原标题：物图科技 | 三维可视化应用实施要点

前言

本篇文章旨在阐述三维可视化应用实施流程、基础事项以及常见问题，为各类实施人员提供日常工作参考，是一篇三维可视化应用实施科普文，如果需要深度了解某个知识点，可自行到官方网站或百度了解。

目前物图已实施的三维可视化应用涉及30多个行业，项目数以千计，经过多年积累，团队已具备全场景、全流程的三维可视化应用开发实施能力，江苏总部的项目管理、开发主程、设计和产品团队，湖北的数据团队，武汉和宁波的项目实施团队，是我司服务好行业的坚实后盾。

熟悉三维可视化应用实施流程和相关技术要点，是我司每一位研发人员的基础要求。

1、三维可视化应用特点

在面向企业、政府的应用场景里，有很多业务需要以三维可视化的方式呈现与交互，行业中有非常多的称呼或概念，如数字孪生、GIS、BIM、数据可视化、虚拟仿真、VR/AR等，它们都是以计算机图形学为关键技术的应用方向，三维可视化应用系统一个非常显著的特点是以政企业务和场景为导向的多源数据融合应用，这是它区别于游戏、教育、影视、设计类三维应用最显著的区别。『本文由“物图科技”原创』

三维可视化应用的开发与常规软件系统开发本质上并无不同，但在实施环节上却呈现如下特点：

数据结构：三维应用需要处理的数据结构通常比较复杂，包括三维模型、纹理、材质、光照等，需要使用专门的数据结构进行存储和处理。

渲染技术：三维应用需要使用专门的渲染技术进行图形渲染，包括光栅化、光线追踪、阴影计算等，需要对图形学有一定的了解。

性能要求：三维应用通常需要处理大量的数据和复杂的计算，对计算机的性能要求比较高，需要使用高性能的计算机和图形处理器。

交互方式：三维应用通常需要使用三维交互方式，包括鼠标、键盘、手柄、触摸屏等，需要使用专门的交互技术进行处理。

应用场景：三维应用通常用于智慧城市、园区、数字工厂、交通、水利、水务、能源、仓储等领域，需要针对不同的应用场景进行开发和优化。

图 某城市级智能化项目现场汇报图

2、三维可视化应用实施流程

三维可视化应用开发实施流程一般包括以下步骤：

需求分析：明确应用的功能需求、用户需求和技术需求，确定应用的基本功能和特色功能；

技术选型：根据需求分析结果，选择合适的三维可视化引擎、开发工具和技术框架，确定应用的技术架构和开发环境；

原型设计：根据需求分析结果和技术选型结果，设计应用的原型界面和交互方式，确定应用的基本界面和交互流程；

三维场景设计：包含地编设计、技术美术设计、交互设计、功能设计等；

UI设计：根据需求和原型设计进行的页面设计、页面交互设计；

三维建模：包括外业和内业处理，外业主要是在项目现场使用无人机、激光点云、全景视频、数码相机等方式采集现场数据，内业主要是依据外业和项目资料使用专业的三维建模软件建模；

数据预处理：准备应用所需的三维模型、纹理、材质、光照等数据，对数据进行处理和优化，确保数据的质量和性能，如BIM模型的轻量 化、三维模型的轻量化、GIS数据处理、编码数据处理等；

代码实现：根据需求分析结果和技术选型结果，使用选定的开发工具和技术框架进行编码实现，实现应用的基本功能和特色功能。代码实现主要涉及三维引擎开发、前端页面、后端管理系统等；

调试测试：对应用进行调试和测试，发现和修复应用中的错误和缺陷，确保应用的稳定性和可靠性。

部署上线：将应用部署到目标平台上，进行上线发布和运营管理，确保应用的可用性和用户体验。

维护升级：对应用进行维护和升级，修复和优化应用中的问题和缺陷，增加和改进应用的功能和特性，确保应用的持续发展和竞争力。

综上所述，三维可视化应用开发实施流程需要经过需求分析、技术选型、原型设计、三维场景设计、UI设计、三维建模、数据预处理、代码实现、调试测试、部署上线和维护升级等多个阶段，需要使用专门的技术和工具进行开发和优化。

图 物图实施的某省路网可视化项目UI设计

3、 三维可视化应用关键技术

三维可视化应用的核心技术主要包括以下几个方面：

建模技术：三维建模技术是三维可视化应用的基础，包括多边形建模、曲面建模、体素建模等，可以实现逼真的三维模型；

渲染技术：渲染是三维可视化应用的关键技术，包括光照计算、材质设置、纹理贴图等，可以实现逼真的渲染效果；

动画和特效技术：动画和特效技术可以为三维可视化应用增加生动、有趣的效果，包括骨骼动画、粒子系统、物理引擎等；

交互式操作技术：交互式操作技术可以为三维可视化应用增加用户交互的功能，包括鼠标、键盘等输入设备的响应和处理；

虚拟现实技术：虚拟现实技术可以为三维可视化应用增加沉浸式的体验，包括头戴式显示器、手柄等设备的应用；

数据处理技术：数据处理技术可以为三维可视化应用提供更多的数据支持，包括多源数据融合、数据轻量化等技术；

人工智能技术：人工智能技术可以为三维可视化应用提供更智能的功能，包括图像识别、语音识别等技术。

三维可视化应用的关键技术包括三维建模技术、渲染技术、动画和特效技术、交互式操作技术、虚拟现实技术、大数据处理技术和人工智能技术等方面，这些技术的应用可以提高三维可视化应用的效率和质量，为用户提供更好的体验。『本文由“物图科技”原创』

通常我们将渲染技术、动画和特效技术、交互式操作技术、虚拟现实技术归类为三维图形渲染引擎的范畴。

4、BS端三维图形渲染引擎

Three.js：Three.js是一个基于WebGL的JavaScript 3D库，提供了丰富的3D渲染功能和易于使用的API，支持多种3D模型格式和材质，是最流行的WebGL三维渲染引擎之一。

Cesium：Cesium是一个基于WebGL的JavaScript 3D地球渲染引擎，提供了高性能的地球渲染和地理信息系统功能，支持多种地图数据格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

Babylon.js：Babylon.js是一个基于WebGL的JavaScript 3D游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

A-Frame：A-Frame是一个基于WebGL的虚拟现实框架，使用HTML和JavaScript构建虚拟现实场景，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

PlayCanvas：PlayCanvas是一个基于WebGL的JavaScript 3D游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

以上是一些开源的WebGL三维渲染引擎，它们都具有不同的特点和优势，可以根据实际需求选择适合的引擎。

图 物图使用Cesium开发的三维GIS类应用

图 物图使用Three开发的三维工厂类应用

5、C端三维应用开发软件

Unity3D：Unity3D是一款功能强大的游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种平台和编程语言，具有良好的可扩展性和易用性。

Unreal Engine：Unreal Engine是一款功能强大的游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种平台和编程语言，具有良好的可扩展性和易用性。

CryEngine：CryEngine是一款功能强大的游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种平台和编程语言，具有良好的可扩展性和易用性。

Lumberyard：Lumberyard是一款功能强大的游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种平台和编程语言，具有良好的可扩展性和易用性。

GameMaker Studio：GameMaker Studio是一款易于使用的游戏引擎，提供了2D和3D渲染和物理引擎，支持多种平台和编程语言，具有良好的可扩展性和易用性。

图 物图使用Unity3D开发的数字孪生应用

6、C端三维图形渲染引擎

Ogre：Ogre是一个基于C++的开源3D图形引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。『本文由“物图科技”原创』

Irrlicht：Irrlicht是一个基于C++的开源3D图形引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

OpenSceneGraph：OpenSceneGraph是一个基于C++的开源3D图形引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

Panda3D：Panda3D是一个基于C++的开源3D游戏引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

Horde3D：Horde3D是一个基于C++的开源3D图形引擎，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种3D模型格式和材质，具有良好的可扩展性和易用性。

以上是一些开源的C++三维渲染引擎，它们都具有不同的特点和优势，可以根据实际需求选择适合的引擎。

7、三维设计与制作软件

3ds Max：3ds Max是一款专业的三维建模软件，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种导入和导出格式和插件，适用于建筑设计、室内设计、游戏开发等领域。

Blender：Blender是一款功能强大的三维建模软件，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种导入和导出格式和插件，适用于动画制作、游戏开发、影视制作等领域。

Substance Painter：Substance Painter是一款由Allegorithmic公司开发的3D纹理绘制软件，主要用于游戏、影视、建筑等领域的纹理制作和渲染。Substance Painter具有以下几个特点：Substance Painter提供了丰富的纹理绘制工具和材质库，可以快速、高效地绘制各种复杂的纹理效果。Substance Painter支持实时渲染和预览，可以在绘制纹理的同时实时预览效果，提高制作效率和质量。Substance Painter支持PBR（Physically Based Rendering）材质，可以实现逼真的材质效果，提高渲染质量和真实感。

SketchUp：SketchUp是一款易于使用的三维建模软件，提供了丰富的3D模型库和材质库，支持多种导出格式和插件，适用于建筑设计、室内设计、景观设计等领域。

Cinema 4D：Cinema 4D是一款专业的三维建模软件，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种导入和导出格式和插件，适用于广告设计、电影特效、游戏开发等领域。

Maya：Maya是一款专业的三维建模软件，提供了高性能的3D渲染和物理引擎，支持多种导入和导出格式和插件，适用于动画制作、游戏开发、影视制作等领域。

ZBrush：ZBrush是由Pixologic公司开发的数字雕刻软件，也可以用于纹理绘制和渲染。

以上是常见的三维设计与制作软件，它们都具有不同的特点和优势，可以根据实际需求选择适合的引擎，物图建模团队目前使用3dsMax和Blender为主。

图 物图使用3dsmax制作并渲染的场景

图 使用Substance painter制作的模型

图 使用Blender制作和渲染的场景

8、常见三维文件格式

B3DM：B3DM是无人机三维倾斜摄影输出的成果数据，是3dtiles的标准输出格式，可使用CesiumJS和其它主流三维GIS软件打开；

FBX：是一种由Autodesk开发的三维文件格式，全称为Filmbox，是一种通用的三维文件格式，支持多种平台和软件。FBX格式可以包含几何形状、材质、动画、光照等信息，可以用于游戏开发、建筑设计、工业设计等多个领域。FBX格式的优势在于其广泛的应用和兼容性，可以在多种平台和软件之间进行导入和导出，方便用户进行协作和共享。此外，FBX格式还支持多种材质和纹理类型，可以实现更丰富的渲染效果。

GLTF/GLB：是一种开放的三维文件格式，由Khronos Group开发，旨在成为一种轻量级、高效的三维文件格式，适用于WebGL、OpenGL ES和其他图形API。glTF格式支持几何形状、材质、纹理、动画等信息，可以包含多个场景和节点，支持二进制和JSON两种编码方式。glTF格式的优势在于其轻量级和高效性，可以快速加载和渲染，适用于Web和移动设备等资源受限的环境。此外，glTF格式还支持PBR（Physically Based Rendering）材质系统，可以实现更真实的渲染效果。

OBJ：OBJ是一种三维模型格式，支持多边形和曲面，可以包含材质和纹理信息，是一种通用的三维文件格式。

STL：STL是一种三角面片格式，用于描述三维模型的几何形状，是最常见的三维文件格式之一

9、实施过程中的常见问题

9.1 三维建模问题

三维建模使用的软件行业内部相对统一，但在建模标准和规范上不同行业、不同项目有所不同，因此，三维建模的主要问题包括建模的标准和规范、输出的成果格式规范等，业主端的主要问题表现为与现实不符，物图通过积累逐步形成了一套数字孪生场景建模标准，极大的提高了项目实施效率，减少了大量返工。『本文由“物图科技”原创』

模型几何形状问题：三维建模需要准确地表达物体的几何形状，包括曲面、棱角、圆滑度等，因此需要掌握几何学和数学知识，避免出现模型形状不准确的问题。

模型拓扑结构问题：三维建模需要考虑模型的拓扑结构，包括三角面片、四边形面片、多边形面片等，不同的拓扑结构会影响模型的性能和渲染效果，因此需要选择合适的拓扑结构。

模型细节表达问题：三维建模需要表达物体的细节，包括纹理、材质、法线等，这些细节可以增加模型的真实感和美观度，但也会增加模型的复杂度和渲染时间，因此需要权衡细节和性能的关系。

模型优化问题：三维建模需要考虑模型的性能和渲染效果，因此需要进行模型优化，包括减少面数、合并网格、优化UV等，以提高模型的性能和渲染效果。

模型导入导出问题：三维建模需要在多个软件和平台之间进行导入和导出，因此需要考虑不同软件和平台之间的兼容性问题，包括文件格式、坐标系、单位等。

综上所述，三维建模过程中常见的问题包括模型几何形状、拓扑结构、细节表达、优化和导入导出等方面，需要针对具体模型进行分析和解决。

9.2 三维美术问题

三维可视化应用在人类视觉层次主要体现在美术设计上，好的美术设计是衡量三维可视化应用的关键指标之一。

三维美术设计是指利用三维技术进行美术设计的过程，包括三维建模、纹理贴图、材质设计、灯光设置、渲染等环节。

在三维美术设计中，三维建模是最基础的环节，通过对物体的几何形状进行建模，可以创建出三维模型。纹理贴图是将二维图像贴到三维模型表面的过程，可以增加模型的真实感和细节。材质设计是指对模型表面的材质进行设计，包括颜色、反射率、透明度等属性。灯光设置是指对场景中的光源进行设置，可以影响模型的阴影和反射效果。渲染是将三维模型和场景转化为二维图像的过程，可以生成最终的美术效果。

三维美术设计需要掌握多种软件和技术，包括三维建模软件、纹理编辑软件、渲染软件等，同时需要具备良好的美术素养和审美能力。

图 设计院提供的建筑渲染效果图

图 物图三维应用中的美术效果图

9.3 三维数据处理问题

在三维数据处理过程中，常见的问题包括以下几个方面：

数据格式问题：三维数据可能存在多种格式，包括点云、三角网格、体数据等，不同格式的数据需要采用不同的处理方法和算法，因此需要选择合适的数据格式。

数据质量问题：三维数据可能存在噪声、缺失、重叠等问题，这些问题会影响数据的准确性和可用性，因此需要进行数据清洗和修复。

数据处理算法问题：三维数据处理需要采用多种算法，包括点云配准、三角网格重建、体数据分割等，不同算法的效果和性能也不同，因此需要选择合适的算法。

数据可视化问题：三维数据处理需要进行可视化，以便用户进行交互和分析，不同的可视化方法和工具也会影响数据的呈现效果和用户体验。

数据存储和传输问题：三维数据通常具有较大的体积和复杂的结构，因此需要考虑数据存储和传输的效率和安全性，包括数据压缩、加密、传输协议等。

综上所述，三维数据处理过程中常见的问题包括数据格式、质量、算法、可视化和存储传输等方面，需要针对具体数据进行分析和解决。

图 物图实施的某数字工厂项目建模端优化后效果

9.4 性能优化问题

三维应用需要高性能的3D渲染和物理引擎，对硬件和软件的要求较高，因此性能优化是三维应用实施过程中的一个重要问题，物图团队基于多年项目实施经验，对三维可视化应用进行优化和调试，提高了应用的性能和稳定性。

在三维应用中，性能优化是一个非常重要的问题，主要包括以下几个方面：

渲染性能优化：三维应用需要进行大量的渲染操作，包括几何变换、光照计算、纹理采样等，这些操作会消耗大量的计算资源，因此需要进行渲染性能优化，包括减少渲染次数、优化渲染顺序、使用LOD（Level of Detail）等。

内存使用优化：三维应用需要加载大量的三维模型、纹理、材质等数据，这些数据会占用大量的内存空间，因此需要进行内存使用优化，包括减少内存占用、使用纹理压缩、使用动态加载等。

网络传输优化：三维应用需要在网络上进行传输，包括模型数据、纹理数据、动画数据等，这些数据的传输速度和稳定性会影响应用的性能和用户体验，因此需要进行网络传输优化，包括使用压缩算法、使用CDN（Content Delivery Network）等。

硬件适配优化：三维应用需要适配多种硬件设备，包括PC、移动设备、VR设备等，不同设备的性能和特性也不同，因此需要进行硬件适配优化，包括使用硬件加速、使用多线程等。

代码优化：三维应用的代码需要进行优化，包括减少函数调用、减少内存分配、使用GPU加速等，以提高应用的性能和稳定性。

综上所述，三维应用性能优化主要包括渲染性能优化、内存使用优化、网络传输优化、硬件适配优化和代码优化等方面，需要针对具体应用进行分析和解决。

9.5 用户体验问题

三维应用需要良好的用户体验，包括界面设计、交互方式、视觉效果等，因此用户体验是三维应用实施过程中的一个重要问题，需要根据用户需求和反馈进行优化和改进。『本文由“物图科技”原创』

在三维应用中，交互体验是一个非常重要的问题，主要包括以下几个方面：

用户界面设计问题：三维应用需要设计合适的用户界面，包括菜单、按钮、控制器等，这些界面需要符合用户的使用习惯和操作方式，以提高用户的使用体验。

交互方式问题：三维应用需要提供多种交互方式，包括鼠标、键盘、手柄、触屏等，不同的交互方式会影响用户的使用体验和操作效率，因此需要选择合适的交互方式。

交互反馈问题：三维应用需要提供良好的交互反馈，包括动画、声音、震动等，这些反馈可以增加用户的沉浸感和操作体验。

交互流程问题：三维应用需要设计合适的交互流程，包括场景切换、任务流程、引导提示等，这些流程需要符合用户的使用习惯和心理需求，以提高用户的使用体验。

性能优化问题：三维应用的性能会影响用户的交互体验，因此需要进行性能优化，包括减少延迟、提高帧率、优化渲染效果等，以提高用户的交互体验。

综上所述，三维应用交互体验主要包括用户界面设计、交互方式、交互反馈、交互流程和性能优化等方面，需要针对具体应用进行分析和解决。

9.6 子系统对接问题

在三维应用中，常见对接的子系统包括视频、门禁、传感器、定位、消防、MES、ERP、设备管理系统、业务系统等系统，在物图的所有实施项目中，子系统对接是一个非常重要的环节，主要包括以下几个方面的问题：

数据格式问题：不同的子系统可能采用不同的数据格式，包括模型数据、纹理数据、材质数据等，因此需要进行数据格式转换和兼容性处理，以实现数据的无缝对接。

接口协议问题：不同的子系统可能采用不同的接口协议，包括TCP/IP、UDP、HTTP等，因此需要进行接口协议转换和兼容性处理，以实现接口的无缝对接。

数据传输问题：子系统之间需要进行大量的数据传输，包括模型数据、纹理数据、动画数据等，这些数据的传输速度和稳定性会影响应用的性能和用户体验，因此需要进行数据传输优化，包括使用压缩算法、使用CDN等。

接口安全问题：子系统之间的接口需要进行安全保护，以防止数据泄露和攻击，因此需要进行接口安全处理，包括加密、认证、授权等。

接口稳定性问题：子系统之间的接口需要保持稳定，以确保数据的正常传输和处理，因此需要进行接口稳定性处理，包括错误处理、异常处理、容错处理等。

综上所述，子系统对接主要包括数据格式、接口协议、数据传输、接口安全和接口稳定性等方面，需要针对具体应用进行分析和解决。

开发人员应尽可能熟悉子系统对接过程中遇到的各类协议、数据标准、接口定义等事项。

图 物图实施的某CIM运维平台对接智能化子系统界面

9.7 应用基础功能封装问题

在三维应用中，需要封装以下几个方面的功能：

三维模型加载和显示功能：封装三维模型加载和显示功能，包括模型格式解析、纹理贴图、材质设置、光照计算等，以便在应用程序中方便地加载和显示三维模型。

交互式操作功能：封装交互式操作功能，包括鼠标、键盘等输入设备的响应和处理，以便在应用程序中方便地实现用户交互。

动画和特效功能：封装动画和特效功能，包括骨骼动画、粒子系统、物理引擎等，以便在应用程序中方便地实现动画和特效效果。

场景管理功能：封装场景管理功能，包括场景的创建、编辑、保存和加载等，以便在应用程序中方便地管理和操作场景。

物体选择和编辑功能：封装物体选择和编辑功能，包括物体的选择、移动、旋转、缩放等，以便在应用程序中方便地编辑和操作物体。

碰撞检测和物理模拟功能：封装碰撞检测和物理模拟功能，包括物体之间的碰撞检测、重力模拟、碰撞反应等，以便在应用程序中方便地实现物理效果。

数据导入和导出功能：封装数据导入和导出功能，包括场景数据、模型数据等的导入和导出，以便在应用程序中方便地进行数据交换和共享。

综上所述，三维应用中需要封装的功能主要包括三维模型加载和显示、交互式操作、动画和特效、场景管理、物体选择和编辑、碰撞检测和物理模拟、数据导入和导出等方面，通过封装这些功能可以方便地实现三维应用程序的开发和维护。

9.8 代码复用性问题

三维可视化应用同常规应用不同，在三维交互与呈现上需要叠加业务数据和业务逻辑，因此程序开发过程中应尽可能以封装方法的形式开发功能，从而提高开发效率，避免同一功能在不同项目中反复编写的问题。

模块化设计：将程序分解为多个模块，每个模块实现一个特定的功能，模块之间通过接口进行通信，以便在不同的应用程序中重复使用这些模块。

标准化接口：设计和实现标准化的接口，以便不同的模块之间进行通信和交互，从而提高模块的可重用性和互操作性。

通用算法和数据结构：设计和实现通用的算法和数据结构，以便在不同的应用程序中重复使用这些算法和数据结构，从而提高程序的效率和质量。

组件化开发：将程序分解为多个组件，每个组件实现一个特定的功能，组件之间通过接口进行通信，以便在不同的应用程序中重复使用这些组件。

开发框架和库：设计和实现通用的开发框架和库，以便在不同的应用程序中重复使用这些框架和库，从而提高程序的效率和质量。

综上所述，程序复用性问题主要包括模块化设计、标准化接口、通用算法和数据结构、组件化开发和开发框架和库等方面，通过这些方法可以提高程序的可重用性和互操作性，从而提高软件开发的效率和质量。

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