模型工作流：自动化的模型内部三角面剔除

1. 关于自动减面

1.1 自动减面的重要性及现状

三维模型是游戏、三维家居设计、数字孪生、VR/AR等几乎所有三维软件的核心资产，模型的质量和性能从根本上决定了三维软件的画面效果和渲染性能。其中，模型减面工作是同时关乎质量和性能这两个要素的重要工作，一个好的模型减面结果，既能保证模型的渲染品质不会过多降低，又能保证模型面数降到一个合理可用的范围。

但三维模型的减面工作需要耗费大量的人力成本，通常一个模型的减面工作根据模型的复杂程度不同，需要耗费0.5到1人/天的成本，如果模型特别复杂，这个时间还会增加。因此，自动化减面工具的引入能极大提升建模人员的工作效率。

1.2 自动减面的挑战

现有的自动化减面工具，基本上都是基于在1997年发布的《Surface Simplification Using Quadric Error Metrics》（下称QEM算法）这篇论文的实现，比如当前游戏行业最流行的工具 PolygonCruncher 就是基于该论文实现的。该工具能够在保证模型拓扑形状的同时进行减面，最终减面的比例会跟该工具的设定有关，其中轮廓保护程度、纹理坐标保护程度、边角保护程度等等都会影响最终的减面比例，在我们家电场景的实际使用过程中，根据使用经验，一个能保持较高品质的减面比例通常在50%左右，这对于动辄十几万甚至上百万的模型来说，是远远达不到安全可用的要求的。

1.3 QEM算法的开创性和局限性

减面工作本质上是一个基于视觉系统和逻辑判断的事情，建模人员需要通过人眼去观察模型的三角面，并据其与模型的遮挡关系，在脑中判断出这个三角面是否可见，或者说是否应该被剔除掉。所以，想要实现自动减面，要么想办法摆脱对视觉系统的依赖，要么想办法实现一套视觉系统。而QEM算法的思路就是前者。

QEM算法创造性的通过计算出三角网格中每个边的一个特殊度量指标——二次误差，以该指标作为一个三角面是否应该减去的依据，从而绕过了视觉系统，仅通过三维数据的数据计算即可完成减面工作。具体来说，一条边的二次误差越大代表其对该局部区域拓扑结构的影响就越大，就越应该保留下来，反之就越应该减去。

但是QEM算法并非无懈可击，由于不依赖视觉系统，它只能根据对拓扑结构的影响程度来选择要减去的三角面，无法进一步根据三角面的可见性情况进行模型内部三角面的剔除。这也是QEM算法在家电模型减面的场景下表现不佳的根本原因。

关于QEM算法的具体原理，可以查看另一篇文章：《模型工作流：模型减面原理分析及优化思路》

1.4 如何破局

因此，我们可以通过引入模拟的视觉系统，来实现模型内部三角面的识别和剔除，从而让模型能在QEM减面的基础上，进一步的将内部三角面减去，从而实现更高效的减面效率。实现的效果如下图所示：

一个拓扑结构比较复杂的例子

2. 基于深度测试的减面

从生物学上来看，人眼最重要的两个能力是色彩识别、深度识别，其中深度识别就是指大脑能根据两个眼睛的“摄像”结果推断出视网膜中某个“像素点”的空间位置的深度关系。同样，对于减面工作来说，我们需要借助眼睛来判断一个三角面到底是暴露在外部，还是被遮挡在内部，其本质上就是判断两个像素点的深度关系。那么，只要在程序中获取到每个三角面的深度关系，那么我们就能识别出那些三角面是被遮挡的，其基本思路如下：

2.1 基本思路

物体的深度是跟人眼的位置和方向有关的，我们会引入若干个虚拟相机，将它们环绕摆放在模型四周，依次来模拟人眼观察的效果。根据模型的实际使用形态不同，相机的摆放可以灵活设定，一般设置8个朝下看+8个朝上看相机足够应对大部分情况，如下图所示。

在这之后，每个相机会进行拍摄，拍摄的内容是“整个模型”的三角面光栅化后的深度值，以下是其中3个相机的拍摄内容。这样，我们就能从图片中获取到每个像素点位置的深度值，对应的就是该像素位置下的模型表面的深度，也就是d2。

相机1

相机2

相机3

然后，我们需要在程序中，通过空间计算，获取每个三角形的在上述每个相机下的深度值，记为d1。这样，我们依次遍历模型的每一个三角形，计算每个三角形的d1和d2的大小关系，如果d1 > d2，则代表这个三角形的深度比模型表面更深，那么就意味着这个三角形在当前相机位置下是不可见的，如下图所示：

注意，d1的获取我们不能使用光栅化来完成，因为面的数量过大，此时CPU的效率远比GPU一个一个渲染FrameBuffer要高很多。

然后我们每个相机都重复上述操作，记录下每个相机的不可见的三角形的集合，最终把所有这些集合进行一个“取交集”的操作，就能得到在所有相机下都不可见的三角形，这样我们后续就能安全的进行内部三角面的剔除了，伪代码如下：

