CN101551916A - 一种基于本体技术的三维场景建模方法及系统 - Google Patents
一种基于本体技术的三维场景建模方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于本体技术的三维场景建模方法，它包括：建立需建模场景的本体描述文件；使用递归语法方法生成场景模型，存储为语义格式；检查生成的场景模型是否与建立的规范文件中的规范信息存在冲突。本发明还提供了一种实现上述方法的基于本体技术的三维场景绘制系统。本发明不需要昂贵的建模设备，具有交互简单，易于使用，构建的场景符合客观事实。特别是针对需建立符合特定历史规定的历史场景的应用过程中，本发明中的方法能够较好的将历史学家、建筑学家、地理学家、计算机专家等对历史场景的正确描述结合起来，构建出符合历史和地理特点的特定历史场景。
Description
技术领域
本发明涉及复杂三维场景模型建立方法。
背景技术
当前较为通用的三维场景建模方法主要有：
(1)人工手动三维场景建模：利用商业三维建模软件如3DS，Sketchup手工构建三维模型场景。此类方法仍然是目前最为可靠的三维场景建模方法，但是需要耗费大量的人工劳力，效率低下。
(2)物理模型建模：建立三维场景的物理模型，通过指定输入到模型中的参数获得需构建的三维场景模型。该方法的缺点是显而易见的，首先对复杂场景，建立起物理模型是非常困难的，其次并不是所有的三维场景都能够建立其物理模型进而构建三维模型，因此该方法在实际应用中存在着较多的限制。
(3)语法建模方法：即建立场景模型构建的递归规则如L-system，shape grammar等等，通过递推该语法规则获得场景模型，参见Przemyslaw Prusinkiewicz.Simulationmodeling of plants and plant ecosystems.Communications of the ACM，43(7)：84-93，2000.和Pascal
Peter Wonka，Simon Haegler，Andreas Ulmer，and Luc J.Van Gool.Proceduralmodeling of buildings.ACM Transactions on Graphics，25(3)：614-623，2006.此类方法虽然能够高效的生成大量的三维场景模型，但是限于递归语法的随机性，无法保证生产的模型都能符合建模需求。
(4)基于自然语言描述的建模：通过自然语言描述场景，对语言解析后构建出场景模型，参见Richard Johansson，Anders Berglund，Magnus Danielsson，and Pierre Nugues.Automatic text-to-scene conversion in the traffic accident domain.In Proceedings of theNineteenth International Joint Conference on Artificial Intelligence，Edinburgh，Scotland，UK，July 30-August 5，pages 1073-1078，2005.和Robert Coyne and Richard Sproat.
Wordseye：an automatic text-to-scene conversion system.In Proceedings of the 28thAnnual Conference on Computer Graphics，Los Angeles，California，USA.ACM，pages487-496，2001.采用此类方法通常会受到自然语言的歧义性和上下文语义的影响，造成建模结果不唯一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于本体技术的三维场景建模方法，达到简单高效准确地为用户建立所需三维场景模型的目的。为此，本发明采用以下技术方案：(1)建立需建模场景的本体描述文件，所述描述包括：
(1)建立需建模场景的本体描述文件，所述描述包括：
A1.需建模场景的部件构成的一种或多种描述，
B1.所述部件组合关系的一种或多种描述，
C1.所述部件的属性特征的一种或多种描述，所述属性特征包括部件的基本部件构成、基本部件组合关系、基本部件的三维绘制方法；
建立一个或多个规范文件，所述规范文件记载需建模场景的本体描述规范信息，所述规范信息至少包括以下选项的一项内容：
A2.需建模场景的部件构成的规范信息，
B2.所述部件组合关系的规范信息，
C2.所述部件的属性特征的规范信息；
(2)在A1、B1、C1中分别选择一种描述，使用递归语法方法生成场景模型，存储为语义格式；
(3)检查步骤(2)所生成的场景模型是否与步骤(1)所建立的规范文件中的规范信息存在冲突，若存在冲突则返回步骤(2)，对应冲突部分，在A1、B1、C1中选择另一种描述，重新生成场景模型；若不存在冲突，根据生成的场景模型绘制三维场景。
所述的冲突是指生成的场景模型其中的部件组合关系不符合B2中给出的部件组合关系规范或者生成的场景模型其中的部件属性特征不符合C2中的规范。
本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种实现上述方法的基于本体技术的三维场景绘制系统。它包括CPU、内存储器、外存储器、系统总线、图形加速卡、显示器，所述系统在外存储器中设有：
