊的 b3dm、i3dm、pnts、cmpt.

從性能考量來說，Next 引入新的空間索引規(guī)則，叫做 Implicit Tilling，即隱式瓦片分割，并介紹了一種空間分割算法：S2。

從領(lǐng)域需求來說，Next 強化了元數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的組織，創(chuàng)建了 3D Metadata Specification（三維元數(shù)據(jù)規(guī)范）及相關(guān)的擴展。

此次更新不小，除了 Cesium 原班人馬外，還有一個三維大佬 Don McCurdy 在后期添磚加瓦。

除了數(shù)據(jù)規(guī)范本身的更新，前端運行時 CesiumJS 在 1.87.1 版本終于公測了 Next，并提供了新的 glTF 數(shù)據(jù)加載架構(gòu) —— ModelExperimental，以及更友好的自定義著色器 API —— CustomShader。

1. 綜述

3D Tiles Next，指的是一組 3D Tiles 擴展項。這些擴展項主要體現(xiàn)在三個方面的增強：

• 結(jié)構(gòu)化的元數(shù)據(jù)
• 空間索引性能
• glTF 生態(tài)集成

官方關(guān)于元數(shù)據(jù)的限定詞是 semantic，即語義化的，我覺得“結(jié)構(gòu)化”可能更好一些。

如下圖所示：

2. 元數(shù)據(jù)的增強

鑒于需求的急劇擴張，3D Tiles 擴充了元數(shù)據(jù)方面的功能。在 3D Tiles Next 中，引入一些元數(shù)據(jù)方面的擴展項。主要特點有：

• 元數(shù)據(jù)的編碼方式更友好，可以用二進制，也可以寫入 JSON；
• 層級擴充，可以是每紋理單元級別的元數(shù)據(jù)，也可以是每個瓦片級別的；
• 規(guī)范了元數(shù)據(jù)的格式。

與 1.0 規(guī)范使用 Batchtable（批次表）來存儲元數(shù)據(jù)的目的一致，Next 的元數(shù)據(jù)擴展依舊遵循了性能優(yōu)勢：批量處理。

許多邏輯層面的三維要素（例如某個建筑）及其元數(shù)據(jù)，在前端運行時（可以簡單認(rèn)為是 CesiumJS）預(yù)先被成組成批處理，以減小 CPU 的開銷。

元數(shù)據(jù)方面的擴展，分三個方面：

• 類型系統(tǒng)；
• 編碼方式；
• 領(lǐng)域相關(guān)的語義化規(guī)范，領(lǐng)域是指 BIM、CAD 等；

2.1. 元數(shù)據(jù)的類型系統(tǒng)

3D 元數(shù)據(jù)規(guī)范 定義了一套類型規(guī)范與數(shù)據(jù)的編碼方式。

3D Tiles 1.0 依賴于 JSON 本身有限制的基礎(chǔ)類型，而 Next 具備更豐富的類型支持，包括類、向量、矩陣等。

元數(shù)據(jù)的編碼方式可以有：

• 二進制格式；
• JSON 格式；
• 柵格格式。

具體細(xì)節(jié)要看規(guī)范。

2.2. 不同層級的元數(shù)據(jù)（像素級別樣式化渲染）

配合使用 3DTILES_metadata 和 EXT_mesh_features 兩個擴展項，下一代的 3D Tiles 可以在各個層級存儲元數(shù)據(jù)。這些層級可以是：

• Tileset（瓦片集）層級
• Tile / Tile ContentGroup（瓦片或瓦片組）層級
• Feature（三維要素）層級
• GPU 繪制實例層級
• Vertex（頂點）層級
• Texel（紋素）層級

如下圖所示：

紋素級別是最細(xì)的層級，允許元數(shù)據(jù)在如此細(xì)的粒度上變化。

例如，兩個三角形構(gòu)成一個四邊形，作為一個建筑物的一側(cè)墻面，但是此時它僅僅是“兩個三角形”，在真實世界中墻面還可能會有窗的玻璃、磚的石頭的區(qū)別，在拾取識別時，就可以例用“紋素級別”的元數(shù)據(jù)來辨別什么顏色是什么物體。