// 伪代码
-- 遍历每一个相机
for camera in cameras:
    -- 拍摄该相机下的整个模型的深度图
    wholeObjectDepthMap = renderCameraDepthMap camera wholeObject
    -- 遍历改模型的所有物体
    for obj in allObjects:
        -- 遍历该物体的所有三角面
        for face in obj.faces:
            -- 采样该面的关键点
            faceSamplePoints = sampleFacePoints face
            -- 遍历这些关键点
            for point in faceSamplePoints:
                -- 计算关键点的NDC坐标
                ndc = worldToNDCCoord point
                -- 计算关键点的UV坐标
                uv = NDCToUVCoord ndc
                -- 使用UV坐标采样深度图的颜色
                color = readPixel wholeObjectDepthMap uv
                -- 颜色值转深度值，即是d2
                d2 = (1.0 - color/255.0)
                -- ndc坐标系的z值就是d1（根据图形学理论）
                d1 = ndc.z
                -- 如果d1的深度大于d2的深度，那么就代表d1所在的关键点不可见
                if d1 > d2:
                    -- 该三角面的、该点，不可见

2.2 一些优化点

2.2.1 深度精度优化

为了尽可能提升深度值的精度，我们需要把相机视锥参数调整到“恰好包裹起整个物体”的状态，这样才能尽可能的减少相机的near平面和far平面的距离，以此来提升深度精度。

注意，这里我们使用正交投影相机，视锥在程序内部是一个长方体（如图中白色虚线所示），而不是锥形。

2.2.2 三角面关键点

考虑到一个三角面被遮挡的情况千奇百怪，比如可能中间被遮挡边角露出，也可能反过来。因此对三角面的关键点选取数量越多，我们的判断精度就越高。但是三角面数量越多，我们的计算耗时就越大，这需要权衡。经过实践，在三角形的边角和中心区域共6个点可以应对绝大部分情况。

2.2.3 预剔除

有一些物体它本身已经完全隐藏在另一个物体内部，此时这个物体其实可以整个抛弃，没必要再判断每个三角形的可见情况。实现思路也很简单，除了拍摄整个模型的深度图，然后每个物体也拍一个深度图。

伪代码如下：

// 伪代码
-- 遍历每一个相机
for camera in cameras:
    -- 拍摄该相机下的整个模型的深度图
    wholeObjectDepthMap = renderCameraDepthMap camera wholeObject
    -- 遍历改模型的所有物体
    for obj in allObjects:
        -- 拍摄该相机下的“单个物体”的深度图
        objectDepthMap = renderCameraDepthMap camera obj 
        objectBBoxWorld = getObjBBox obj
        objectNDCRange = worldToNDCRange objectBBoxWorld 
        -- 获取UV的坐标范围，如上图红框所示
        objectUVRange = NDCToUVRange objectNDCRange
        -- 遍历两张图在该坐标范围内的像素颜色，进行深度值的判断
        for u in objectUVRange.rows:
            for v in objectUVRange.cols:
                color2 = readPixel wholeObjectDepthMap uv
                color1 = readPixel objectDepthMap uv
                
                d2 = (1.0 - color2/255.0)
                d1 = (1.0 - color1/255.0)
                
                if d1 > d2:
                    -- continue
                else
                    -- exit 有一个像素可见，那么整个物体都可见，直接退出循环

2.3 自动减面效果测试

基于深度测试的减面方法是通用的，因此对于各种品类的家电家具模型都有非常好的效果，相比于传统的基于QEM算法的减面方案，减面效率得到了巨大的提升。

品类	产品	原始面数	纯QEM算法方案	深度测试方案（配合QEM减面）
电饭煲	HRC-FS4042A-FN01D0028	3.3w	1.1w 减面比例：66%	0.52w 减面比例：84%
电水壶	FM00E0000	9.2w	2.8w 减面比例：69%	0.74w 减面比例：92%
吸油烟机	海尔-家用-吸油烟机-CXW-258-EC967U1	12w	7.5w 减面比例：36%	0.83w 减面比例：93%
净水器	卡萨帝-反渗透-净水机-600G-CRO600-DFBGU1	15w	9.6w 减面比例：36%	1w 减面比例：93%
用水	圆镀铬龙头HJ2107	12.5w	8.4w 减面比例：33%	0.5w 减面比例：96%
智能浴霸	海尔-智能浴霸-X3U1	12.6w	7.2w 减面比例：43%	0.78w 减面比例：93%
热水器	卡萨帝-电热-热水器-80L-CES80H-PROS3CEK02U1	39w	21w 减面比例：46%	2.9w 减面比例：92%
洗衣机	海尔-滚筒-洗衣机-10kg-G100318B14LS	59w	43w 减面比例：27%	10w 减面比例：83%
电视	卡萨帝-液晶电视机-K85E10	62w	56w 减面比例：9%	13w 减面比例：79%
壁挂空调	海尔-挂机-空调室内机-2匹-KFR-50GW18MEA83U1套机	66w	59w 减面比例：10%	2.7w 减面比例：96%
柜式空调	海尔-柜机-空调室内机-大3匹-KFR-72LW17DAA81VU1	79w	63w 减面比例：20%	11w 减面比例：86%
冰箱	卡萨帝-多开门-电冰箱-550L-BCD-550WLCFPA4YBU1	150w	70w 减面比例：53%	17w 减面比例：89%

3. 团队介绍

「三翼鸟数字化技术平台-筑巢自研平台」依托实体建模技术与人工智能技术打造面向家电的智能设计平台，为海尔特色的成套家电和智慧场景提供可视可触的虚拟现实体验。智慧设计团队提供全链路设计，涵盖概念化设计、深化设计、智能仿真、快速报价、模拟施工、快速出图、交易交付、设备检修等关键环节，为全屋家电设计提供一站式解决方案。