需建模场景的本体描述文件的存储单元，
需建模场景本体描述规范信息的规范文件的存储单元，
过程式建模单元，用于依据记载需建模场景本体描述文件递归产生场景模型；
一致性检查单元，用于检测过程式建模单元建立的场景模型特征是否符合所述规范文件中的规定；
绘制单元，依据内存储器中的语义格式场景数据绘制出场景的三维模型。
所述系统在外存储器中还可进一步设有关系映射单元，用于统一需建模场景本体描述文件和记载需建模场景本体描述规范信息的规范文件的用语。
由于采用本发明的技术方案，与背景技术相比本发明具有的有益效果：
本发明针对已有建模方法成本高、耗费大建模过程过于复杂等缺点，提出了一种可以整合领域专家对建模场景描述的本体建模方法。本方法不需要昂贵的建模设备，具有交互简单，易于使用，构建的场景符合客观事实。特别是针对需建立符合特定历史规定的历史场景的应用过程中，本发明中的方法能够较好的将历史学家、建筑学家、地理学家、计算机专家等对历史场景的正确描述结合起来，构建出符合历史和地理特点的特定历史场景。
附图说明
图1为本发明本体建模方法步骤流程示意图。
图2为本发明的计算机系统结构方框图。
图3为本发明中本体对象层次关系的结构示意图。
具体实施方式
首先对本发明所涉及的术语概念进行解释：
本体：本发明中涉及到的本体概念是一个三元组，C＝<W，R，V>。这里C表示了建模对象所对应的概念领域，例如中国江南古代建筑这一概念领域，对应本发明中需构建的场景概念；W是概念的领域空间，它包括了所有构成这一领域概念的实例(即本体绘制需要生成的三维模型实例)，例如，对应中国江南古代建筑这一概念领域，W是指所有的属于中国江南古代建筑的建筑个体，对应本发明中需要建模的场景实例；V是建模对象的概念领域的部件集(前述技术方案中的A1)，例如，构成中国江南古代建筑的所有建筑子部件，对应本发明中的场景构成部件；R是领域概念中的知识集，可以看作是组合V中子部件形成具体场景模型的规范和规则集合，对应本专利中场景构成部件间的组合关系(即前述技术方案中的B1和C1)。
场景：本发明中涉及到的场景是现实或者历史上存在的客观环境或者情景。
部件：本发明中指构成场景的具体组成单元。
部件构成：构成场景的部件种类。
基本部件：本发明中指构成部件的具体组成单元。
基本部件构成：构成部件的基本部件种类。
组合关系：本发明中，泛指构成场景的部件或构成部件的基本部件之间的空间和几何上面的放置顺序、比例、位置、数量等。
本发明中构建三维场景模型包括如图1的流程，本发明的三维场景模型构建通过计算机完成，需要配置：CPU211、内存储器、外存储器、系统总线203、图形加速卡、显示器。下面结合建立一个位于杭州的隋代运河旁的街道场景为例来详细说明本发明中的方法：
(1)首先依据流程步骤102建立运河街道三维场景的本体描述文件，包括：
A.运河街道三维场景的部件构成的一种或多种描述。
比如：以“房屋”、“桥”、“码头”、“塔”、“运河”、“街道地面”等等为可选择的部件，由计算机软件领域的专家构建一种或多种描述，“房屋、桥”、运河”、“街道地面”为一种部件构成，以“房屋、桥、码头、塔、运河、街道地面”为另一种部件构成等等多种描述。
B.部件组合关系：
b1.“桥”位于“运河”之上；
b2.“房屋”位于“桥”和“运河”旁，或在“街道地面”两侧；
b3.“码头”位于“运河”之上；
b4.“塔”周围需要有n米的空旷区域；
b5.“房屋”与“房屋”之间存在距离为m米的间距；
以上的b1、b2、b3、b4、b5为计算机软件领域的专家所构建的一种组合关系；针对A中的描述，计算机软件领域的专家还可依此方法构建其它的组合关系。
C.场景构成各个部件属性特征描述，如表1：
就表1中而言，各部件的基本部件构成、基本部件组合模式、基本部件属性特征描述均可有一种或多种备选的描述；基本部件可选类型及其三维绘制方法实际上已包括了基本部件具体形状的多种备选的描述。基本部件属性特征的描述为可选项，当各基本部件不能再被分解为子部件构成时，该基本部件属性特征可以不描述，当全部或部分基本部件需要再被分解为子部件组成时，此时需被分解的基本部件被代位为部件，再进一步地进行类似上述属性特征的描述方式。
计算机的外存中设有该文件的存储单元201，所建立的文件存储到该存储单元201中。
(2).执行图1流程步骤103，建立一个或多个规范文件，所述规范文件记载需建模场景的本体描述规范信息，本步骤与步骤102没有先后次序。所述规范信息可由与场景相关的学科专业领域的专家制定，在本实例中需构建位于杭州的隋代运河旁街道，因此涉及到两个与建模效果相关的专业领域，运河街道场景的历史背景和地理背景。因此，分别针对运河和历史背景和地理背景两个专业领域建立相关的规范文件，所述规范文件中记载需建模场景的本体描述的规范信息，比如，所述规范信息包含表2的内容：
| 部件 | 历史背景领域特征本体描述 | 地理背景领域特征本体描述 |
| 桥 | 具备隋代桥梁建筑的工艺和技术特点 | |
| 房屋 | 隋代建筑的特殊组合模式 | 南方特色的屋顶 |
| 塔 | 南方塔建筑的特定组合模式 | |
| ... |
即：对需建模场景的部件构成、部件组合关系、部件的属性特征描述中的其中一点或多点的肯定性规定和排除性规定；
计算机的外存中设有该文件的存储单元202，所建立的文件存储到该存储单元202中。
(3)生成语义格式场景模型104。
