一种三维模型轻量化的方法技术

本发明专利技术涉及三维模型技术领域，具体地说是一种三维模型轻量化的方法。通过对原始模型数据进行过滤、压缩、编码和显示加速，使其在能够完整地描述产品的几何、结构关系和属性信息的同时，减少模型文件体积、提高绘制速度，顾及纹理保持的三维模型简化，基于计算机视觉的三维模型及场景的综合方法研究，保持模型拓扑结构关系和空间编码的场景金字塔建立，达到充分利用移动设备有限的计算能力、渲染能力和存储空间以进行三维模型的快速显示与交互的目的，方便用户能够随时随地对产品信息进行获取，同时保留更好的外观属性和模型细节，纹理清晰，特征明显等良好的模型显示能力。征明显等良好的模型显示能力。征明显等良好的模型显示能力。

【技术实现步骤摘要】
一种三维模型轻量化的方法


[0001]本专利技术涉及三维模型
，具体地说是一种三维模型轻量化的方法。

技术介绍

[0002]城市三维模型作为城市数字化基础设施中重要的组成部分有着广泛的应用，比如城市规划、环境监控、空间信息分析等。随着数字城市和新型测绘技术的不断发展，获取的三维模型精度越来越高，这些三维模型的显示对计算性能、物理存储空间、内存空间、GPU渲染能力等硬件性能要求较高，在很长的时间里只能依靠硬件条件较好的个人电脑进行。
[0003]个人电脑的移动性和便携性较差，而离开电脑的帮助，相关人员则难以利用三维模型型来进行大范围展示与深入分析，影响了模型使用的灵活性，降低了生产效率。而以平板电脑、PDA、智能手机为代表的移动设备普及率越来越高，移动设备普遍存在计算性能较低、屏幕尺寸小、渲染能力偏低、内存带宽和容量受限等缺点，与三维产品模型结构复杂、数据量大的特点存在难以调和的矛盾，使得要在移动设备上直接快速显示原始三维产品模型变得较为困难。
[0004]传统生成的轻量化模型改变了原始模型的拓扑结构，且Gregory曲面表达形式与现有的其它三维系统并不兼容，模型的操作只能利用该特定的二次开发接口实现，限制了其使用范围；在顾及纹理简化时，没有考虑与建筑物的几何对象相关联的语义信息，这很可能会削弱最终的可视化效果；且通常会漏掉就纹理的简化和明显轮廓外形的考量，导致简化后模型特征丢失；对纹理采用直接合并方法，虽然减少了纹理数量，但纹理尺寸上要么很大，要么模糊的情况；采用外观属性信息对模型的高频部分加以分离,减少了细节区域的信息丢失,使得在保持模型轮廓的同时较好地保持了模型的几何细节和外观属性，但对精度要求高的三维模型实际分析时，丢失了空间关系。
[0005]因此，需要设计一种三维模型轻量化的方法，对原始模型数据进行过滤、压缩、编码和显示加速，使其在能够完整地描述产品的几何、结构关系和属性信息的同时，减少模型文件体积、提高绘制速度，顾及纹理保持的三维模型简化，基于计算机视觉的三维模型及场景的综合方法研究，保持模型拓扑结构关系和空间编码的场景金字塔建立，达到充分利用移动设备有限的计算能力、渲染能力和存储空间以进行三维模型的快速显示与交互的目的，方便用户能够随时随地对产品信息进行获取，同时保留更好的外观属性和模型细节，纹理清晰，特征明显等良好的模型显示能力。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供了一种三维模型轻量化的方法，对原始模型数据进行过滤、压缩、编码和显示加速，使其在能够完整地描述产品的几何、结构关系和属性信息的同时，减少模型文件体积、提高绘制速度。达到充分利用移动设备有限的计算能力、渲染能力和存储空间以进行三维模型的快速显示与交互的目的，方便用户能够随时随地对产品信息进行获取。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供一种三维模型轻量化的方法，其特征在于：
[0008]S1：三维模型轻量化基础依据：针对目标三维模型进行梳理，研究实际应用场景承载的最大模型范围和数据量、计算机CPU/内存/显卡占用和网络传输；
[0009]S2：单个三维模型轻量化处理：包括QEM算法改进，研究重构纹理及三维漏洞填补方法；
[0010]S3：基于计算机视觉的三维模型及场景的综合方法：将场景模型分割重构，使整个场景轻量化及调度处理；
[0011]S4:三模模型空间关系的重新建立：在S3的基础上，研究模型拓扑结构关系，并建立空间编码；
[0012]S5：三维数据顶点优化方法；
[0013]S6：遮挡关系建立方法；
[0014]S7：试验验证；
[0015]QEM改进算法为：
[0016]采用对象空间的一种或综合几种形式的几何误差作为误差测度，同时考虑对象所在空间位置密度值、模型的颜色、三角形夹角权值的法向量和纹理坐标属性误差，几何误差测度采用欧式空间距离表示，有顶点到顶点、顶点到平面和平面到平面的距离等形式；
[0017]所述对象空间位置密度值计算公式为：
[0018]D是模型重心到周围模型距离，S是模型被周围模型遮挡面积，a是模型投影到平面上面积，v是模型体积。
[0019]所述两个模型颜色距离计算方式为：
[0020][0021]r、g、b、a为四元组颜色，各分量在0
‑
1中取；下标1、2分别对应两组模型；
[0022]所述三角形夹角权重两个法向量的误差距离dn通常采用角度值进行度量：其中，周围三角形夹角最小值minA1及平均值minA2；
