一种同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法及系统技术方案

本发明专利技术创新地提出了一种同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法及系统。本发明专利技术将三维建筑物分为主体结构和辅助结构、连接结构、组合结构三种子结构，并根据结构间的依赖关系，将其用结构树的数据结构进行组织。在建筑物简化时，根据边折叠引起的体积变化和结构的视觉显著性，确定是进行网格简化还是结构移除操作。实验结果表明，与传统方法相比，本发明专利技术提出的方法与传统方法相比具有更好的简化效果，能有效避免过度网格简化引起的模型破坏问题。同时，在保持简化质量的同时，本发明专利技术提出的方法可以达到较高的简化率。此外，使用本发明专利技术得到的高度简化的三维建筑物模型能与原模型在某些空间分析中取得基本一致的结论。某些空间分析中取得基本一致的结论。某些空间分析中取得基本一致的结论。

【技术实现步骤摘要】
一种同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法及系统


[0001]本专利技术属于计算机图形学与虚拟地理环境领域，具体涉及一种同时考虑模型网格和建筑物结构的三维建筑物简化方法及系统。

技术介绍

[0002]最常见的通用三维模型简化方法包括顶点聚类、顶点删除、边折叠、面折叠等，他们的基本思想是不断对模型网格中的点、线、面等几何图元进行删除、合并等操作，以减少模型数据量。这些方法通常需要构建一个误差函数，来评估简化操作带来的影响，其中最具代表性的是Garland et al.提出的针对边折叠算法的二次误差度量(QEM)算法，其能在保持简化模型质量的同时，大幅提升算法执行效率。
[0003]由于建筑物本身的复杂性，将通用简化方法直接应用于建筑物，可能破坏建筑物的几何约束和拓扑约束，故学者们对通用简化方法进行了一系列改进：Du et al.和Zhu et al.提出了感知驱动的建筑物简化方法，通过图像分析的方式识别建筑物中不易感知的部分并重点简化这些部分，减少对建筑物中显著部分的简化。J.Chen et al.和She et al.在简化时综合考虑几何误差和纹理误差，显著减少了建筑物简化时引起的纹理扭曲。
[0004]参考二维制图综合的思想，一种常见的建筑物简化方法是将三维建筑物投影到平面上得到建筑物基底，对基底简化后垂直向上拉伸并叠加屋顶得到简化结果。Fan et al.提出了三步走的简化策略，在基底各边平行垂直等几何约束的限制下，逐步移除基底中较短的边，并通过基底与屋顶的相交检测来避免屋顶与拉伸后的基底不匹配的问题，但此方法无法处理建筑群屋顶的简化。为解决此问题，Ge et al.将建筑物屋顶分为F
‑
type，G
‑
type，P
‑
type三种类型，并根据建筑物组件之间的空间关系来对建筑物群的屋顶进行综合和简化。基于建筑物基底的简化方法更多应用在大规模城市场景建筑物群的可视化中，Mao et al.提出了一种称为CityTree的多分辨率大场景建筑物模型数据组织结构，在可视化过程中，根据视距动态地选择CityTree中的结点进行加载，以提高渲染效率。为保证简化后城市场景的易读性，L.Yang et al.在简化的过程中，引入格式塔心理学，提出了一种考虑空间认知的多尺度城市建筑物模型简化方法，简化得到的建筑物轮廓模型更符合人类的认知习惯。基于投影特征的简化本质是二维地图的综合，仅适用于低细节层次、屋顶结构简单的城市建筑群，只能应用于地图等特定场景，无法应用于结构复杂的单个精细建筑物模型。
[0005]三维建筑物模型由各种结构组合而成，从结构维度对建筑物进行简化，符合建筑物建模规律，更容易处理结构间的拓扑关系，简化结果也更符合人类的认知规律。Thiemann et al.提出利用分割平面将建筑物分解成有意义的单元，并将其存储在CSG树中，通过CSG树的深度控制LoD层级。Kada提出的单元分解算法使用建筑物墙面的近似平面分解建筑物，通过移除分解得到的墙面上的凸起和凹陷结构来简化建筑物。Zhao et al.使用扩展到三维空间的形态学操作方法，消除建筑物中小的凸起、凹陷或孔洞等结构。Li et al.利用拓展属性邻接图将建筑物结构分为嵌入结构、组合结构、连接结构，在简化时，不断删除这些结构，以达到简化的目的。Fan et al.利用CityGML模型中的语义信息识别建筑物的内部和
外部组件，并通过删除建筑物的内部组件的方式简化建筑物。目前结构的分类没有明确的标准，且基于结构的简化方法只能适用于结构较为简单的建筑物。此外，结构简化后的建筑物仍然有网格简化的空间，可以通过网格简化进一步提高简化率。
[0006]综上所述，将通用三维模型简化方法直接应用于建筑物模型，当简化率较高时，可能因为几何和拓扑关系的破坏而严重影响模型外观。已有的三维建筑物简化方法只适用于结构较简单的建筑物，且简化后的建筑物仍可以通过网格简化进一步减少数据量。因此，本专利技术尝试在网格简化的同时，考虑建筑物组件形成的结构，对可能造成模型破坏的结构及时移除，从而在尽可能提高模型的简化率的同时，保证模型简化质量。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：针对现有的网格简化和结构简化方法存在的不足，本专利技术目的在于提供一种综合考虑模型网格简化和建筑物结构简化的三维建筑物模型简化方法及系统，可以有效避免三维建筑物组件分离、坍塌等不合理情况的出现，且能达到较高的简化率。
