基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法技术

一种基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，包括：步骤1、对输入的三维建筑物模型进行几何剖分，保证图元的拓扑正确性；步骤2、对剖分后的三维建筑物模型进行约束的四面体剖分，实现对三维模型的空间的完整表达；步骤3、提取三维模型空间的边界四面体，设计对四面体的逐步侵蚀和保持算法；步骤4、设计启发式侵蚀策略以及对四面体侵蚀的正确性约束；步骤5、实现对侵蚀结果四面体的边界提取以及对语义信息的保持和修复。本发明专利技术算法鲁棒，不会在修复的过程中引入新的错误；能够对任意三维(建筑物)模型进行修复，得到二维流形的表面；能够对三维建筑物模型的几何、拓扑和语义进行统一的修复，最终得到标准的CityGML模型。

An automatic restoration method for 3D building model based on heuristic enveloping erosion

An automatic repair method of 3D building model based on heuristic envelope erosion, characterized by comprising the following steps: Step 1, 3D buildings for the input model of geometric subdivision, guarantee the topological correctness of primitives; step 2, the 3D building model split tetrahedron constraints, expression of 3D model the space is complete; boundary tetrahedronal step 3, extraction of 3D model space, design of the tetrahedron gradually eroded and maintain algorithm; step 4, the design of heuristic strategies and correctness of erosion constrained tetrahedral erosion; step 5, the erosion of the tetrahedron boundary extraction of semantic information and maintain and repair. The algorithm is robust, does not introduce new errors in the repair process; to the arbitrary 3D model (buildings) to repair the surface of 2D manifolds; to geometry, topology and semantic of 3D building model for unified repair, finally obtained the standard CityGML model.