下面是一個例子，對傾斜攝影數(shù)據(jù)使用紋素級別的元數(shù)據(jù)：

此處有分屏，左側(cè)的顏色就可以很明顯地區(qū)分出墻、窗戶、空調(diào)、屋頂?shù)取皩嶋H物體”，而數(shù)據(jù)的三角面組織卻可以不用在意這些“實際物體”。

在右側(cè)，利用紋素級別的元數(shù)據(jù)，就可以完成窗戶單體的半透明處理。

2.3. 語義規(guī)范

除了層次足夠細(xì)致，還要知道數(shù)據(jù)的含義，這就是所謂的“元數(shù)據(jù)的語義”，以便程序代碼知道怎么進行交互編程。

例如，水泥地和草地的摩擦系數(shù)可以作為元數(shù)據(jù)，影響車輛的行駛速度等。

各領(lǐng)域的專家可以根據(jù)有關(guān)擴展項來定制自己專業(yè)所需的元數(shù)據(jù)，譬如在土方施工中，將材料庫存、各項參數(shù)寫入元數(shù)據(jù)，方便代碼計算體積和面積。

3. 空間索引增強：隱式瓦片分割

3D Tiles Next 在空間分割上做了優(yōu)化，光線追蹤、近鄰搜索這些空間分析、模擬功能從此受益。

在 1.0 中，空間分割體現(xiàn)在 tileset.json 文件中的每個 Tile 的定義，這些定義包括 BoundingVolume（空間范圍體）、瓦片文件的模型以及其下一級的子瓦片等。

據(jù)官方介紹，3D Tiles 1.0 的空間分割方式可以自由搭配選擇，不用局限于傳統(tǒng) 2D 地圖的四叉樹分割。需要注意，子瓦片的空間范圍要小于父瓦片的空間范圍。

下面是 1.0 中介紹的三種空間分割樹結(jié)構(gòu)，依次為 KD樹、松散四叉樹、八叉樹：

3D Tiles Next 引入了一個新的擴展：3DTILES_implicit_tiling，它主要的作用是引入一種預(yù)先知曉規(guī)則的空間分割規(guī)則，使得無需顯式記錄瓦片的空間范圍體。這樣，就可以隨機訪問單個或任意多個瓦片了，這樣有益于：

• 單服務(wù)器或跨服務(wù)器的大規(guī)模模擬計算，尤其是 K-最近鄰 和范圍查詢；
• 基于光追，或者說，基于射線的計算，因為統(tǒng)一的索引結(jié)構(gòu)可以提高空間索引的性能；
• 局部數(shù)據(jù)更新，例如某塊區(qū)域的建筑需要更新

城市級別的流式數(shù)據(jù)、建筑區(qū)域中隨時間更新的數(shù)字孿生變化、飛行器的變化等，這些例子都將受益于上述所說的瓦片隨機訪問機制，而無需走原來的自頂向下的 LOD 層級訪問機制。

上圖表明，城市中的人群大規(guī)模模擬得以實現(xiàn)，主要是因為隱式空間索引機制，可以高效率地進行鄰近瓦片的空間查詢。

隱式瓦片分割機制，可以簡潔地呈現(xiàn) Tileset（瓦片集）的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括：

• 四叉樹或八叉樹；
• RootTile（根瓦片）的幾何誤差（geometricError）和空間范圍體（BoundingVolume），以支持全局或局部的 Tileset；
• 瓦片的可見性，這樣可視化引擎（CesiumJS）只需請求存在的瓦片，減輕網(wǎng)絡(luò)壓力；
• 莫頓 z 序曲線（Morton z-order curve）存儲了瓦片的其他信息；
• 模板式 URI，這樣可以根據(jù) URI 的規(guī)律，快速隨機訪問想要的瓦片而不需要再次自頂向下遍歷整個 Tileset