计算机中的设有执行过程式建模单元204，它是以软件的形式存储在计算机的外存中，供CPU调用，它应用过程式建模方法根据步骤102的本体描述构建出三维场景模型。即通过本体描述中的部件构成及部件组合关系描述，随机组合构成运河街道场景的部件，“桥”，“房屋”，“塔”，“运河”，“码头”，“街道地面”，并且按照表1中给出的部件属性特征描述中的随机一种描述建立语义格式的三维场景，生成的语义格式场景数据207存储至计算机的内存中。
以生成建筑模型为例，下面给出一个简单房屋的模型语义描述的例子，它包含几个基本的组成成员：屋顶(roof)、墙壁(wall)，下面给出的例子中只有一层，四面墙和一个屋顶：
<House type＝″residential″floor＝″1″>
<Name>A Simple House</Name>
<BoundedBy type＝″Box ″>
<Box>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
</Box>
</BoundedBy>
<Housemember>
<Wall>
<GateWindowWall type＝″1″>
<Name>Front Wall</Name>
<BoundedBy type＝″LineString″>
<LineString>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
</LineString>
</BoundedBy>
<Height>3.5</Height>
<Thickness>0.3</Thickness>
</GateWindowWall>
<ConjunctWall type＝″1″>
<Name>Right ConjunctWall</Name>
<BoundedBy type＝″Polygon″>
<Polygon>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>3.5</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>6.38675</Y>
<Z>5</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>3.5</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
</Polygon>
</BoundedBy>
<Thickness>0.3</Thickness>
</ConjunctWall>
<GateWindowWall type＝″1″>
<Name>Back Wall</Name>
<BoundedBy type＝″LineString″>
<LineString>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
</LineString>
</BoundedBy>
<Height>3.5</Height>
<Thickness>0.3</Thickness>
</GateWindowWall>
<ConjunctWall type＝″1″>
<Name>Left ConjunctWall</Name>
<BoundedBy type＝″Polygon″>
<Polygon>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
<Point>
<X>0</X>
<Y>3.5</Y>
<Z>10</Z>
</Point>
<Point>
<X>0</X>
<Y>6.38675</Y>
<Z>5</Z>
</Point>
<Point>
<X>0</X>
<Y>3.5</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>0</Z>
</Point>
</Polygon>
</BoundedBy>
<Thickness>0.3</Thickness>
</ConjunctWall>
</Wall>
<Roof>
<Name>Main roof</Name>
<BoundedBy type＝″LineString″>
<Point>
<X>0</X>
<Y>0</Y>
<Z>5</Z>
</Point>
<Point>
<X>10</X>
<Y>0</Y>
<Z>5</Z>
</Point>
</BoundedBy>
<Length>10</Length>
<Width>5+0.5</Width>
<SlantAngle>0.261799</SlantAngle>
</Roof>
</Housemember>
</House>
(4)根据步骤102中各描述方式的排列组合，理论上可以由计算机生成多种场景模型，因此，由一致性检查单元206对所生成的场景模型与步骤103建立的规范文件进行对比，它是以软件的形式存储在计算机的外存202中，供CPU调用，它检查步骤104生成的三维场景模型是否与学科专业领域的专家给出的本体描述规范信息存在冲突，或者说是否存在不一致，即检查生成的场景模型是否符合表2中给出的相关领域本体描述规范信息，比如，街道场景模型是否符合隋代的历史背景，建筑风格和组合模式是否符合隋代的历史史实，街道布局风格是否符合南方城市的特点(即地理背景)。
若存在冲突，则返回步骤104，对应冲突部分，在步骤102中所建立的本体描述文件中选择另一种描述替换冲突部分，重新生成场景模型，不断循环生成新的场景模型直至场景模型与规范文件中的本体描述信息不再存在冲突为止；当不存在冲突时，则进入步骤106。