【技术实现步骤摘要】
基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法
本专利技术是一种三维建筑物模型的自动修复算法，其主要应用于三维城市、虚拟现实、数字城市以及智慧城市等领域。
技术介绍
由于三维城市模型能够完备的表达现实城市环境，因此在智慧城市、智能交通、无人驾驶、基于位置的服务、地籍管理、基础设施规划和管理等诸多领域都有着重要的应用。近十年来，三维城市的建设成为了全球的热点，针对其几何、拓扑和语义信息的表达也已制订了国际标准，如《城市地理标记语言》(CityGML)和《ISO16739工业基础类》(IFC)。据不完全统计，我国各大城市已完成或者在建三维城市项目近百个，投资规模超百亿，在世界上规模居领先。但与此同时，当前规范化的三维城市建模细则还不完善，建模手段多样，人工、自动方式并存，且缺乏对建成模型有效的质量检查，导致当前多数三维城市建设仍仅以满足可视效果为主，无法保证模型数据内在的正确性。视觉效果逼真的三维城市模型在计算机看来仅仅是一堆无序的面片，这样的模型数据无法被用来支持进一步的空间分析和计算。因此，当前多数三维建筑物模型缺乏对正确三维空间信息的把握，制约后续的定量精细化应用，需要研究对其进行自动修复的算法。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于启发式的包络侵蚀的三维建筑物模型修复方法。该方法区别于传统的三维模型自动修复的方法，即通过检测模型中的几何以及拓扑错误，如洞、相交、非流形等，针对特定的错误进行局部修复，而是利用带有约束的四面体剖分，对三维建筑物模型整体进行空间剖分，而后利用侵蚀将模型外围的四面体进行逐步删减，最终达到对正确三维建筑物模型的二维流形边界的表达。该方法避免了局部修复广泛存在的稳定性差的问题，并且避免了传统基于体素的全局修复带来的表达失真的问题。而且利用启发式算法和几何、拓扑正确性约束，能够保证在侵蚀的过程中优先对最佳四面体候选对象进行处理，效率高且修复成功率大。本专利技术所采用的技术方案是：基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、对输入的三维建筑物模型进行几何剖分，保证图元的拓扑正确性；步骤2、对剖分后的三维建筑物模型进行约束的四面体剖分，实现对三维模型的空间的完整表达；步骤3、提取三维模型空间的边界四面体，设计对四面体的逐步侵蚀和保持算法；步骤4、设计启发式侵蚀策略以及对四面体侵蚀的正确性约束；步骤5、实现对侵蚀结果四面体的边界提取以及对语义信息的保持和修复。(步骤3、步骤4为本专利技术技术方案体现创造性的关键步骤)本专利技术的特点是：1、算法鲁棒，不会在修复的过程中引入新的错误；2、能够对任意三维(建筑物)模型进行修复，得到二维流形的表面；3、能够对三维建筑物模型的几何、拓扑和语义进行统一的修复，最终得到标准的CityGML模型。附图说明图1为本专利技术方法技术方案流程示意图图2三维建筑物模型剖分和预处理示意图3三维模型三角形剖分算法流程示意图图4三维模型约束四面体剖分示意图5四面体数据结构示意图6四面体侵蚀修复算法流程图图7四面体侵蚀与保持示意图8面片的拓扑约束示意图9边的拓扑约束示意图10顶点的拓扑约束示意图11语义信息推断方法示意图12为利用法线朝向进行语义信息推断示意图具体实施方式基于本专利技术技术方案，以下结合附图对本专利技术技术方案做更为详细的介绍。图2三维建筑物模型剖分和预处理示意，a)输入模型几何；b)三角化结果；c)相交面片剖分；d)三角形质量优化。图4三维模型约束四面体剖分示意，a)输入模型；b)约束四面体化结果表面；c)约束四面体化内部四面体。图7四面体侵蚀与保持示意a)当前候选四面体；b)侵蚀候选四面体；c)保持当前候选四面体。图8面片的拓扑约束示意a)当前候选四面体；b)对候选四面体侵蚀后导致锚三角形成为悬挂面。图9边的拓扑约束示意a)当前候选四面体有一条位于包络表面的边；b)该边与两个不相邻的包含锚三角形的四面体关联，侵蚀后导致非流形；c,d)该边与一个、两个相邻的包含锚三角形的四面体关联，侵蚀后正确。图10顶点的拓扑约束示意a,b)当前四面体出发可以找到一条不跨越锚三角形的连续的侵蚀操作，到达该点所关联的包络上的三角形，侵蚀结果正确；d,e)该当前四面体出发我无法找到一条不跨越锚三角形的连续的侵蚀操作，到达该点所关联的包络上的三角形，侵蚀后导致非流形。图11语义信息推断方法示意a)当前新增锚面片位于相同语义信息的邻接锚三角形面片内部且共面，其语义信息则设为邻接锚三角形面片语义；b)当前新增锚面片位于不同语义信息的邻接锚三角形面片内部且共面，其语义信息则设为占有面积优势的邻接锚三角形面片语义。本专利技术整个方法过程如图1所示。各个步骤依次为：步骤1，如图2所示三维模型的几何剖分与预处理，保证图元的拓扑正确性。步骤1.1三维模型三角化由于本专利技术修复算法需要输入基于三角形网格表达的模型数据，因此需要对原始输入的非三角形网格模型进行三角化。该过程为对输入模型中的多边形面片进行遍历，分为以下三种情况进行处理，如图3所示：步骤1.1.1，如果原始模型面片为三角形，那么保留该面片；步骤1.1.2，如果原始模型面片为四边形，则相连最近的对角点将四边形剖分为两个三角形；步骤1.1.3，如果原始模型面片为凸多边形，则将多边形利用OpenGL中的GLUtesselator进行快速三角形剖分；步骤1.1.4，如果原始模型面片为凹多边形，则对多边形利用第三方Triangle1库进行Delaunay三角剖分。以上处理流程最大程度保证了三角形剖分的效率和效果。步骤1.2三维模型相交面片剖分原始输入的三维建筑物模型可能存在面片相交的情况，因此在对其进行四面体化之前需要对相交的三角形面片进行剖分。在剖分过程中，首先检测三角形面片之间的相交的情况，然后根据不同的情况分别进行处理，如表1所示：表1三维模型相交面片剖分情况步骤1.3三维模型的三角形形态优化经过三角形剖分之后，三维模型的三角形面片可能存在两类质量问题：一类______________________1http://www.cs.cmu.edu/～quake/tria为存在大量共面三角形。该问题会导致后续的修复过程生成过多四面体，影响修复的效率和质量；另一类为剖分后的模型中可能包含过于狭长或近似退化的三角形(面积近似为0)。该类三角形会影响后续几何处理的精度，因此需要进行优化处理。对于第一类问题，利用区域增长法将共面三角形聚为一类，然后提取共面三角形的边界，使用CDT(参见步骤1.1.4))对共面三角形进行重新三角化；对于第二类问题，通过对三角形的面积、最小内角的计算，对不符合阈值的三角形面片进行局部调整，如进行三角形边折叠或直接删除过小的悬挂三角形。三维建筑物模型剖分和预处理的结果如图2所示。步骤2，三维建筑物模型约束四面体剖分与四面体数据结构的构建，实现对三维模型的空间的完整表达步骤2.1三维模型的约束四面体剖分，其过程及结果如图4所示。对经过几何剖分的不包含面片自相交情况的三维建筑模型进行带有约束的四面体剖分(即CDT，为现有算法，利用开源库实现)。在剖分过程中将经过步骤1处理后的三维模型的面片作为约束进行四面体化，从而使得所有原始三维建筑物模型的几何外形均保留在四面体剖分后的四面体成员面片中。此四面体化算法为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、对输入的三维建筑物模型进行几何剖分，保证图元的拓扑正确性；步骤2、对剖分后的三维建筑物模型进行约束的四面体剖分，实现对三维模型的空间的完整表达；