上面這張圖，左邊是 tileset.json 的大致示意，右邊則是四級空間分割及其莫頓 Z 序曲線的顯示效果。

與 1.0 中顯式指定空間分割的瓦片相比，隱式分割還可以減小 tileset.json 的體積，降低網(wǎng)絡(luò)壓力。

但是與網(wǎng)絡(luò)壓力相比較，隱式瓦片分割的真正威力在于運行時可以隨機訪問瓦片，而且這些瓦片的空間分割規(guī)則是統(tǒng)一的。

除了空間檢索性能上的考量，隱式瓦片分割還有一個意圖，就是希望與傳統(tǒng) 2D GIS 的 CDB、WMTS、TMS 等規(guī)范集成實現(xiàn)。

空間分割算法：S2

3D Tiles Next 引入一項 3DTILES_bounding_volume_S2 擴展，它能與隱式瓦片、顯式瓦片一起使用，定義新的空間范圍體。

S2 分割是一種比四叉樹更好的空間分割，這種分割方式基于一個立方體，它在北極、南極附近的瓦片會比較“薄”，失真較小。同一級別的瓦片的尺寸是接近的。

筆者注：這個算法不太了解，需要閱讀更多資料。

上圖為 WGS84 橢球面上的 S2 Hilbert（希爾伯特）曲線。

4. 在三維“圖層”中使用復(fù)合內(nèi)容

傳統(tǒng) 2DGIS 會把同類數(shù)據(jù)放進同一個容器中，這個容器叫做“圖層”，比如高速公路圖層、POI圖層、建筑圖層等，這樣可以統(tǒng)一樣式設(shè)置。

使用 3DTILES_multiple_contents 擴展可以在一組 Tile 中定義“三維圖層元數(shù)據(jù)”，然后將對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)綁定至這個組來實現(xiàn)“三維圖層”、“數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)的連接”。

5. 與 glTF 技術(shù)生態(tài)集成

在 3D Tiles 中使用 3DTILES_content_gltf 擴展，Tile 對象可以直接引用 .gltf 或 .glb 文件，而不是使用舊的 b3dm、i3dm 瓦片文件。

這樣 3D Tiles 就可以直接利用 glTF 社區(qū)的成果，例如驗證工具、轉(zhuǎn)換工具等。

3D Tiles Next 利用到 glTF 的地方有：

• 3D Tiles 在瓦片層級直接使用 glTF 作為三維數(shù)據(jù)；
• 將 glTF 直接用于點云格式；
• 更好利用了 glTF 的擴展項。

5.1. 直接使用 glTF（b3dm 與 i3dm 升級）

有閱讀 3D Tiles 1.0 規(guī)范的朋友知道，b3dm 和 i3dm 瓦片文件是內(nèi)嵌了 glTF 的二進制格式數(shù)據(jù)的。

上圖展示了 1.0 和 Next 的瓦片文件設(shè)計區(qū)別，1.0 中最具代表性的 b3dm 瓦片文件由頭部元數(shù)據(jù)（b3dm Header）、批次表（BatchTable）和具體模型數(shù)據(jù)（glTF）塊構(gòu)成，而 Next 則直接使用 glb 文件，且使用了 glTF 的 EXT_mesh_features 擴展來替代批次表。

使用 3DTILES_content_gltf 這個 3D Tiles 擴展，瓦片就可以直接引用 gltf 或 glb 文件。如果瓦片中存在邏輯要素信息，則可以在 gltf/glb 中啟用 glTF 的擴展：EXT_mesh_features.

