复杂建筑物三维模型多分辨率建模方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂建筑物三维模型多分辨率建模方法，包括以下步骤：打开建筑物三维模型的同时，在内存中建立相应带有语义信息的半边数据结构；通过建筑物三维模型的最小包围球测定，计算当建筑物三维模型最大化到屏幕空间时的视点球面；获取视点采样位置，并对建筑物三维模型进行渲染，得到原始渲染图像；对原始渲染图像进行基于二维小波分解的ＨＶＳ滤波，并经过小波系数重构获取感知图像；根据原始渲染图像和感知图像求取差值图像，将差值图像中灰度发生变化的像素进行划分，获取感知信息；在建筑物三维模型表面找到差值图像中灰度变化的像素所对应的三角形，同时将相应感知信息传递给三角形；根据三角形所带有的感知信息，执行模型简化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地理空间信息系统
，特别是涉及一种用于复杂建筑物 的三维模型多分辨率建模方法。
技术介绍
随着各种测量技术的快速发展，数据采集的精度得到了快速提高，尤其是激光扫描技术或CAD技术的广泛应用，使得高精度的建筑物模型更加容易获取， 而高精度的建筑物模型往往包含了更加复杂的内部结构以及高度详细的外观， 因此，复杂建筑物模型是主要是指利用激光扫描或CAD技术获取并创建的具有 高度详细的外观和复杂的内部结构、模型内部具有高度复杂的拓扑关系以及部 件之间复杂语义关系的三维建筑物模型。复杂建筑物模型的特点是由多个不同类型形态各异相对独立的部件构成，单体模型拥有上百万三角形的庞大数据量。 因此，面对由高精度复杂建筑物模型组成的三维场景，为了减少数据量以及交 互式建模的劳动强度，如何全自动地创建多细节层次三维模型成为了提高模型 生产效率的关键问题。更为重要的是，在实际生活中，人们观察周围的世界时，人眼的空间与时 间分辨率总是有限的。同样，虚拟环境中的物体总是在不同的细节层次表现出 不同的结构和特征，细节层次因此成为决定人们空间认知十分重要的一个因素。 根据人眼分辨率有限的基本原理，应该忽略掉那些人眼所不能看到的空间物体 的细节，通过有限的若干离散的细节层次而获得有关一个真实环境比较完整的 知识。当前，制约三维虚拟环境广泛应用的瓶颈问题是各种自然和人文建筑高精度三维模型的多细节层次表达，也被称为多细节层次建模或者LOD建模(Level of Detail modeling, LOD modeling)。尽管近几年计算机硬件也在各种应用需要的推动下实现了跨越式发展，但是以多边形表示的建筑物模型复杂程度的增长 速度却远远超出了计算机硬件绘制能力的提升速度。不管计算机图形硬件的跨 越式发展如何快速，多细节层次建模技术依然与绘制效果的逼真度和绘制速度 之间的冲突问题紧密相关。由于物体的细节程度越高，则数据量越大，描述得越精细；物体的细节程度越低，则数据量越小，描述得越简单，因此，多细节 层次建模研究的根本目标就是要实现用最小的数据量来表达最复杂的目标并 获得最逼真的视觉效果。从最高细节层次模型到最低细节层次模型的转化主要通过模型简化操作实 现的，模型简化操作是自动生成LOD模型的关键技术。近三十年来研究人员提 出了多种多边形网格简化算法，几乎在所有自动创建LOD模型的技术文献和研 究论文中均有论述。模型简化技术按照简化对象的类型分为针对连续曲面模型和针对建筑物模 型。随着计算机软硬件技术的快速发展，针对连续的自由曲面如用grid/TIN数字高程模型表示的地形表面的简化从比较简单的点删除算法、重新布点算法以 及顶点聚类和小面共面消除算法，到著名的渐进式网格、二次误差度量简化算 法，到近期的图像驱动、用户引导、基于法线等算法，经历了一个从简单到复 杂的过程，目前已经发展到比较成熟的阶段。