全面了解3D Tiles
一、3D Tiles介绍
Cesium是一个虚拟地球三维平台，可视化范围上至太空中每一颗卫星，下至地面上每一幢建筑物。为了实现数字地球（Digital Earth vision）的蓝图，使连接世界上的地理空间数据成为可能，就要用到3D-Tiles。
3D-Tiles是一个用于流式（stream）传输大规模、异构的三维空间数据集的开放规范（open specification）。为了在Cesium地形和影像成流技术的基础上拓展功能，需要用3D Tiles成流三维数据，包括建筑物，树，点云和矢量数据。
简单点说，3D Tiles是在gltf的基础上，加入了分层LOD的结构后得到的产品，专门为大量地理3D数据流式传输和海量渲染而设计的一种格式，是webGL框架Cesium的专用格式。
主要有以下几个特点：
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Open
3D Tiles是一个开放式规范，在Cesium中具有开源实现。
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Optimized for streaming and rendering（针对流和渲染进行了优化）
3D Tiles主要是对大规模异构数据集的成流和渲染进行优化。3D Tiles的基础是一种空间数据结构，它支持层次结构细节级别(HLOD)，只有可见的图块才会被流式传输。
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Interactive（交互式）
3D Tiles支持交互式选择和样式，可以单独进行模型交互。比如鼠标悬停显示建筑物、使用ID查询数据。
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Styleable（设置样式）
单个模型的元数据可以在运行时用于着色而无需编写代码，样式可以即时更改。
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Adaptable（适应性）
为了满足灵活性的需求，树可以是任何具有空间相干性的空间数据结构，包括k-d树，四叉树(quadtrees)，八叉树(octrees)，格网(grids)。
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Flexible（灵活）
传统的2D地图图块，当用户放大时，可见的地图图块将被更高分辨率的地图图块替换，这称为细化。
而3D数据集则可以在子图块下载时呈现，这称为添加剂细化，具有更大的灵活性。
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Heterogeneous（异构的）
3D数据集没有可以适合所有的尺寸，批量模型需要来自实例模型的不同表示，以及来自点云的不同表示等。
3D Tiles通过启用自适应细分，灵活细化和可扩展的切片格式集支持异构数据集。
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Precise（精确）
3D Tiles提供全精度几何，避免抖动伪像，无需存储双精度值。
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Temporal（时间动态）
Cesium专为时间动态可视化设计，例如卫星、无人机。
3D Tiles数据集（又称为tileset）是由一系列tile组成的树状结构。每一个tile都有一个包围体完全包围它的内容(content)。树具有空间相关性，子tile的内容完全包含在父tile的包围体内。
一个tile代表一个要素或者一个要素集，如建筑物为代表的3D模型、点云中的点和向量数据集中的点。每个tile可以引用以下四种格式中的一种：
- Batched3DModel
- Instanced3DModel
- PointCloud
- Composite
tile的内容（tile格式的一个单独实例）是一个二进制块，具有特定于格式的组件，包括功能表（Feature Table）和批处理表（Batch Table）。
批处理3D模型和实例3D模型格式基于glTF建立，glTF是为有效传输3D内容而设计的开放规范。这些格式的图块内容在二进制主体中嵌入了glTF资源，其中包含模型几何和纹理信息。点云格式未嵌入glTF。
tile以树形结构组织，其中结合了详细层次结构（HLOD）的概念，可最佳呈现空间数据。每个tile都有一个包围体积(bounding volume)属性，一个对象定义了一个完全包围其内容的空间范围。树具有空间连贯性；子tile的内容完全在父级的包围体积之内。
树可以是任何具有空间相干性的空间数据结构，包括k-d树，四叉树(quadtrees)，八叉树(octrees)，格网(grids)
二、3D Tiles的文件规范和单位
1. 扩展名
- Tileset使用.json扩展名；
- Tile的内容使用上述的四种类型(b3dm,i3dm,pnts,cmpt等)；
- 样式文件也使用.json扩展名
2. JSON的编码规范
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JSON必须使用没有BOM的UTF-8编码。
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所有字符串（属性名称，枚举）仅使用ASCII字符集，并且必须以纯文本形式编写。
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JSON对象中的名称（键）必须唯一，即不允许重复的键。
3. URIs
