3D Tiles 之 Geometry Error 介绍

在 3D Tiles 数据格式中，几何错误（Geometry Error） 是指由于几何体简化或分块（tiles）处理过程中，产生的可视差异。简而言之，几何错误是表示某个 Tile 的简化几何体与其源几何体之间的偏差，这种偏差通常会影响渲染效果。本文将重点介绍其中一个重要的几何错误度量：屏幕空间误差（Screen-Space Error, SSE）。

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什么是屏幕空间误差（SSE）？

屏幕空间误差（SSE）是一种评估和度量3D Tiles 中几何简化的有效性和准确性的方法。它描述的是，简化后的 Tile 在屏幕上呈现时，与其完整（原始）几何体相比，可能会出现的视觉差异。

具体来说，SSE 衡量的是一个 Tile 在被简化并呈现时，其简化几何体与完整几何体之间的差距，在屏幕像素级别的误差。简化几何体的表现通常是通过减少顶点数、减少三角形数量等方式来优化性能，但这种简化也可能导致一定的视觉失真。

如何计算 SSE？

SSE 的计算依赖于几个因素，包括简化后的几何体与原始几何体之间的差距、视角、摄像机距离等。一般来说，SSE 计算可以通过以下步骤进行：

简化几何体：首先对原始几何体进行简化，生成一个简化版本的几何体。简化的程度通常由细节层次（Level of Detail, LOD）控制，LOD 越低，几何简化程度越高，误差也可能越大。
渲染简化几何体：将简化后的几何体与原始几何体一起进行渲染，计算每个像素的差异。
误差计算：对于每个像素，计算简化几何体和原始几何体之间的差异，并汇总所有像素的误差，得到一个总的 SSE 值。

使用 Cesium API 计算 SSE

在 Cesium 中，计算 SSE 需要借助 Cesium3DTileFeature 类中的相关 API，通过对比简化后的 Tile 和原始几何体的差异来估算 SSE。下面是一个计算 SSE 的简单示例：

javascript 复制代码

// 初始化Cesium Viewer
const viewer = new Cesium.Viewer('cesiumContainer');

// 加载3D Tiles模型
const tileset = viewer.scene.primitives.add(new Cesium.Cesium3DTileset({
    url: 'path_to_3d_tiles/tileset.json'
}));

// 定义计算SSE的函数
function calculateSSE(tileset) {
    const tile = tileset._root;  // 获取最根部的Tile
    const boundingVolume = tile.boundingVolume;  // 获取Tile的包围体

    // 获取摄像机位置
    const camera = viewer.camera;
    const cameraPosition = camera.positionWC;

    // 计算Tile与摄像机之间的距离
    const distance = Cesium.Cartesian3.distance(cameraPosition, boundingVolume.center);

    // 获取Tile的屏幕空间大小
    const screenSpaceSize = tile._contentBoundingVolume.boundingVolume.boundingVolume.boundingVolume.radius;

    // 使用SSE公式估算误差
    const SSE = screenSpaceSize / distance;

    console.log(`SSE: ${SSE}`);
    return SSE;
}

// 监听tileset加载完成
tileset.readyPromise.then(function() {
    // 在Tileset加载完成后，计算SSE
    calculateSSE(tileset);
});

示例 `tileset.json`

在 Cesium 中，tileset.json 是一个 3D Tiles 数据集的根配置文件，定义了整个 tileset 的结构、位置、细节层次（LOD）等信息。以下是一个简单的 tileset.json 示例，展示了如何定义一个基本的 3D Tiles 数据集。

json 复制代码

{
  "asset": {
    "version": "1.0",
    "generator": "3D Tiles Tools"
  },
  "tilesetVersion": "1.0",
  "root": {
    "boundingVolume": {
      "region": [
        -1.31968,  // 西经
        0.69887,   // 南纬
        -1.31965,  // 东经
        0.69891,   // 北纬
        0,         // 最低海拔
        1000       // 最高海拔
      ]
    },
    "geometricError": 500,  // 根节点几何误差
    "refine": "REPLACE",
    "content": {
      "url": "tile0.b3dm"
    },
    "children": [
      {
        "boundingVolume": {
          "box": [
            -1.31966,  // 西经
            0.69888,   // 南纬
            -1.31964,  // 东经
            0.69890,   // 北纬
            0,         // 最低海拔
            500        // 最高海拔
          ]
        },
        "geometricError": 250,
        "content": {
          "url": "tile1.b3dm"
        }
      },
      {
        "boundingVolume": {
          "box": [
            -1.31965,  // 西经
            0.69889,   // 南纬
            -1.31963,  // 东经
            0.69892,   // 北纬
            0,         // 最低海拔
            500        // 最高海拔
          ]
        },
        "geometricError": 250,
        "content": {
          "url": "tile2.b3dm"
        }
      }
    ]
  }
}

在这个 tileset.json 文件中：

asset 部分定义了文件的版本和生成工具。
root 定义了根节点的信息，包括该 Tile 的包围体、几何误差、内容和子 Tile。
boundingVolume 用于定义 Tile 的包围体（可以是 region 或 box 等）。
geometricError 控制了 Tile 的简化程度，也影响 SSE 的计算。
content 指向该 Tile 对应的 .b3dm 文件，存储了 3D 模型的二进制数据。

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SSE 的意义

SSE 的意义在于，它帮助开发者平衡性能和视觉效果。在 3D Tiles 数据中，Tile 是用于管理大规模场景的一个重要单位，通过将模型分割成多个 Tile，可以有效地提高渲染性能，尤其是在地理信息系统（GIS）和城市建模等领域中。

简化与细节的权衡：当 Tile 被简化时，虽然可以减少渲染的计算量，提升性能，但简化过度可能会导致 Tile 的视觉效果变差，影响最终用户的体验。SSE 作为一种度量标准，帮助开发者确定简化的程度是否合适，是否会产生不必要的视觉误差。
Level of Detail（LOD）控制：通过设置合适的 SSE 阈值，开发者可以控制每个 Tile 在不同距离下的简化程度。例如，在远距离观察时，可以允许更大的误差，以提高性能；而在近距离时，则需要尽量保留更精确的几何体来避免影响视觉效果。

SSE 在 3D Tiles 中的应用

在 3D Tiles 中，SSE 被广泛应用于优化 Tile 的显示性能。例如，在一个大型城市的 3D 建模场景中，可能会有数以万计的建筑物，每个建筑物都有多个 Tile。当用户从远处查看整个城市时，只需要渲染较为粗略的几何体，而当用户靠近某个建筑时，系统会自动加载更高细节的 Tile。这种基于 SSE 的动态 LOD 策略，可以大幅度提高性能，同时保证视觉质量。

结论

屏幕空间误差（SSE） 是一种重要的几何简化度量工具，广泛应用于 3D Tiles 的优化过程中。通过合理的 SSE 计算和控制，开发者能够在性能与视觉效果之间找到最佳平衡点，特别是在大规模场景渲染中。它使得开发者能够在优化渲染效率的同时，确保用户体验不受显著影响。随着 3D Tiles 和相关技术的不断发展，SSE 将继续扮演着至关重要的角色。

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3D Tiles 之 Geometry Error 介绍