序
虚拟现实是近年来发展起来的高新技术，三维图形引擎是实现虚拟现实的软件基础。利用计算机高速计算，仿真产生一个虚拟的三维空间，让用户拥有视觉、听觉、触觉等感官模拟，就像体验自己所处的环境一样，可以实时、无限制地观察和体验三维空间中的一切。
随着虚拟现实的应用越来越多，三维图形引擎在游戏娱乐、军事、航空航天、城市规划、地质勘探、实时仿真等领域都不可或缺。在数字化改革的浪潮中，越来越多的企业开始转向3D图形引擎的开发团队。
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3D图形引擎的来源
在三维图形引擎出现之前，虚拟现实板块的主要内容包括实时三维图形生成技术、多传感器交互技术和高分辨率现实技术，其软件技术基于三维图形渲染技术。
目前三维图形技术的底层图形开发包主要有三类：
微软开发的Direct3D，基于XNA技术。由其衍生的. Net框架平台，以及浏览器的Silverlight技术；Khronos工作组的OpenGL，用于移动3D图形开发的OpenGL ES和WebGL用于网络三维开发；Adobe的Flex，可以在安装了Flash的系统或浏览器中运行。
三种图形开发包都属于底层图形开发包。对于开发者来说，直接接触底层技术会面临学习更专业的知识和算法，增加开发难度，降低开发效率。
为了提高开发效率以及使得开发变得简便，一种被称为“三维引擎”的中间件被开发出来。
简单来说，就是在传统3D底层图形技术的基础上，把硬件操作和3D图形算法封装起来，形成一个通用的3D交互引擎，这个引擎包括一些子引擎，比如物理引擎、脚本引擎、渲染引擎等。它为开发人员提供了一个简单而实用的3D图形环境。基于三维交互引擎，对虚拟现实、三维交互和可视化管理平台进行二次开发，大大提高了开发效率，提高了稳定性，降低了底层技术的研发成本。
(3D图形绘制工具的比较)
02
三维图形引擎的基本框架
一个优秀的3D图形引擎具有阴影效果、光源、粒子特效、骨骼动画、碰撞检测、人机交互等功能。根据3D引擎的功能，主要分为以下几个模块：系统模块、控制模块、底层渲染模块、数据存储模块、游戏界面和插件模块等。
(发动机架构图)
三维图形引擎实现各种高级图形功能，其中控制模块主要实现各模块之间的调用，包括场景渲染、程序配置、用户输入、场景音效等。OpenGL和Direct3D在工作时，会进一步调用底层显示硬件来完成渲染工作。
三维图形引擎中各模块之间的组织关系会影响引擎的性能，因此在引擎的开发中要处理好各模块之间的组织关系。
03
三维图形引擎系统模块
该模块是三维引擎的一部分，与计算机通信，准确地说是与机器本身通信。一个引擎是否优秀，取决于它的系统模块能否移植到不同的平台上。
一个优秀的3D引擎移植到平台上，唯一需要改动的地方就是它的系统模块。
我们可以将系统模块进一步分为几个子系统，即：图形子系统、输入子系统、声音子系统、时间子系统和配置子系统。主模块负责初始化、更新和关闭所有子系统。
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三维图形引擎的绘制原理
对绘制过程的一个理解就是把它看成是一系列的变换过程，把物体从编码的坐标系带入显示面的坐标系。这个过程有时被认为是一个渲染管道，被描述为一系列的空间。通过这些空间，对象从数据库迁移到显示屏。
现有的基本三维图形渲染库，如OpenGL和Direct3D，都采用传统的图形渲染流水线。这种基本的流水线设计在计算机图形学发展的早期就已经出现，并随着硬件技术的不断发展而不断增强和扩展，但基本原理至今未变。
使用OpenGL、Direct3D等三维API(即基础三维图形绘制库)绘制三维场景的整个流程。
数据预处理数据预处理包括：将建模后得到的场景中物体的几何模型数据转换成3D API可直接接受的基本图元形式，如点、线、面等；图像数据的预处理，如纹理图像，包括图像格式转换、图像质量改善、金字塔生成等。