[0008]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的一种同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法，包括以下步骤：
[0009]根据建筑物组件间的拓扑连接关系，提取建筑物的主体结构、辅助结构、连接结构和组合结构，并根据结构间的依赖关系，将其用结构树的数据结构进行组织；
[0010]在对建筑物模型进行网格简化时，根据边折叠引起的体积误差和结构中组件的视觉显著性，决定组件的移除顺序，当边折叠引起的体积误差大于移除阈值时，对结构树中视觉显著性较低的结构进行移除，防止过度的网格简化对模型造成破坏；其中结构的视觉显著性为结构中所有组件的体积和。
[0011]进一步地，针对不存在语义和组件分组信息的建筑物模型的组件提取方法为：
[0012]遍历建筑物模型中的所有三角形将其存储在一个集合L中，集合中的每个三角形都存在于一个独立的子网格中；从L中拿出一个三角形t
i
，寻找所有与该三角形相邻的三角形并将其加入t
i
所在的子网格；继续重复上一步骤，直到所有的三角形都被遍历，在同一个子网格中的三角形组成的模型被认为是一个组件。
[0013]进一步地，对于两个组件，判断一个组件是否可以通过一个变换矩阵与另一个组件完全重合；如果能完全重合，就说明这两个组件为同类组件；对所有的组件进行此类判断，最终将同类组件组合为一个组件。
[0014]进一步地，建筑物的主体结构的提取方法为：
[0015]将组件间接触面积作为搜索条件，从建筑物的基底开始自下而上搜索来提取主体结构，每次搜索时，选出与当前提取到的结构顶部接触面积最大的组件加入主体结构，直到高度最高的组件；若搜索路径出错，则回退重新搜索。
[0016]进一步地，建筑物的辅助结构的提取方法为：
[0017]将建筑物组件间的拓扑图中度为1的组件结点移除，并不断移除度为1的组件结点后直到拓扑图中除了主体结构结点外没有度为1的组件结点，则所有被移除的组件都为辅助结构；再将主体结构组件移除，剩下的独立组件结点也为辅助结构。
[0018]进一步地，建筑物的连接结构和组合结构的提取方法为：
[0019]将建筑物组件间的拓扑图中主体结构组件与辅助结构组件删除，根据剩下的连通
子图类型判断；若连通子图中不存在环或存在的环可以通过删除一条边而去除环，则该连通子图中的组件组成的结构为连接结构；除了连接结构外，剩下的连通子图中的组件组成的结构均为组合结构。
[0020]进一步地，以多叉树的形式对主体结构、辅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法，其特征在于，包含以下步骤：根据建筑物组件间的拓扑连接关系，提取建筑物的主体结构、辅助结构、连接结构和组合结构，并根据结构间的依赖关系，将其用结构树的数据结构进行组织；在对建筑物模型进行网格简化时，根据边折叠引起的体积误差和结构中组件的视觉显著性，决定组件的移除顺序，当边折叠引起的体积误差大于移除阈值时，对结构树中视觉显著性较低的结构进行移除；其中结构的视觉显著性为结构中所有组件的体积和。2.根据权利要求1所述的同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法，其特征在于，针对不存在语义和组件分组信息的建筑物模型的组件提取方法为：遍历建筑物模型中的所有三角形将其存储在一个集合L中，集合中的每个三角形都存在于一个独立的子网格中；从L中拿出一个三角形t
i
，寻找所有与该三角形相邻的三角形并将其加入t
i
所在的子网格；继续重复上一步骤，直到所有的三角形都被遍历，在同一个子网格中的三角形组成的模型被认为是一个组件。3.根据权利要求2所述的同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法，其特征在于，对于两个组件，判断一个组件是否可以通过一个变换矩阵与另一个组件完全重合；如果能完全重合，就说明这两个组件为同类组件；对所有的组件进行此类判断，最终将同类组件组合为一个组件。4.根据权利要求1所述的同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法，其特征在于，建筑物的主体结构的提取方法为：将组件间接触面积作为搜索条件，从建筑物的基底开始自下而上搜索来提取主体结构，每次搜索时，选出与当前提取到的结构顶部接触面积最大的组件加入主体结构，直到高度最高的组件；若搜索路径出错，则回退重新搜索。5.根据权利要求1所述的同时考虑网格和结构的三维建筑物简化方法，其特征在于，建筑物的辅助结构的提取方法为：将建筑物组件间的拓扑图中度为1的组件结点移除，并不断移除度为1的组件结点后直到拓扑图中除了主体结构结点外没有度为1的组件结点，则所有被移除的组件都为辅助结构；再将主体结构组件移除，剩下的独立组件结点也为辅助结...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘江峰，陈博，贺丽霞，赵强，葛荣存，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：