但对建筑物这样的不规则几何体及其相应的表面属性如纹理图像等的简化 处理却还不能满足需要，往往通过大量繁杂的人机交互才能得到满意的结果。 比如，虚拟地理环境中复杂建筑物模型的表达需要保持一定的语义信息，例如， 在飞行浏览中的实时査询就需要不同细节层次的模型具有不同级别的语义信 息。虚拟地理环境要求建筑物模型必须能够被显著地进行简化，即一个模型从 带有室内部分的复杂模型到几乎抽象表达的变化过程。建筑物模型是虚拟环境 中的主要表达对象，具有很高的视觉重要性，而大部分以几何误差测度为标准 的简化算法却难以衡量不同细节层次建筑物模型的视觉差异，更无法满足用户 视觉感知的连续性要求。由于针对连续表面模型的简化算法不能满足自动生成复杂建筑物的LOD模 型的需要，目前本领域技术人员提出了针对建筑物模型的简化方法，包括顾及 模型语义特征的简化方法、顾及建筑物几何特征的简化方法、连续的质量层次 以及基于尺度空间的简化方法等。(1) 顾及模型语义特征的方法在网络3DGIS环境下，通过在QEM方法在 顶点属性中植入vd作为特征支配值，并且用图形提取的方法将语义约束转化为 三维对象的简化，结合模型的语义特征在简化过程中保持了模型的几何特征。 但是，该方法的主要缺陷是无法直接对每个建筑物模型建立其各自的重要结 构，因为每个对象都可能具有不同的重要结构。此外，图形提取难以符合重 要结构的描述，即哪些细节需要被保存下来的问题仍然无法解决。该方法另一 个缺陷是没有考虑建筑物复杂的内部结构对于简化方法和过程的影响，即使保 证了较好的外观属性，也难以适应于复杂建筑物简化的要求。(2) 顾及建筑物几何特征的简化方法中采用面与面之间的共面、平行和垂直三种特征检测，运用边折叠的简化操作，针对三维城市的建筑物景观模型进 行了简化。该方法在移除建筑物的某些特征后仍然可以保持较好的外形以及相 关的表面属性，如纹理等，但是简化操作既不能处理任意的流形拓扑结构模型，也不能处理非流形拓扑结构的模型，简化能力相当有限。此外，Thiemann在建 筑物模型特征检测的基础上，按照检测出的特征将模型分割并用CGS方式表示， 然后通过对CGS树进行简化操作。这种方法优点在于可以在连续尺度下进行简 化，而且有语义扩展的可能，但是作为一种综合的方法，它却不可能对邻近建 筑进行综合。(3)连续的质量层次方法是一种基于LOD思想的建筑物模型表示方法。 该方法首先弓I入不同种类建筑物及其组件的表达方式，实现了建筑物及其部分 的表达统一化、规范化，可以用于建筑物模型的分层细分编辑，也考虑了纹理 关联。同时该方法扩展了 CityGML的标准，为三维城市模型在建筑设计、城市 规划领域的应用提供了一种新的工具。但是该方法与其说是一种简化方法，不如说是一种规范化的表示方法。对于建筑物模型的定义仍然显得比较简单，仅 仅定义了地板、墙体、屋顶以及装饰的统一表达方法，无法满足基于部件的复 杂建筑物模型的简化需求。(4)针对建筑物模型数据提出了基于尺度空间的三维模型简化方法。其主 要理论基础是成熟的尺度空间理论、数学形态学和曲率空间理论，使用了 Erosion, Dilation, Opening以及Closing等形态操作控制不同部分之间的合 并与分离，在离散曲率空间定义了凸空间和凹空间，并分别确定每个顶点为凸 顶点或者凹顶点，为三维模型的形变打下基础，并通过小面(facet)移动完成 三维模型的简化。但是，该简化方法在简化能力有很大的局限性，如对于建筑 物直角特征比较容易处理，而对于屋顶这样的非直角特征部分往往需要利用其 他的手段进行处理，如旋转、纠正等。此外，该算法无法保证建筑物特征的保 持，也没有考虑材质、纹理等外观属性方面的内容。尽管上述针对建筑物模型的简化方法能够在一定的程度上简化模型，但是由于它们在简化机制和准确的图元定位等方面存在较大缺陷，所以这些方法还 不能广泛应用于具有部件结构的建筑物LOD模型生产中。