[發明專利]一種保持外觀特征的復雜三維建筑物模型簡化方法

有效

• 申請號: 201810704412.1
• 申請日: 2018-07-02
• 公開（公告）號: CN108961411B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 佘江峰;顧笑顏;童鳴;王超凡
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20;G06F30/13
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 李玉平

本發明公開了一種保持外觀特征的復雜三維建筑物模型簡化方法，包括如下步驟：(1)基于廣度優先搜索的網格分割，結合拓撲關系和顏色特征將模型表面網格劃分為多個子網格；(2)綜合幾何和紋理的簡化誤差計算，對模型上的每一條邊計算其簡化誤差，簡化誤差公式綜合考慮網格分割信息以及幾何誤差和紋理誤差；(3)考慮紋理不連續特征的半邊折疊簡化，每次從網格中選擇誤差最小的邊進行半邊折疊簡化，簡化后進行紋理坐標調整。完成上述步驟后，更新相鄰邊的簡化誤差，并繼續進行半邊折疊，直到簡化率達到設定的閾值為止。本方法能夠在幾何和紋理兩方面取得有效的平衡，使簡化結果具有良好的簡化質量和視覺效果。

技術領域

本發明涉及三維地理信息處理技術領域，主要用于三維城市場景中的建筑物模型數據簡化。

背景技術

目前對三維建筑物模型簡化的研究主要有以下幾個方面：

(1)基于投影的簡化方法

此類方法將三維建筑物模型投影到地表平面，再借用傳統的二維制圖綜合技術進行要素簡化，最后恢復成三維模型。Sester?et?al.對建筑物基底作參數化處理并構建能量函數，基于最小二乘法尋找最佳簡化結果。Fan?et?al.在簡化算法中加入建筑物基底與屋頂的相交測試，從而修正簡化后的建筑物模型，保證了模型的完整性，但仍不足以處理結構復雜的建筑物模型。基于投影和簡化方法經常用于對建筑群的簡化，即將多個鄰近的建筑物基底面多邊形聚合簡化為一個多邊形，從而降低場景的數據量。Chang?et?al.利用單鏈聚類對建筑群進行分組，將組內的多個建筑物底面融合，能夠保證道路、街區、地標建筑等城市主要特征的視覺顯著性。Yang?et?al.等在Chang的基礎上引入了格式塔準則，使生成的LOD(Levels?of?Detail，多細節層次)模型更符合人類認知習慣。Wang?et?al.提出了一種基于圖割的方法來優化建筑物的聚類過程。潘文斌等將建筑物紋理引入三維建筑物模型的聚類過程中，通過使用SOM(Self-Organizing?Maps，自組織映射)算法對紋理進行分類，根據分類結果分割鄰接圖，提高了建筑物聚類的準確性，但該方法只利用了屋頂紋理，未考慮側面紋理信息。

(2)基于模型特征的簡化方法

基于模型特征的簡化方法通過識別并提取建筑物模型的幾何或紋理特征，以保持模型特征為目標進行簡化。一些研究主要考慮模型的幾何特征，如Rau?et?al.定義了建筑物結構特征分辨率，對尺寸小于該分辨率的幾何結構進行多面體合并和折疊等操作，并設置不同大小的分辨率以控制模型的簡化程度。Li?et?al.將建筑物分為嵌入結構、組合結構和連接結構，利用頂點刪除算法對各類結構分別進行簡化，簡化后再執行相應的拓撲調整。但對于結構更復雜的建筑物模型，該方法劃分的結構類型稍顯不足。Chen?et?al.定義了一種紋理誤差測度，將其應用到頂點聚類算法中能更好地保持建筑物的紋理細節信息，該方法的缺點在于難以保持模型的局部拓撲結構。Zhang?et?al.提出FEdge結構用以構建建筑物模型聚類實例，并實現了建筑物模型在幾何和紋理兩方面的簡化，但方法主要應用于形狀規則的塊狀模型上，模型的紋理信息也比較簡單。

(3)基于符號的簡化方法

虛擬地理環境雖然強調真實感表達，但為了提高交互性能和渲染效率，有必要對復雜的三維建筑物模型進行符號化表達。構建建筑物LOD時，在低細節層次中用基本的幾何要素如長方體、棱柱等以及其組合來表達模型是一種典型的符號化簡化方法。Thiemann?etal.基于自適應模板對建筑物模型進行簡化，以模板與原始模型的距離和體積之差作為簡化誤差測度，利用最小二乘法求解與原始模型最為接近的模板。Kada預先將建筑物屋頂劃分為多個單元并解析其結構特征，再從屋頂模板庫中選擇最佳匹配模板以替代原始結構。考慮到三維地圖導航中用戶重點關注道路信息和地標建筑，Glander?et?al.將不重要的背景建筑物用塊狀單元表示，只對地標性建筑物顯示其精細模型。通過塊狀單元的不斷合并使場景的抽象程度逐步提高，既降低了城市場景的復雜度，又能突出表達地標性建筑。該方法適合于建筑物密集的城市中心區域，在建筑物分布稀疏地區的表達效果較差。