[0023][0024]，下标1、2分别对应两个面法向量和最小角度；
[0025]所述纹理坐标误差计算：
[0026]u、v坐标对来表示网格模型顶点到二维纹理空间的映射，其中，u，v通常在0
‑
1中取值，S是纹理对应图片色彩饱和度，在0
‑
1取值；
[0027]三维漏洞填补方法为：结合城市三维模型、电力模型、室内、地下模型，采用基于径向基函数的三角网格补洞方法，对简化过程中产生的漏洞进行修补处理，具体步骤为：
[0028]S10：检测孔洞边界；
[0029]S20：初始化网格，采用最小角度法进行网格修补；
[0030]S30：采用最小二乘进行网格优化；
[0031]S40：径向基函数(RBF)隐式曲面；
[0032]S50：采用牛顿迭代法把最小二乘网格的顶点投射到隐式曲面上，得到插值隐式曲面的网格；
[0033]基于计算机视觉的三维模型及场景的综合方法：通过分析和研究三维模型的几何特征、拓扑关系、语义特征、形状大小、排列方向及观察者的视点位置和方向等因素对视觉感知与空间认知的影响，并提出量化方法：
[0034]S100：确定各个参数在视觉差异性与关联显著性上的权重，并基于此进行场景中三维模型间的邻近关系计算；
[0035]S200：基于三维模型的分布形态与集群特征对三维模型综合的影响，通过模型之间的视觉感知邻近关系对模型进行空间聚类，最终实现三维场景LOD金字塔建立；
[0036]三模模型空间关系的重新建立的方法：
[0037]S1000：用几何拓扑元素类型与数量等不变量进行粗略相似判断；
[0038]S2000：快速排除不变量不匹配模型之间的进一步比较；
[0039]S3000：对模型进行位姿校准,并对顶点和面元素进行匹配关联；
[0040]S4000：对模型生成多角度二维图像，借助机器学习方法识别模型外观相似度；
[0041]S5000：对模型进行相同比较；
[0042]三维数据顶点优化方法：修改模型的三角形序列，增加模型局部性，提高缓存重用率，改变三角形的排列顺序进一步降低平均顶点失配率。
[0043]遮挡关系建立方法：利用遮挡查询功能，在轻量化模型的数据组织阶段综合从多个视点对模型预先进行可见性判断，模型绘制时根据其中的可见性信息来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维模型轻量化的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：三维模型轻量化基础依据：针对目标三维模型进行梳理，研究实际应用场景承载的最大模型范围和数据量、计算机CPU/内存/显卡占用和网络传输；S2：单个三维模型轻量化处理：包括QEM算法改进，研究重构纹理及三维漏洞填补方法；S3：基于计算机视觉的三维模型及场景的综合方法：将场景模型分割重构，使整个场景轻量化及调度处理；S4:三模模型空间关系的重新建立：在S3的基础上，研究模型拓扑结构关系，并建立空间编码；S5：三维数据顶点优化方法；S6：遮挡关系建立方法；S7：试验验证；所述QEM改进算法为：采用对象空间的一种或综合几种形式的几何误差作为误差测度，同时考虑对象所在空间位置密度值、模型的颜色、三角形夹角权值的法向量和纹理坐标属性误差，几何误差测度采用欧式空间距离表示，有顶点到顶点、顶点到平面和平面到平面的距离等形式；所述对象空间位置密度值计算公式为：D是模型重心到周围模型距离，S是模型被周围模型遮挡面积，a是模型投影到平面上面积，v是模型体积。所述两个模型颜色距离计算方式为：r、g、b、a为四元组颜色，各分量在0
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1中取；下标1、2分别对应两组模型；所述三角形夹角权重两个法向量的误差距离dn通常采用角度值进行度量：其中,周围三角形夹角最小值minA1及平均值minA2；下标1、2分别对应两个面法向量和最小角度；所述纹理坐标误差计算：u、v坐标对来表示网格模型顶点到二维纹理空间的映射，其中，u，v通常在0
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1中取值，S是纹理对应图片色彩饱和度，在0
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1取值；所述三维漏洞填补方法为：结合城市三维模型、电力模型、室内、地下模型，采用基于径向基函数的三角网格补洞方法，对简化过程中产生的漏洞进行修补处理，具体步骤为：S10：检测孔洞边界；S20：初始化网格，采用最小角度法进行网格修补；S30：采用最小二乘进行网格优化；S40：径向基函数(RBF)隐式曲面；S50：采用牛顿迭代法把最小二乘网格的顶点投射到隐式曲面上，得到插值隐式曲面的网格；
所述基于计算机视觉的三维模型及场景的综合方法：通过分析和研究三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵占杰，赵丽欣，王继周，高武俊，毛曦，马维军，殷红梅，沈涛，王章朋，江滨，
申请(专利权)人：中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：