目前，建立建筑物的LOD模型主要通过3ds max、 MuMGen Creator等成熟 的商业建模软件平台交互式实现的，这些软件提供了一些基本的模型多分辨率 建模功能。例如，3dsmax中提供了2个基本的模型优化的修改操作(Optimize 和MultiRes)，但其缺点也非常明显其一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂建筑物三维模型多分辨率建模方法，其特征在于：包括有以下步骤，　步骤１，打开一个建筑物三维模型的同时，在内存中建立相应带有语义信息的半边数据结构，所述半边数据结构以三角形为核心；　步骤２，通过建筑物三维模型的最小包围球测定 ，在固定的视场角下计算当建筑物三维模型最大化到屏幕空间时的视点球面；　步骤３，离散化该视点球面获取视点采样位置，并分别在每个视点采样位置对建筑物三维模型进行渲染，得到原始渲染图像；　步骤４，利用ＣＳＦ函数构造ＨＶＳ滤波器，对原始 渲染图像进行基于二维小波分解的ＨＶＳ滤波，并经过小波系数重构获取感知图像；　步骤５，根据原始渲染图像和感知图像求取差值图像，将差值图像中灰度发生变化的像素按显著变化、中度变化、轻度变化以及无变化四个灰度类别进行划分，像素所属类别作为该 像素的感知信息；　步骤６，通过射线追踪在建筑物三维模型表面找到差值图像中灰度变化的像素所对应的三角形，同时将相应感知信息传递给三角形，按照灰度类别分类统计并记录带有感知信息的三角形；　步骤７，根据三角形所带有的感知信息，从以下步 骤中选择执行以边折叠为基本简化操作的模型简化，　步骤７ａ，对所带感知信息为显著变化的三角形进行模型简化，并输出简化模型数据；　步骤７ｂ，对所带感知信息为显著变化的三角形和所带感知信息为中度变化的三角形进行模型简化，并输出简化模型 数据；　步骤７ｃ，对所有带有感知信息的三角形进行模型简化，并输出简化模型数据。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂建筑物三维模型多分辨率建模方法，其特征在于包括有以下步骤，步骤1，打开一个建筑物三维模型的同时，在内存中建立相应带有语义信息的半边数据结构，所述半边数据结构以三角形为核心；步骤2，通过建筑物三维模型的最小包围球测定，在固定的视场角下计算当建筑物三维模型最大化到屏幕空间时的视点球面；步骤3，离散化该视点球面获取视点采样位置，并分别在每个视点采样位置对建筑物三维模型进行渲染，得到原始渲染图像；步骤4，利用CSF函数构造HVS滤波器，对原始渲染图像进行基于二维小波分解的HVS滤波，并经过小波系数重构获取感知图像；步骤5，根据原始渲染图像和感知图像求取差值图像，将差值图像中灰度发生变化的像素按显著变化、中度变化、轻度变化以及无变化四个灰度类别进行划分，像素所属类别作为该像素的感知信息；步骤6，通过射线追踪在建筑物三维模型表面找到差值图像中灰度变化的像素所对应的三角形，同时将相应感知信息传递给三角形，按照灰度类别分类统计并记录带有感知信息的三角形；步骤7，根据三角形所带有的感知信息，从以下步骤中选择执行以边折叠为基本简化操作的模型简化，步骤7a，对所带感知信息为显著变化的三角形进行模型简化，并输出简化模型数据；步骤7b，对所带感知信息为显著变化的三角形和所带感知信息为中度变化的三角形进行模型简化，并输出简化模型数据；步骤7c，对所有带有感知信息的三角形进行模型简化，并输出简化模型数据。2. 根据权利要求l所述的复杂建筑物三维模型多分辨率自动建模方法，其特征在 于所述步骤4的实现方式包括以下步骤，步骤4.1，根据预设的模型显示设备的最佳分辨率r、最佳观察距离v，以及空间采样信号最大频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜志强，朱庆，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[]