- 3DTiles中的tiels使用URIs来指向外部引用，也可以将资源嵌入JSON的数据，和glTF引用二进制文件或者直接包含数据在JSON中的方式一样。
4. 单位
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所有线性距离的单位是米。
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所有角度均以弧度为单位
5. 坐标系
- 3D Tiles使用右手笛卡尔坐标系，整体坐标系为WGS 84坐标系，但是WGS 84坐标系并不是必须的，也可以只有自己局部坐标系，不定义全局坐标系。
- 区域边界体积使用地理坐标系（纬度，经度，高度），特别是EPSG 4979来指定边界
三、格式介绍
1. Geometric error(几何误差)
根节点是源几何图形的最简化版本，是最粗糙的模型，其几何误差最大。然后，每个连续级别的子级将具有比其父级低的几何误差，而叶子节点的几何误差为0或接近0。
在不同视距、不同视角、不同分辨率下，几何误差都是不同的，几何误差是根据度量标准制定的。通常，较高的几何误差表示将更快的优化tile，并且将更快地加载和渲染子tile。
2. Refinement(细化方式)
细化确定了较低分辨率的父tile被选择渲染的子级时渲染的过程。 允许的细化类型为替换（“ REPLACE”）和添加剂（“ ADD”）。
如果tile具有替换细化，则将渲染子tile代替父tile，即不再渲染父tile，即REPLACE是在Tile从低Lod到高Lod时，将低Lod的数据直接移除，用高Lod的数据替换。 如果tile具有添加剂细化，则除了父tile之外，还将渲染子代。
ADD方式是一种非常好的方式，是一种增量的LOD策略，能减少数据的传输
3. Bounding volumes(包围体)
简单点理解是能将三维对象完全包住的最小的几何体。3D Tiles有三种包围体：
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Bounding box:box属性是一个由12个数字组成的数组。 前三个元素定义框中心的x，y和z值。 接下来的三组元素分别定义x，y，z轴方向和半轴长度
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Bounding region:region属性是一个由六个数字组成的数组，这些数字用纬度，经度和高度坐标定义了地理区域，其坐标顺序为[西，南，东，北，最小高度，最大高度]。 纬度和经度在EPSG 4979中定义的WGS 84基准中，以弧度表示。 高度在WGS 84椭圆形上方（或下方）以米为单位。其每条边都和坐标轴平行。
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Bounding sphere:sphere属性是由四个数字组成的数组，这些数字定义了一个最小包围球。 前三个元素定义了在右手3轴（x，y，z）直角坐标系中x轴的x，y和z值，其中z轴位于上方。 最后一个元素以米为单位定义半径。
蓝色是region包围框，每条边都和坐标轴平行；红色的是box包围框，是能包围三维对象的最小几何体。
4. Viewer request volume(观察者请求体)
这个是对每个tile何时可见进行控制，它也包含了上面的box,region,sphere三种类型。当观察点在viewerRequestVolume值内的时候，tile才会显示，这样更有利于精确控制tile的可见性。
5. Transform(位置变换矩阵)
> Tile Transform(tile 的变换矩阵)
为了支持局部坐标系，给每个tile都提供了一个可选的transform属性。
transform属性是一个4x4变换矩阵，按列优先顺序存储，可从tile的本地坐标系转换到父节点的坐标系中，或者在根节点的情况下从tileset的坐标系转换.
- tile.content:这个字段是tile数据的存放位置字段，tranform矩阵会应用到content中的每个feature的位置坐标、法向量。在进行缩放旋转变换时，法向量才需要变换，通过左上角3×3矩阵对法向量进行变换。
- content.boundingVolume:除非定义了content.boundingVolume.region，它在EPSG:4979坐标中明确表示。
- tile.boundingVolume:除非定义了tile.boundingVolume.region，它在EPSG:4979坐标中明确表示。
- tile.viewerRequestVolume:和上面一样，region除外。
对tile的变化是从上自下多个变换的一个级联变换的过程，因为LOD是一个树的结构，所以叶子节点的变换就是从根节点到下的一个矩阵级联变换的过程。
> glTF transforms
- 批处理3D模型和实例3D模型，这两种类型的模型都是通过嵌入glTF模型来实现，而glTF模型本身就有矩阵变换，glTF定义了自己的节点层次结构并使用y向上坐标系，所以tile的transform是应用在glTF的变换之后的，在应用glTF变换之后，应该对glTF模型绕着x轴旋转90°。
- 针对模型的变换顺序为：先根据glTF规范应用glTF节点层次结构转换；接下来，在运行时，glTF使用矩阵从y向上转换为z向上；Tiles特定格式的转换，包括批处理3D模型和实例3D模型；最后是Tile的transform变换。
6. Content(内容)
content属性用来指向Tile实际渲染的内容。content.uri指向渲染内容的定位符，可能指向一个二进制块的位置，也可能指向另一个Tileset。content.uri不需要文件扩展名。内容的tile格式可以通过其标题中的magic字段标识，如果内容为JSON，则可以将其标识为外部tileset.
