Instanced 3D Model

При отображении большого количества одинаковых трёхмерных объектов классическая загрузка отдельной модели для каждого экземпляра приводит к значительным затратам памяти и снижению производительности. В сценах с тысячами деревьев, фонарных столбов, ветрогенераторов, автомобилей или элементов городской инфраструктуры подобный подход становится неэффективным.

Технология Instanced 3D Model в CesiumJS позволяет загружать геометрию модели только один раз, а затем отображать множество её экземпляров с различными позициями, ориентациями, масштабами и атрибутами. GPU получает одну геометрию и набор параметров для каждого экземпляра, что существенно уменьшает объём передаваемых данных и ускоряет рендеринг.

В основе механизма лежит спецификация 3D Tiles Instanced Model (i3dm), предназначенная для массового отображения повторяющихся объектов в трёхмерных геопространственных сценах.

Принцип работы экземпляров моделей

Обычная модель содержит:

вершины;
текстуры;
материалы;
анимации;
дополнительные данные.

Если необходимо отобразить 10 000 одинаковых деревьев, при традиционном подходе информация о модели фактически используется многократно.

Схема без инстансирования:

Tree.glb
Tree.glb
Tree.glb
Tree.glb
...
10000 раз

Схема с инстансированием:

Tree.glb

Экземпляр 1 -> позиция A
Экземпляр 2 -> позиция B
Экземпляр 3 -> позиция C
...
Экземпляр 10000 -> позиция Z

Геометрия хранится один раз, а каждый экземпляр содержит только параметры трансформации.

Формат i3dm

Файл i3dm является одним из форматов семейства 3D Tiles.

Основные компоненты:

Компонент	Назначение
Header	Заголовок тайла
Feature Table	Параметры экземпляров
Batch Table	Пользовательские атрибуты
GLB	Исходная модель

Каждый экземпляр может содержать:

координаты;
направление;
масштаб;
цвет;
идентификатор;
произвольные свойства.

Пример логической структуры:

{
  "instances": [
    {
      "position": [100, 200, 50],
      "scale": 1.0
    },
    {
      "position": [150, 250, 50],
      "scale": 1.2
    }
  ]
}

Подключение набора Instanced Models

Наиболее распространённый способ использования — загрузка готового набора 3D Tiles.

const tileset = await Cesium.Cesium3DTileset.fromUrl(
    "data/trees/tileset.json"
);

viewer.scene.primitives.add(tileset);

await viewer.zoomTo(tileset);

Если tileset содержит i3dm-тайлы, Cesium автоматически распознает их и отобразит все экземпляры.

Структура tileset.json

Типичный tileset с экземплярами может выглядеть следующим образом:

{
  "asset": {
    "version": "1.0"
  },
  "geometricError": 500,
  "root": {
    "boundingVolume": {
      "box": [
        0,0,0,
        500,0,0,
        0,500,0,
        0,0,100
      ]
    },
    "geometricError": 0,
    "content": {
      "uri": "trees.i3dm"
    }
  }
}

В файле tileset содержится только информация о пространственной организации тайлов, тогда как сами параметры экземпляров находятся внутри i3dm.

Позиционирование экземпляров

Каждый экземпляр обладает собственной позицией.

Обычно координаты хранятся в системе:

ECEF (Earth-Centered Earth-Fixed);
локальной системе координат тайла.

Пример концептуальных данных:

{
  "POSITION": [
    [100, 50, 0],
    [120, 80, 0],
    [140, 90, 0]
  ]
}

Cesium автоматически преобразует координаты в мировое пространство.

Ориентация моделей

Каждый экземпляр может иметь индивидуальный поворот.

Для этого используются:

NORMAL_UP;
NORMAL_RIGHT;
матрицы вращения;
quaternion-представление.

Например, деревья могут иметь различный угол поворота:

Дерево 1 -> 15°
Дерево 2 -> 75°
Дерево 3 -> 210°
Дерево 4 -> 310°

Визуально это устраняет эффект искусственного копирования.

Масштабирование экземпляров

Каждый объект способен иметь собственный масштаб.

Пример:

Дерево 1 -> 0.8
Дерево 2 -> 1.0
Дерево 3 -> 1.3
Дерево 4 -> 1.6

Такая вариативность часто используется для:

лесов;
растительности;
городской мебели;
объектов инфраструктуры.

Небольшие различия размеров существенно повышают реалистичность сцены.

Использование Feature Metadata

Каждый экземпляр может хранить дополнительные атрибуты.

Например:

{
  "id": 1001,
  "species": "oak",
  "height": 12.4,
  "age": 54
}

Эти данные могут использоваться:

для фильтрации;
для отображения всплывающих окон;
для аналитики;
для тематической визуализации.

Получение информации о выбранном экземпляре

Cesium поддерживает механизм выбора объектов сцены.

const handler = new Cesium.ScreenSpaceEventHandler(
    viewer.scene.canvas
);

handler.setInputAction(function(click) {

    const feature = viewer.scene.pick(click.position);

    if (Cesium.defined(feature)) {
        console.log(feature);
    }

}, Cesium.ScreenSpaceEventType.LEFT_CLICK);

После выбора становится доступна информация о конкретном экземпляре модели.

Работа со свойствами экземпляров

Получение значения свойства:

const type = feature.getProperty("species");

console.log(type);

Получение высоты:

const height = feature.getProperty("height");

Проверка наличия свойства:

if (feature.hasProperty("height")) {
    console.log("Свойство существует");
}

Изменение цвета отдельных экземпляров

Каждый экземпляр может быть визуально выделен.

feature.color = Cesium.Color.RED;

Полупрозрачный вариант:

feature.color = Cesium.Color.BLUE.withAlpha(0.5);

Сброс:

feature.color = Cesium.Color.WHITE;

Такой подход широко применяется для:

подсветки выбранных объектов;
отображения результатов поиска;
визуализации состояния оборудования.

Массовая стилизация через Cesium3DTileStyle

Для работы с тысячами объектов удобнее использовать стили.

tileset.style = new Cesium.Cesium3DTileStyle({
    color: {
        conditions: [
            ["${height} > 50", "color('red')"],
            ["${height} > 20", "color('yellow')"],
            ["true", "color('green')"]
        ]
    }
});

Логика выполняется на стороне GPU и обеспечивает высокую производительность.

Скрытие экземпляров по условиям

Можно скрывать объекты на основе атрибутов.

tileset.style = new Cesium.Cesium3DTileStyle({
    show: "${height} > 30"
});

Отобразятся только экземпляры выше 30 метров.

Цветовая классификация объектов

Пример тематической карты для деревьев:

tileset.style = new Cesium.Cesium3DTileStyle({
    color: {
        conditions: [
            ["${species} === 'oak'", "color('green')"],
            ["${species} === 'pine'", "color('darkgreen')"],
            ["true", "color('gray')"]
        ]
    }
});

Такой подход используется в геоинформационных системах и цифровых двойниках.

Производительность Instanced Models

Основное преимущество технологии заключается в уменьшении числа draw calls.

Сравнение:

Параметр	Отдельные модели	Instanced Models
Память	Высокая	Низкая
Draw Calls	Очень много	Минимум
Скорость загрузки	Ниже	Выше
GPU эффективность	Средняя	Высокая

Особенно заметен выигрыш при количестве объектов свыше нескольких тысяч.

Использование Level of Detail

Instanced Models часто комбинируются с механизмом LOD.

Сценарий:

0–500 м      -> полная модель
500–1500 м   -> упрощённая модель
1500+ м      -> очень простая модель

Благодаря этому сохраняется высокая детализация рядом с камерой и уменьшается нагрузка вдали.

Фрустумное отсечение

Cesium автоматически исключает из рендеринга объекты, которые находятся вне области видимости камеры.

Процесс:

Камера
   |
   V

[Видимая область]

Объекты внутри -> рисуются
Объекты снаружи -> пропускаются

Для наборов из десятков тысяч экземпляров это критически важно.

Пространственная организация тайлов

Большие наборы экземпляров обычно разбиваются на тайлы.

Пример:

Город

├── Tile 1
├── Tile 2
├── Tile 3
├── Tile 4
└── Tile 5

Каждый тайл содержит собственный набор моделей.

При перемещении камеры Cesium загружает только необходимые части сцены.

Применение в цифровых двойниках

Instanced Models активно используются в системах Digital Twin.

Типичные объекты:

деревья;
фонари;
дорожные знаки;
парковочные места;
контейнеры;
трансформаторы;
камеры наблюдения.

Число экземпляров может достигать сотен тысяч без критического падения производительности.

Использование в лесных массивах

Лес является одним из наиболее показательных примеров.

Вместо хранения миллиона отдельных моделей:

1 модель сосны
+
1 000 000 экземпляров

используется:

Одна геометрия
+
Массив параметров экземпляров

Экономия памяти может составлять десятки и сотни мегабайт.

Использование в транспортных системах

Instanced Models применяются для отображения:

припаркованных автомобилей;
вагонов;
контейнеров;
самолётов на стоянках;
судов в портах.

При этом разные экземпляры могут иметь:

уникальный цвет;
идентификатор;
состояние;
дополнительные метаданные.

Ограничения технологии

Несмотря на высокую эффективность, инстансирование подходит не для всех сценариев.

Менее эффективно использовать Instanced Models для объектов, которые:

обладают уникальной геометрией;
постоянно меняют форму;
имеют различные материалы;
содержат сложную индивидуальную анимацию.

В подобных случаях предпочтительнее применять отдельные модели glTF или b3dm.

Отличия i3dm и b3dm

Характеристика	i3dm	b3dm
Повторяющаяся геометрия	Да	Нет
Уникальные объекты	Ограниченно	Да
Экономия памяти	Высокая	Средняя
Большие наборы однотипных объектов	Отлично	Хорошо
Производительность	Максимальная	Высокая

Формат i3dm оптимизирован именно для повторяющихся объектов, тогда как b3dm ориентирован на отображение уникальных моделей зданий, сооружений и других сложных элементов сцены.