但是如果是 i3dm，比如一個樹模型要繪制多次（即實例繪制的方式），那么就使用 glTF 擴展 EXT_mesh_gpu_instancing 來實現(xiàn)，以替代 i3dm 瓦片。EXT_mesh_features 也可以跟這個擴展一起使用，來記錄每個被繪制后的實例的屬性數(shù)據(jù)，如下圖所示：

官方希望直接使用 glTF 的意圖是可以更好地與其他行業(yè)的數(shù)據(jù)進行合作，以提高 3D Tiles 的模型兼容性。

5.2. 點云與 glTF（pnts 升級）

上圖是某個城市的 100 億個點的點云數(shù)據(jù)。

在 1.0 中，點云數(shù)據(jù)是使用 pnts 格式的文件存儲的，包括 FeatureTable（要素表）、Batch Table（批次表），并可以帶 draco 壓縮。

在 Next 中，點云也可以使用 glTF 格式的文件，使用 glTF 中的 EXT_meshopt_compression 擴展即可實現(xiàn)一些運行時（CesiumJS）方面的樣式化、過濾，甚至是點云的元數(shù)據(jù)等?？偟膩碚f，Next 對點云這種格式的數(shù)據(jù)：

• 將點云的幾何數(shù)據(jù)存儲在 glTF 本身
• 元數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）通過 EXT_mesh_features 實現(xiàn)
• 頂點和法線數(shù)據(jù)的壓縮通過 EXT_meshopt_compression 來實現(xiàn)。

如下圖所示。

在最終敲定 Next 規(guī)范之前，官方還希望使用不同的壓縮方式來補充 EXT_meshopt_compression 這個擴展如何進行點云壓縮，包括 Esri LEPCC 和 Google Draco 等方式。

5.3. 繼承 glTF 的擴展項（紋理壓縮）

由于 Next 對瓦片文件的更新替換，不再使用 b3dm、i3dm、pnts 瓦片文件，因此功能上的更新基本上都是 glTF 的擴展。

3D Tiles Next 依舊會使用 glTF 的 KTX 2.0 和 下一代 PBR 材質(zhì)等擴展。

KTX 2.0 是用來支持紋理數(shù)據(jù)的跨 GPU 傳輸、運行時壓縮，減少內(nèi)存、帶寬等，以提升硬件效能，畢竟通過無人機或者衛(wèi)星獲取的圖像的體積可不小。

下一代 PBR 召集了世界 PBR 專家來集思廣益，將 glTF 的材質(zhì)表現(xiàn)提升到一個新的高度。

6. 后續(xù)進度

從發(fā)文時間起，之后的幾個月將完成規(guī)范的設(shè)計。

目前的進度有：

• 起草了 3D Tiles 與 glTF 相關(guān)的擴展項：
  • 3D 元數(shù)據(jù)規(guī)范
  • 3D Tiles 擴展：3DTILES_metadata
  • glTF 擴展：EXT_mesh_features
  • 3D Tiles 擴展：3DTILES_implicit_tiling
  • 3D Tiles 擴展：3DTILES_bounding_volume_S2
  • 3D Tiles 擴展：3DTILES_multipie_contents
  • 3D Tiles 擴展：3DTILES_content_gltf
• 開發(fā)者相關(guān)的資源，pdf、示例數(shù)據(jù)、博客等；
• 在 [email protected] 以上的例子實現(xiàn)
• ...

7. 譯者注

下一代的 3D Tiles 目前沒有定名為 3D Tiles 2.0，而是暫時以擴展項的方式推進。

它解決了一部分 1.0 中的問題，例如把元數(shù)據(jù)從舊的瓦片文件中的 BatchTable、FeatureTable 拆分出來，便于數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)；拆出來元數(shù)據(jù)后，剩下的三維數(shù)據(jù)可以直接利用 glTF 格式，而 glTF 格式本身又是可以把紋理、幾何分開存儲的。總之，新設(shè)計的靈活性非常強。

除了數(shù)據(jù)方面的問題，還提出了新的空間切分算法 —— 隱式瓦片，這個擴展旨在提高前端瓦片剔除和渲染的性能。

總之，現(xiàn)在的狀態(tài)就是“請灑潘江，各傾陸海云爾”。