U3D引擎在大数据可视化方面的应用研究

U3D引擎在大数据可视化方面的应用研究

韩子霏

（河南牧业经济学院 河南郑州 450011）

摘要：以U3D引擎为切入点谈大数据可视化，探究U3D引擎在大数据可视化方面的应用方向、表达方式以及未来的发展前景。U3D引擎为三维数据、复杂数据的可视化提供了可能性，可有效呈现这些结构化和非结构化的数据。因此，本文重点探讨在这样的语境中大数据可视化的转变与突破。

关键词：U3D引擎；大数据可视化；应用

1 U3D引擎与大数据可视化

进入5G时代，真实世界与虚拟世界将密不可分。信息的产生与流动瞬息万变，城市的运转每天都会涌现出无数复杂的数据，如三维时空数据、视频影像数据、地理信息数据以及传感器网络数据等。呈现、理解和应用此类新型的海量复杂数据，是大数据可视化面临的全新挑战。U3D引擎为三维数据、复杂数据的可视化提供了可能性，可有效呈现这些结构化和非结构化的数据，而如何处理这些数据并选择最佳的可视化方法成为探究的方向。

2 大数据在U3D引擎中的可视化表达

城市每天产生着大量数据，关注和分析这些数据使其可视化将有助于城市更有效地运转。在三维空间中，产生的数据是聚合在一起的空间数据，具有相应的位置信息。三维引擎区别于以往的二维可视化工具，能够展现出更多信息，以更加直观科学的方式将交通运行状况、人口密集度、天气信息、经济运行数据以及时间信息等多种大规模、时变数据集合在一个空间数据场。

随着科学可视化和虚拟现实技术的快速发展，人们对真实感渲染和可视化场景的复杂度提出了更高要求。以往使用OpenGL、DirectX开发图形应用的模式，与如今可视化开发的需求不匹配。对几款主流三维引擎OGRE、OSG、Irrlicht、Axiom以及Unity3d等[1-2]进行综合比较发现，Unity3d引擎在平台支持、灵活性、互动性、图形性能以及庞大的资源库方面表现突出，更适合大规模多变量的空间数据场可视化。

2.1 大规模数据可视化与ECS架构

大规模的空间数据可视化的目的是抽取和表达数据场中多个属性及其相互关系。如何克服多变量、复合类型、内在结构复杂且互相交织的数据特征，是可视化过程中的关键部分。其中，对于数据降维、数据压缩和投影变换等方面，最大限度地去除冗余信息和数据量，保留重要信息，将直接影响可视化的呈现效果。

ECS架构旨在比Unity目前的Gameobject/Component架构模式更容易处理大量物体。ECS的全称为EntityComponentSystem，在数据和对象的处理上都与当下主流的OO模型有很大区别。由于面向数据的设计，它很容易并行高速处理，和C#JobSystem一起工作可以使CPU利用率接近100%。

在Unity中进行大数据三维可视化展现，不可避免要复制海量物体和数据组件，如城市级场景中楼宇的大数据分析。成千上万的楼宇模型和数据组件在以往的Gameobject/Component架构模式下效率较低，ECS可以通过System统一管理拥有相同楼宇数据对象的组件实体，在充分利用计算机性能的基础上，快速驱动大量模型。

2.2 BI与U3D引擎中的大数据可视化

虽然大数据时代已然到来，但是与数据相关的市场需求中BI仍然占据了很大份额。BI涉及到智慧城市建设的方方面面，而U3D引擎中针对BI的可视化图表部分较为灵活可变。

UGUI是Unity原生的GUI系统，前身是NGUI[5-6]。对于大数据的数据内容展示，相比于Web开发中的echarts，UGUI和其他GUI插件则显得相形见绌。

在Unity中，所有物体都有网格，包括三维模型和GUI。每次页面上有数据需要更新时，都必须重绘更新元素所在的整张Canvas，带来极大的性能问题，且对Canvas进行分组的工作非常繁杂。不仅如此，UGUI及其插件对数据图表的支持存在很大的局限性，较为死板。基于上述种种缺陷，建议采用一种内嵌网页的插件EmbeddedBrowser来满足大数据展示的需求。

同样是基于UGUI的Canvas，不同的是只需要建立一个子物体，即可展示整个数据页面（页面需在前端开发好），这样在有数据更新时只需重绘一次Canvas。嵌入的方式有两种：直接嵌入浏览器网页，配置好URL即可，适用于实时数据展示；将html文件放入工程，加载嵌入，适用于非实时数据展示。

2.3 U3D引擎中的交互性与双向性

大数据可视化中的交互，是指便于用户对数据进行观察和分析的一系列操作，贯穿整个可视化进程[7]。设计有效的视觉编码辅助用户分析提取和表达这些信息，观察和研究数据属性及其相互之间的关系，发现未知的新特征和新现象，是交互的重点。

交互性强是Unity在展示大数据内容上的最大优点。相比于传统2D界面，Unity可以实现2D数据和3D模型的联动。例如：城市汽车管控中，更新界面上数据的同时，汽车3D模型可以被不断更新的数据实时驱动，且汽车的详细数据可以跟随汽车展示，展示界面可以是2D的，也可以以3D的形式存在于三维场景中，使得整个系统灵动且形象。

数据和模型的双向性也是其优点之一。选择界面上的数据，场景相机可以自动搜索定位到三维场景的物体上，达到一目了然的数据和模型状态匹配效果。选择三维场景的物体，也可以展示其详细数据。

大数据可视化系统的用户主要分为两类：一类是数据探索者，他们对数据的情况并不清楚，希望直接控制可视化系统的交互；另一类是数据展示者，他们对数据了如指掌，且数据已经过处理，用户是被动接受信息。对于后者来说，大数据可视化系统中动画的使用显得尤为重要。合适的动画可以增加可视化的表现力，同时突出想要表达的重要信息，使信息的层次更加分明。

3 结论

在5G、云渲染等技术普及后，大数据可视化进入一个高速发展阶段，国内外各大公司都在竞相开发自己的大数据可视化产品。U3D引擎作为当前一个主流的三维可视化开发引擎，在渲染、模块化开发、跨平台、通用性、兼容性、即插即用性以及开发周期等综合性能上，是其他引擎不可比拟的。任何一种媒介都有其自身的属性，会为在其之上发展的形式带来不同程度的改变。U3D引擎可为数据可视化带来巨大改变，推动数据可视化快速发展，拓宽数据可视化的可能性。

参考文献：

[1]陈为，沈则潜，陶煜波.数据可视化[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]赵聪寐.信息设计中符号学现象初探[D].上海：华东师范大学，2013.

[3]大数据战略重点实验室.块数据[M].北京：中信出版社，2015.

[4]张秋.信息可视化中的交互性视觉元素应用研究[D].北京：北京印刷学院，2013.