【技术特征摘要】
1.一种基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、对输入的三维建筑物模型进行几何剖分，保证图元的拓扑正确性；步骤2、对剖分后的三维建筑物模型进行约束的四面体剖分，实现对三维模型的空间的完整表达；步骤3、提取三维模型空间的边界四面体，设计对四面体的逐步侵蚀和保持算法；步骤4、设计启发式侵蚀策略以及对四面体侵蚀的正确性约束；步骤5、实现对侵蚀结果四面体的边界提取以及对语义信息的保持和修复。2.如权利要求1所述的基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，所述步骤1，具体包括如下步骤：a)输入模型几何；b)三维模型三角化；c)三维模型相交面片剖分；d)三维模型的三角形形态优化。3.如权利要求2所述的基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，所述三维模型三角化，该过程为对输入模型中的多边形面片进行遍历，分为以下三种情况进行处理：步骤1.1.1，如果原始模型面片为三角形，那么保留该面片；步骤1.1.2，如果原始模型面片为四边形，则相连最近的对角点将四边形剖分为两个三角形；步骤1.1.3，如果原始模型面片为凸多边形，则将多边形利用OpenGL中的GLUtesselator进行快速三角形剖分；步骤1.1.4，如果原始模型面片为凹多边形，则对多边形利用第三方Triangle库进行Delaunay三角剖分。4.如权利要求1所述的基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，在构建约束四面体剖分之后，剖分结果的表面即为原始模型的凸包，成为包络，为此，使用步骤3四面体侵蚀方法对包络进行收缩；在此过程中，每次从位于包络上的边界四面体选择一个最优的对象作为侵蚀的候选对象；然后由步骤4测试该候选四面体的侵蚀正确性；如测试通过，则设计侵蚀方法对该候选四面体进行侵蚀，该方法将候选四面体以及其在包络上的三角形进行删除，并将新暴露在包络边界上的四面体标识为表面四面体；如候选四面体的侵蚀正确性测试不通过，则设计四面体保留方法，将该候...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵君峤，冯甜甜，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31