参数设置在渲染3D场景之前，需要设置相关的场景参数值。这些参数一般包括光源属性(反射光、漫射光、环境光)、光源位置(距离和方向)、明暗处理方法(平坦或平滑处理)、纹理映射方法等。此外，还需要设置视点位置和视线方向。
纹理映射纹理贴图的目的是在模型表面粘贴纹理图片，从而获得逼真的场景。这里的纹理映射是指纹理的定义和应用。
模型构造模型构建是指整个场景模型的几何重建，即根据3D API中的相关命令函数将模型数据“组装”成场景模型。
投影变换投影变换是将一个地图投影点的坐标变换到另一个地图投影点的坐标的过程，是生成三维场景的重要基础和关键步骤。投影变换一般分为透视投影变换和正投影变换，3D API中常用透视投影变换。
视口变换视口是指计算机屏幕上的矩形绘图区域。视口变换的目的是将三维空间坐标映射到计算机屏幕上的二维屏幕坐标。
整个流程的最终结果就是在计算机屏幕上显示出的整个三维场景的二维图像。
(3D场景绘制过程)
虚拟现实引擎和游戏引擎的基本理论基础是完全一致的。随着硬件性能和相关理论的进步，虚拟现实引擎和游戏引擎的功能定位会逐渐重合。虚拟现实引擎将更加注重模拟细节和特效的表现，游戏引擎将逐渐为超大规模模拟提供支持。两者都有合二为一的趋势，对GPU、多线程、多CPU、分布式计算等的支持。更完美。高级照明、流体模拟、软件模拟等。过去只能用于非实时渲染技术。
随着信息时代和大数据时代的发展，我们现在可以以更快的方式处理信息。因此，在一些传统计算机辅助软件的应用中，也出现了大量针对移动设备的软件。建筑工程行业也是如此。随着BIM技术的应用，对BIM模型数据进行深层次处理的软件和方法应运而生。轻量化BIM逐渐成为现代建筑工程设计的发展趋势之一。
05
国内外轻量级BIM引擎的发展现状
随着BIM技术的不断发展，BIM技术的应用需求不仅仅局限于模型和基于模型的应用。经过方案呈现、BIM建模、应用两个阶段，逐步升级为基于BIM平台的信息管理模式。“模型是基础，管理是核心”的理念已经成为BIM应用的主流方向。由此，BIM轻量级平台的开发被提上日程，受到人们的高度关注。
轻量级BIM技术是指工程建筑的BIM模型建立后(使用专业的BIM建模软件，如AutodeskRevit、DSCatia等)，通过压缩BIM模型，使BIM可以在各种WEB浏览器和手机app中使用的技术。).传统的轻量级BIM引擎在国外出现的比较早。基本上从2013年开始，使用WebGL技术的轻量级BIM引擎开始出现。
目前国外已经出现了很多开源的轻量级引擎，比如XBIM、BIMServer等，主要集中在美国。同时，Autodesk也推出了自己的WebGL轻量级BIM引擎A360。
2015年以来，国内WebGL轻量化发动机涌现出一批具有代表性的厂商和产品，如广联达的BIMFace、蒋冰科技的黑洞发动机等。目前在BIM轻量化引擎产品方面，国内产品与国外基本处于同一技术水平，国产产品在国产化能力和服务能力上更具优势。
BIM工程软件在国内的局限性比较大。BIM技术的应用仅限于工程量计算、套价等独立环节。要解决的主要问题是技术性和离散性，难以满足一体化建筑方案设计和建设项目管理全过程的需要。
目前国内的BIM核心软件还处于研发阶段，在建立模型、分析模型、设计仿真等方面还需要向其他国家学习。短期内更符合中国国情的项目管理软件还没有相应的技术基础和技术准备时间。
06
轻量级BIM引擎的开发需求
在建筑工程领域，一些BIM轻量级引擎已经可以实现设计协同，虽然在设计管理和信息技术方面还有改进和优化的空间。但是在后续的建设阶段，甚至是运营阶段，尤其是BIM在管理方面的应用，仍然存在很多困难，或者说其具体需求没有得到满足，阻碍了BIM的应用。
总的来说是建筑行业本身的复杂性造成的。比如不同的项目有各种不同，周期长，不可预见的问题多，工作边界不稳定，分工变化，有些环节要处理方便。与工厂生产线相比，它的步骤、环节、要求、标准都会相当清晰和一致。
管理工作充满变化
管理总是充满着调整和变化，尤其是在建筑行业，所以管理信息系统的许多功能都被设计成可配置的，以适应这种调整和变化。为了降低发布和调试的复杂性，通常采用浏览器/服务器架构。目前BIM的图形桌面这种“重”应用很难适应，即使可以二次开发，也很大程度上依赖于原有平台，因此不容易迁移。
管理信息与模型细部交互联动
只有将各种详细信息组织成一个有机的整体，管理才能有效地工作。因此，管理信息需要与模型的细节(如分部、子项、组件甚至零件)建立关系，并使它们随着管理信息的变化而有序变化。然而，管理信息本身具有复杂的关系和结构特征，因此不适合以分散的方式将管理信息存储在模型的数据结构中。它只适合将管理信息与模型及其细节关联起来，然后根据管理需要进行交互。
建筑工程不是批量标准产品
施工项目大多是特例，不是批量标准产品，没有技术冻结的概念，进入施工后会根据实际情况进行调整和修改。所以模型在构建过程中会有版本迭代，会和管理信息动态匹配。此外，模型版本迭代的频率通常远小于管理信息的变化，因此适合将模型缓存在客户端，版本迭代时只进行本地更新，减少了模型显示操作时的数据通信，提高了操作响应性能。
实际管控中，BIM只需做局部显示联动
在实际操作中，大部分的管理都是对本地信息的操作，对应的BIM只需要本地展示链接即可。因此，采用局部策略来减轻重量是非常合适的。其他的，比如遮挡剔除和场剔除，可以同时应用。但在展示模型时，需要以适当的方式展示这部分与整体的关系，以方便用户理解。
一线设备硬件资源有限、性能不佳
一线管理，考虑到操作方便，会引入各种操作终端设备：扫描仪、听筒、平板、触摸屏等。有Windows、Android等各种操作系统平台，部分设备硬件资源有限，性能较弱。这些因素要求BIM具有足够的可移植性
建筑工程拥有海量的工程信息和数据，这些信息的渠道和类型具有多样性和复杂性的特点。仅依靠人力对信息进行整理和分析，不仅需要花费大量的时间和精力，而且容易因人为失误影响信息分析的准确性，无形中增加了决策失误的风险概率。
BIM技术引入建设项目信息管理后，可以利用其强大的功能高效地完成信息分类整理，同时BIM技术可以快速地将信息传递给GIS技术，保证了信息传递的及时性和有效性。收到信息后，GIS技术会快速分析信息。通过分析这些有效的工程数据和信息，可以发现施工过程中的不足和缺陷，为管理者改进施工方案和调整管理方法提供依据。
在利用BIM-GIS技术进行信息管理的过程中，信息根据来源的不同可以分为内部信息和外部信息。内部信息是指企业所涉及的一些建设要素，如施工合同、方案、工程造价、可行性报告等。外部信息是指与企业外部环境变化要素相关的一些不可控信息，如国家政策调整、市场价格波动、行业竞争等。
07
随着BIM应用用户的扩大，BIM模型的体量越来越大，BIM的轻量级引擎需要提供更高的模型处理性能和WEB端性能，因此需要采用集群等多服务器架构来提高并发处理能力，保证高性能和稳定性。
由多个服务器组成的松散耦合的计算节点集合，相互协作为用户提供应用程序、数据和资源，在内部提高服务器的可靠性和信息处理能力，保证服务器的连续运行。
行业请求的URL更倾向于图片、静态页面和动态内容。针对图形处理，针对服务器的并发处理能力设计最优并发策略，充分发挥服务器的性能。当服务器同时处理更多的请求时，可以更加充分合理的利用CPU计算和I/O操作，从而保证较大并发用户发送请求时，站点质量不会受到太大影响。
BIM+GIS 融合
随着运维阶段BIM应用的不断拓展，BIM轻量级引擎必须面向运维，为IOT设备和数据的集成提供更多的仿真功能。比如水流、水流、物体运动、光照、烟雾、火焰、温度场、气流的模拟。
简单来说，建立模型的过程就是信息处理的过程。通过对真实系统的了解，建立一个能够准确模仿真实系统本质的模型，进而得出真实有效的结论，减少真实施工过程中可能走的弯路，改善建筑工程施工安装中可能出现的失误，保证建筑工程在施工安装过程中的及时性和准确性。
服务器集群并发处理能力
随着运维阶段BIM应用的不断拓展，BIM轻量级引擎也必须具备修改BIM模型的功能，以满足非专业用户在运维阶段的应用需求。
在工程模拟施工过程中，非专业用户可以通过建模信息的全方位展示，参观实际建筑和环境施工的实际施工过程，监督复杂建筑结构的施工，并通过BIM在WEB上的轻量级编辑功能，根据施工现场的实际需求在云端编辑模型，大大提高了与施工现场的沟通效率，提高了现场施工人员的工作效率， 并发现建筑模型的错误和建筑设计结构的不合理之处，及时对发现的问题做出合理的反应。
面向运维管理，提供模拟仿真功能
AR是未来工程建筑领域最重要的应用技术之一。作为IOT与3D te融合的最佳代表
为提升VR BIM建筑设计效果，打造核心竞争力，前置VR技术在建筑营销展示中的应用日益成熟，在建筑设计中的整合正在进行。最初的融合体现在建筑设计中的VR插件，为建筑设计提供帮助。VR插件不仅可以提供身临其境的体验，还可以捕捉用户手部的动作，代替鼠标操作3D模型。
结合VR BIM轻量级平台，可以有效提高BIM轻量级平台的使用效果，促进其普及。
未来BIM轻量化的应用，就是拉近用户与建筑行业的距离，让建筑设计的交流更容易与用户对接。借助BIM轻量级平台，方便用户在音频、视频等多种感官的交流下，更便捷地获取模型。在BIM建模的使用上，利用现场可视化也可以更好的将管控结合起来，从而保证项目精细化和信息化管理的实现。
中共中央发布的《十四个五年规划和2035年远景目标纲要》要求：“加快数字化发展，建设数字中国。加快数字社会建设步伐，提高数字政府建设水平，将数字技术广泛应用于政府管理服务”。
在国家政策的推动下，中国正在快速向智能制造转型。软件是中国制造业的核心基础。如果没有自主核心工业软件的支持，中国将很难创造知识产权。
在俄乌战争、中美贸易战等严峻的国际形势下，缓冲西方国家对中国的封锁和打压，首先是发挥机制和体制优势，弥补关键技术容易被人“卡住”的短板，实现中国“芯”的自主可控。作为图形处理软件的“核心”，三维图形引擎也起着重要的战略作用。
在时代发展的大背景下，越来越多的国内科技企业自主研发图形引擎，并逐渐崭露头角。除了游戏领域，尤其是建筑行业，对三维引擎的需求越来越大，对产品和服务的需求也逐渐升级。这两方面有利于国内三维发动机市场“破土而出”，为企业发展提供“土壤”。
蒋冰科技顺应时代发展趋势，始终专注于三维图形引擎和数字智能管理系统的研发，致力于为工程、智慧城市等领域提供全面的可视化管理解决方案。其自主研发的“黑洞”图形引擎性能卓越，可平滑加载多源异构数据，轻松应对超大场景海量数据的全景展示和局部细节的精细渲染。R&D相关产品已在大型桥梁、市政道路、轨道交通、水利水电、民用建筑等各类项目中得到深度应用，成功帮助每个项目实现精细化管理。
在互联互通高速发展的几十年里，国产研究、国产替代让中国在很多角落都有了弯道超车的机会，但最难的基础软件却没有捷径可走。我们认为，只有筑牢中国自主研发的技术壁垒，形成国产软件的生态内循环，才能充分应对国际形势，在动荡中谋求长远发展。
随着云计算、5G、大数据、物联网、VR等信息技术的发展。3D图形引擎被不断地应用到各个领域的虚拟现实系统中。在国内替代的大背景下，国有专有软件迅速崛起，蒋冰科技不忘初心。在不断加强科技创新的同时，愿与同行锐意进取，共同赋能行业数字化发展。
部分文章参考(侵删):
[1]浅析BIM轻量级平台的发展，秦长峰
[2]三维图形引擎概述，魏新亮
[3]下一代三维图形发展趋势研究
渲染引擎的作用是什么
很多设计师应该会喜欢Sketchup，因为它是开源的，用户友好的。此外，顶级渲染插件也经常出现在论坛讨论中。下面赞奇云工作站将为您的项目列出最好的SketchUp渲染引擎，适合初学者和专家使用。为了向您提供最多的选择，我们平衡了您的预算、技能水平和计算要求。