content.boundingVolume属性用来所指向描述渲染内容的包围体，其与tile.boundingVolume的区别是，content属性只是渲染内容的包围体，而tile需要将子节点包围在里面。
红色的是tile的包围体，蓝色的是content的包围体。
7. Children(子节点)
因为3DTiles是以树结构组织的，每个Tile还有子节点，就存储在children数组中，数组中每个元素仍然是Tile，这样就形成了一种递归定义的树的结构，叶子节点的children的元素个数为0。需要注意是，子节点的boudingVolume肯定是被父节点的boudingVolume包围着的，子节点的geometricError肯定是要比父节点小的，因为越接近叶子节点，模型越精细，所以其与原模型的几何误差越小。
一个tileJSON对象由以下属性组成：
每个属性的作用总结为下：
- boudingVolume：boudingVolume定义了Tile的最小包围体，其作用是在渲染的时候，根据包围体确定哪个Tile需要渲染的。其有region，box，sphere三种形式。
- geometricError：geometricError是一个非负数，以米为单位定义了不同LOD层级（或者说Tile层级）的几何误差，通过几何误差来计算屏幕误差，从而确定什么时候应该用哪个LOD层级的Tile。
- viewerRequestVolume：viewerRequestVolume用一个和boudingVolume相同的类型定义的范围，只有当观察者处于其定义的范围内时，Tile才显示，从而精细控制了tile的显示与否。
- refine：refine属性定义了tile切换的方式，有替换和添加两种模式。该属性在根节点的Tile中是必须的，子节点中非必须，子节点中该属性缺失时，继承父节点的该属性。
- content：此属性指向真正的渲染数据。
- children：定义子节点的对象数组。
四、Tileset JSON
1. TilesetJSON文件
3D Tiles使用一个或者多个tileset的json文件来组成整个场景，这些json文件不需要遵循特定的命名规范。
{
"asset" : {
"version": "1.0",
"tilesetVersion": "e575c6f1-a45b-420a-b172-6449fa6e0a59",
},
"properties": {
"Height": {
"minimum": 1,
"maximum": 241.6
}
},
"geometricError": 494.50961650991815,
"root": {
"boundingVolume": {
"region": [
-0.0005682966577418737,
0.8987233516605286,
0.00011646582098558159,
0.8990603398325034,
0,
241.6
]
},
"geometricError": 268.37878244706053,
"refine": "ADD",
"content": {
"uri": "0/0/0.b3dm",
"boundingVolume": {
"region": [
-0.0004001690908972599,
0.8988700116775743,
0.00010096729722787196,
0.8989625664878067,
0,
241.6
]
}
},
"children": [..]
}
}
这是一个tileset的JSON文件，主要有四个属性：asset、properties、geometricError、root。
- asset
asset是一个对象，其中包含有关整个tileset的元数据。 asset.version属性是一个字符串，用于定义3D Tiles版本，该版本指定tileet的JSON模式和基本的tile格式集。 tileetVersion属性是一个可选字符串，用于定义特定于应用程序的tileset版本。
- properties
该属性中包含tileset中每个功能属性的对象。此tileset JSON代码段适用于3D建筑物，因此每个tile均具有建筑物模型，并且每个建筑物模型均具有Height属性。属性中每个对象的名称与每个功能属性的名称匹配，并且其值定义其最小和最大数值，这对于创建用于样式的色带很有用。
- geometricError
geometricError是一个非负数，用于定义未渲染图块时的误差（以米为单位），用于确定是否渲染tile的元数据。tile也有geometricError这个属性，不同的是，tileSet的geometricError是根据屏幕误差来控制tileSet中的root是否渲染。而tile中的geometricError则是用来控制tile中的children是否渲染。
- root
tileet的geometricError是未渲染整个tileset时的误差； root.geometricError是仅渲染根节点时的误差。
2. 外部tileset
要创建一棵树，tile的content.uri可以指向外部tileset（另一个图块JSON文件的uri）。这样可以把不同的tileset分开存储，比如一个国家的模型，可以将每个城市存储在一个tileset 中，然后用一个具有全局的tileset的JSON文件将整个国家组织起来。
当一个tile指向一个外部的tileset时，必需遵循一下原则：
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不能有子集； tile.children必须未定义或为空数组。
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不能用于创建循环，例如有set1、set2、set3三个tileSet，set1指向set2，set2指向set3，然后set3又指向set1，这就形成一个引用环，这种情况是不允许的。
-
利用transform变换的时候，将会应用自己的transform变换和root的transform变换。 例如，在以下引用中，针对T3的计算转换为[T0] [T1] [T2] [T3]。
3. 包围体的空间连贯性
如上所述，树具有空间连贯性。每个tile都有一个完全包围其内容的包围体，子节点包围体内的模型内容（是模型内容而不是子节点的包围体）应完全被父节点的包围体所包围，但这并意味着children的包围体要完全被父节点的包围体包围。例如：
四个子节点的包围体。子对象的内容完全在父对象的包围体内，但子对象的包围体不在此范围内。
4. 空间数据结构
3DTiles是一种利用HLOD来组织场景的，tileSet内的数据结构是一个树形的结构（在tileSet的JSON文件中，通过root和children来递归的定义），可以通过不同类型的空间数据结构进行组织。
4.1 四叉树划分
当每个Tile具有四个统一细分的子级（例如，使用中心纬度和经度）时，就会创建四叉树，类似于典型的2D地理空间切片方案。空的子tile可以省略。
3D Tiles支持非规则的四叉树，例如用非均匀细分和紧密的包围体来划分。
这是一个实例，注意左下角，其中包围体不包括左侧的水，此处没有建筑物：
3DTiles同样支持松散四叉树，这种情况下，子节点之间可能会出现压盖，但是包围体的连贯性还是需要保持（即父节点的包围体必须要将子节点的数据包含在里面）。使用松散四叉树分割，就可以割裂建筑物。松散四叉树的示意图如下：
松散四叉树的实际应用如下图所示，可以看到中间有两个包围体是有压盖的。这样与包围体相交的两个建筑物就不需要分割开了。
4.2 K-d树划分
当每个节点有两个子节点时，会创建k-d树，这两个子节点由平行于x、y或z轴(或纬度、经度、高度)的分割平面分隔开。分割轴通常随着树的层级增加而循环旋转，并且分割平面可以使用中间分割、表面积分割或其他方法来拆分。
树的每个节点代表一个超平面，该超平面垂直于当前划分维度的坐标轴，并在该维度上将空间划分为两部分，一部分在其左子树，另一部分在其右子树;即若当前节点的划分维度为i，其左子树上所有点在i维的值均小于当前值，右子树上所有点在i维的值均大于等于当前值，本定义对其任意子节点均成立。一个k=2的k-d树如下所示：
请注意，k-d树不像典型的2D地理空间切片方案那样具有统一的细分，因此可以为稀疏和非均匀分布的数据集创建更加平衡的树，每个tile有n个孩子，而不是每个tile有2个孩子。
4.3 八叉树划分
八叉树通过使用三个正交拆分平面将tile细分为八个子级来扩展四叉树。像四叉树一样，3D Tiles允许对八叉树进行变化，例如不均匀的细分，紧密的包围体和重叠的子代。如下为八叉图分割示例：
4.4 网格划分
3DTiles支持任意数量的子节点来实现均匀和非均匀重叠的网格。 例如，以下是剑桥的非均匀重叠网格的俯视图：
总体来说，3D Tiles就是定义了一种用递归构造的树的数据结构，树怎么形成可以由用户自定义。其次，3D Tiles也给每个tile定义了诸如几何误差等的属性，用于控制tile的显示与否。
3DTiles规范原文点这里！