[發明專利]一種拓撲關系保持的三維建筑物簡化方法及系統

有效

• 申請號: 202110463721.6
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113129443B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 佘江峰;王標;趙強;葛榮存;賀麗霞
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06T17/10
• 分類號: G06T17/10;G06T17/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孟紅梅

為解決現有三維模型簡化方法在簡化建筑物模型時容易導致的組件脫離以及建筑物拓撲關系的破壞等問題，本發明提出了一種拓撲關系保持的建筑物簡化方法及系統。首先將建筑物劃分為不同的組件，再基于相交檢測方法進行頂點識別，分為邊界點、孔洞點和普通點；在考慮頂點類型的同時，引入邊折疊夾角定義一種新的誤差度量，以限制組件邊界的簡化；最后根據新的誤差度量計算邊折疊耗費并依次執行邊折疊操作以完成簡化過程。與傳統方法相比，本發明在保持建筑物外觀的同時能夠有效避免拓撲關系的破壞，使得不同LOD層次間的通視分析具有比較好的一致性。

技術領域

本發明屬于計算機圖形學與虛擬地理環境領域，具體涉及一種拓撲關系保持的三維建筑物簡化方法及系統。

背景技術

三維城市場景因其能夠提供易于感知和理解的真實場景，在城市應用中日益突出。建筑物模型是三維城市場景的重要組成部分之一，能否在交互過程中實現建筑物高效的渲染直接影響著用戶的最終體驗。隨著三維建模手段的多樣化，特別是激光雷達和航空攝影測量技術的快速發展，三維建筑模型的數據量急劇增加。雖然現代計算機硬件的計算能力提升巨大，但仍無法滿足數據爆炸式增長引發的需求，給三維模型的實時渲染帶來了極大的困難。這個問題的主要解決方案是使用細節層次模型，即LOD(Level?of?Details)。使用多細節層次的三維模型能有效減少渲染所需的數據量，提高渲染效率。此外，在許多空間分析應用中，多細節層次模型也具有不可替代的作用，如在大規模城市場景下進行通視分析時，使用LOD模型能夠有效提升空間分析的效率，因此保持不同LOD層次空間分析的一致性是必要的。

生成不同層次LOD的核心是簡化算法。三維模型的簡化算法一直是計算機圖形學領域的研究熱點，目前已發展出許多經典的簡化算法，但這些算法大多針對的是自由曲面模型。由于三維建筑物本身特有的幾何約束關系(垂直、平行和共面關系)，學者們也提出了一系列專門針對三維建筑物的簡化算法，能夠較好的保持建筑物的外觀特征。由近年來在建筑設計領域得到廣泛應用的程序建模過程可知，建筑物模型大多是利用組件逐步建立的，其中每一個組件都是獨立的格網(圖1的(b))。然而現有算法在簡化上述多組件模型時未考慮組件的拓撲連接關系，容易導致相鄰組件脫離，產生裂縫(圖1的(c))，致使建筑物不同LOD層級間拓撲關系不一致，在此基礎上進行的三維通視分析也可能會結論不一致。雖然也有一些方法考慮到了建筑物的拓撲關系，但主要用于三維建筑物模型重構，且對數據集有較為嚴格的要求。總體而言，針對多組件建筑物考慮拓撲關系的簡化研究還有待深入。

發明內容

發明目的：針對現有三維建筑物模型簡化方法在可視化效果以及空間分析方面的缺陷，本發明公開了一種考慮建筑物組件拓撲關系的建筑物簡化方法及系統，在保持建筑物外觀的同時有效避免了簡化過程中不同LOD層次間的拓撲不一致問題，使得在此之上進行的三維通視分析具有比較好的一致性。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

一種拓撲關系保持的三維建筑物簡化方法，包含以下步驟：

(1)按照建筑物格網是否連通將建筑物劃分為不同的組件；

(2)基于相交檢測方法對建筑物頂點進行分類與識別，分為邊界點、孔洞點以及普通點；所述邊界點是指與相鄰組件相交的邊中位于相交組件內部的頂點；所述孔洞點是指僅有一個鄰域三角形的邊的兩個頂點；除邊界點和孔洞點之外的點均為普通點；

(3)引入邊折疊夾角定義新的邊折疊誤差度量公式，對于邊界點折疊，在QEM算法的基礎上增加代價倍數，所述代價倍數為基礎耗費倍率與邊折疊夾角余弦值的比值；所述邊折疊夾角為邊界邊與相交三角形的夾角；

(4)根據誤差度量計算邊折疊耗費并依次執行邊折疊操作以完成簡化過程。

進一步地，步驟(1)中具體包括：

(1.1)遍歷建筑物所有格網，生成點集合P并將所有頂點標記為未訪問；