数字建模业务中使用最广泛的渲染插件之一是用于SketchUp的Vray。它最大限度地发挥了SketchUp的能力，这也是大多数专业数字建模师使用它的原因。
VRay的用户界面(UI)除了大量的纹理选择(由于其材质编辑器)和强大的渲染引擎之外，还很有吸引力。由于插件的易用性，用户可以更快地制作出逼真的照片。
VRay并不是最实惠的方案。然而，考虑到工具和信息唾手可得，这是一个明智的购买。
SketchUp最独特的渲染插件之一是Brighter 3D。软件是默默呈现的，考虑到它做了多少工作，令人印象深刻。
Brighter 3D支持多种模式和灯光效果。在渐进无偏模式的帮助下，用户可以在无偏的环境中进行渲染，并立即接收预览或完成的图像。更亮的3D的常规模式确保渲染以非常精细的比例生成，因此人眼看不到，这是用户可以使用的另一个选项。
更亮的3D不需要花哨的显卡，因为它们通过多任务处理和处理器优化充分利用了CPU的能力。他们还提供一个包含100种材料的素材库。用户可以使用提供的试用版免费测试该软件一周。
Thea是SketchUp的渲染器插件，最适合材质设计和效果。渲染器允许Sketchup使用交互式区域渲染进行交互式渲染，并提供雾和云设置。Sketchup的即时响应使设计师能够快速选择并生成设计的指定部分。
Thea还提供了丰富的素材库来满足您的各种需求。程序纹理、位移、色调映射或分层的使用。SketchUp中的内容浏览器和油漆桶工具都提供了对这些库的访问。
此外，您可以下载SketchUp或Thea格式的其他库，从而为您使用SketchUp渲染插件提供更大的灵活性。
最直接的SketchUp渲染插件之一就是LightUp。插件以照明情况为中心。因为它注意到了这个渲染规则，所以它可以提供精确光照的设置。由于LightUp基于对象的渲染技术，您可以立即在SketchUp窗口中看到结果。
它是设计师的理想补充，因为预览和效果可以快速添加到当前的作品中。非常适合模型演示的飞行电影。您还可以使用LightUp，它甚至提供可以在Web浏览器中查看的文件导出。
LightUp是SketchUp的渲染器插件，简单但功能强大，不会影响速度或质量。感兴趣的用户可以免费使用LightUp 30天。
Enscape是SketchUp顶级渲染插件之一，实现了易用性和强大功能集的完美结合。
Enscape for SketchUp插件的用户可以进行真实感渲染、动画、飞越、演练、VR演示。用户可以通过使用云、一天中的时间、白色模式和景深等大气参数来创建情感上迷人的场景。
该平台还简化了与客户和利益相关者的合作。或者批量单独分享360度全景、静止图像、电影。用户可以使用协作注释来识别设计文件中的问题区域，与他们的团队进行交流，并做出更改或请求。
Supoduium是一个有用的Sketchup渲染插件，尽管它并不总是免费的。它使用户能够制作华丽而逼真的模型。
Supoduium的库有逼真的材质，还有太阳、天空和人工灯光效果。这个Sketchup插件简单有效的用户界面是它的好处之一。使用Supoduium，渲染SketchUp模型并不太难。
Supoduium的许多方面都需要你所有的计算机处理器。这使得快速制作高质量照片成为可能。
全景渲染也被添加到Supoduium中。这被称为讲台全景图，可以在球形虚拟现实(VR)环境中看到，它非常适合为您的模型提供独特的边缘。
KeyShot是一个实时3D渲染工具，旨在帮助用户更快地制作高质量的渲染和动画。它与SketchUp集成在一起。该计划提供了快速渲染时间和易于使用的用户界面。
通过使用该平台的灯光、图片和工作室功能，用户可以从750多种预设材料中进行选择或自行构建。KeyShot包括制造和文档功能，除了渲染功能，它还可以帮助您为您的设计创建技术规范。此外，它还具有营销和销售功能，允许您制作图像来吸引更多的客户并获得更多的折扣。
对于寻求支持整个开发周期(从设计的第一阶段到向客户展示和宣传他们的工作)的解决方案的用户来说，KeyShot是一个很好的选择。
IRender nXt除了渲染逼真的图像和提供高质量的输出，还具有提高生产力的功能。它正好适合SketchUp的用户界面，更容易访问。还有一些节省时间的工具，比如后期渲染处理和存储3D模型设置。
在插件的帮助下，新用户和有经验的用户都可以充分利用SketchUp。借助广泛的对象库，用户可以选择各种植物和材料。此外，采光环境也是要考虑的。
IRender nXt可以轻松提供图像预览，用户甚至可以改变渲染时间来满足自己的需求。提供30天的免费试用，这样你就可以自己测试了。
Maxwell是一个强大的渲染工具，可以与Autodesk、SketchUp、PhotoShop和其他CAD程序一起使用。麦克斯韦是为建筑师、设计师和艺术家创造的。它使用户能够使用真实世界的相机、环境照明和各种镜头效果来生成非常逼真的渲染。
为了达到想要的效果，你甚至可以定义渲染环境中存在多少水的设置。此外，一些工具允许你制作逼真的草，皮毛和头发，以及海洋表面。
对于SketchUp Make和Pro的用户来说，Render[in]是一个完全集成的实时光能传递引擎。它使用Artlantis 6.5的渲染引擎，在用户友好的程序中为SketchUp用户提供高清、逼真的渲染。使用ISO和快门参数，您可以轻松地微调场景的照明。Render[inglobal]的光照引擎增强了照片对颜色、纹理和材质的感知。
Render[in]中还包括其他环境选项，包括真实的天空和真实的地面纹理，如草、水和沙子。通过平台上的360度全景，您还可以进行交互式虚拟游览，您可以在任何设备上向客户展示这些内容。
所有SketchUp渲染插件的训练轮都是暮光渲染。虽然它提供了一个素材库，但并不是所有的纹理都包含在它的资源中。但是，如果您正在适应SketchUp并学习制作逼真的模型，Twilight Render是开始学习材质细节的完美地方。
你可以使用暮光渲染插件在SketchUp软件中编辑你的渲染。因此，您将不会收到变形的几何体或丢失的纹理。他们有一个名为“Easy”的渲染模式，以强调暮光渲染对初学者的用户友好性。
鉴于它已经为客户提供了多少，它经常被称为最好的免费SketchUp渲染插件之一。然而，暮光渲染已经得到改善，暮光渲染V2专业版现在可以成为专业设计师的有用工具。
Indirenderer是Sketchup最好的渲染引擎，它可以将不起眼的3D模型变成令人惊叹的艺术品，它是一个中性的GPU和CPU渲染器，可以生成令人惊叹的逼真视觉效果，您可以通过精确的植被、灯光和相机设置来调整这些效果。无需重新渲染设计，可以通过改变温度、亮度等来修改灯光。标尺通过孔径衍射、太阳和天空系统、基于真实物理的材料和内置正交相机进行测量。
上面列出的每个Sketchup渲染插件都有其优点，可以满足不同的用户需求。SketchUp最好的渲染引擎将主要取决于你所从事的项目和你的预算。但是渲染需要高性能的电脑配置才能满足渲染要求，否则带不动，会造成塌陷，影响工作效率。
在这种情况下，没有必要更换高性能计算机。毕竟，购买一台高配置的台式计算机是昂贵的，并且它不能实时满足项目的需要。与传统的台式电脑赞奇云工作站相比，它可以实时更新云配置，根据不同需求选择配置，按需使用，既节省了购买电脑的资金又满足了异地办公的各种需求，效率高。
赞奇云工作站由云工作站、软件中心、赞奇超级云盘、云渲染软件组成。用户登录云工作站后，可以在云工作站完成制作、审核、项目外包等一系列任务。在软件中心，用户可以下载大量专业软件。这些专业软件还具有强大的一键部署和可选切换功能，极大地方便了运营商的操作。此外，软件中心还有智能CAD插件，工作效率至少提高了三倍。