在进行步骤105前，还可以应用关系映射单元205，对步骤104中构建的街道场景模型，建立具体的生成模型的部件与表1中的具体部件(即场景模模型中的桥，房屋，路面对应到表1中给出的“桥”，“房屋”，“路面”的描述)的对应关系，然后再用一致性检查单元206进行步骤105。关系映射单元205是以软件的形式存储在计算机的外存中，供CPU调用。
下面以本实施例中的隋代运河旁街区的生成为例说明关系映射单元工作原理。如图3，包括运河旁街区本体301，以及一个有历史专家给出的隋代建筑规范描述本体313和建筑专家给出的运河旁房屋规范本体307。其中运河街道房屋规范本体307的规范描述部件集合309包括：屋顶310，门311，墙312等部件；隋代建筑规范本体313的规范描述部件集合315包括：窗户316，建筑大门317，建筑墙体318等部件；隋代建筑规范描述本体313和建筑专家给出的运河旁房屋规范本体307之间存在的对应关系有：(319：“建筑墙体”318对应“墙”312)，(320，“建筑大门”317对应“门”311)，(321，“建筑”314对应“房屋”308)。关系映射单元205首先找到上述多个规范文件本体中的对应关系，然后将对应部件生成的对应模型部件之间建立映射关系，然后进行一致性检查。
(5)输出生成的模型渲染绘制最终模型，106。将运河旁的街道场景的语义格式数据207，输入至绘制单元209，通过图像加速卡208渲染绘制街道三维场景模型，输出到显示设备210。绘制单元209是以软件的形式存储在计算机的外存中，供CPU调用。
Claims (5)
1.一种基于本体技术的三维场景绘制方法，其特征在于它包含如下步骤：
(1)建立需建模场景的本体描述文件，所述描述包括：
A1.需建模场景的部件构成的一种或多种描述，
B1.所述部件组合关系的一种或多种描述，
C1.所述部件的属性特征的一种或多种描述，所述属性特征包括部件的基本部件构成、基本部件组合关系、基本部件的三维绘制方法；
建立一个或多个规范文件，所述规范文件记载需建模场景的本体描述规范信息，所述规范信息至少包括以下选项的一项内容：
A2.需建模场景的部件构成的规范信息，
B2.所述部件组合关系的规范信息，
C2.所述部件的属性特征的规范信息；
(2)在A1、B1、C1中分别选择一种描述，使用递归语法方法生成场景模型，存储为语义格式；
(3)检查步骤(2)所生成的场景模型是否与步骤(1)所建立的规范文件中的规范信息存在冲突，若存在冲突则返回步骤(2)，对应冲突部分，在A1、B1、C1中选择另一种描述，再重新生成场景模型；若不存在冲突，根据生成的场景模型绘制三维场景。
2.根据权利要求1所述的基于本体技术的三维场景建模方法，其特征在于它在进行步骤(1)时还进行关系映射，所述关系映射步骤如下：
(1)对A1中的描述和A2中的规范信息理顺其术语关系，先将A1和A2中用于描述部件的所有“别名”或“称谓”对应到同一部件上，再将A1和A2中表示对象相同的部件之间建立起对应关系；
(2)对B1中的描述和B2中的规范信息理顺其术语关系，将B1和B2中用于描述同样一组部件间的组合关系建立起对应关系；
(3)对C1中的描述和C2中的规范信息理顺其术语关系，将C1和C2中用于描述同一部件的同一特征属性建立起对应关系。
3.根据权利要求1所述的基于本体技术的三维场景建模方法，其特征在于：步骤(2)中采用递归语法方法生成场景模型的语义存储格式表述如下：
<elment>
<shape>
描述部件绘制方法
</shape>
<attribute 1>
....
</attribute 1>
.......
<attribute n>
....
</attribute n>
<\elment>
4.一种基于本体技术的三维场景绘制系统，它包括CPU、内存储器、外存储器、系统总线、图形加速卡、显示器，其特征在于所述系统在外存储器中设有：
需建模场景的本体描述文件的存储单元，
需建模场景本体描述规范信息的规范文件的存储单元，
过程式建模单元，用于依据记载需建模场景本体描述文件递归产生场景模型；
一致性检查单元，用于检测过程式建模单元建立的场景模型特征是否符合所述规范文件中的规定；
绘制单元，依据内存储器中的语义格式场景数据绘制出场景的三维模型。
5.如权利要求4所述的一种基于本体技术的三维场景绘制系统，其特征在于所述系统在外存储器中还设有：关系映射单元，用于统一需建模场景本体描述文件和记载需建模场景本体描述规范信息的规范文件的用语。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20091007 Assignee: Hangzhou limited company of Nan Jiang robot Assignor: Zhejiang University Contract record no.: 2015330000100 Denomination of invention: Method and system of three-dimensional scene modeling based on ontology Granted publication date: 20120229 License type: Exclusive License Record date: 20150508 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |