CN101763656B - 三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，利用现有的城市建筑二维平面CAD测绘图和相关数据准备，采用3D技术构建三维建筑要素模型，实现三维城市建筑分层分户模型的显示控制和三维场景中的用户交互。本发明实现了基于建筑物结构细节的多层次显示和操作；以符合观察者视觉习惯和心理习惯的方式对真实建筑物的内外部结构进行再现；实现与用户的可视化交互；可广泛应用于建筑设计、楼盘展示、室内导航等领域。

Description

三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法

技术领域

本发明属于空间信息技术领域，涉及一种三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法。

背景技术

三维城市建筑模型的使用，正日益成为数字城市、数字地球建设的重要内容。与二维空间数据的应用相比，三维模型更注重以符合观察者视觉习惯和心理习惯的方式对真实世界进行细节再现。三维建模技术主要是针对城市建筑的三维表面建模，用户只能浏览到建筑的外部特征，无法满足用户对建筑物内部细节信息的查看和交互需求。

如何从多细节、多层次表达的角度出发，对建筑内外结构进行合理抽象，以实现三维建筑内外一体化表达，已成为当前空间信息领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，用于解决现有三维建筑模型缺乏内部要素的细节表达及用户交互的问题。使用本发明的构建模型、数据管理和显示控制方法，可以实现三维城市建筑分层分户模型的一体化构建、内外部细节三维显示及用户交互等功能。

本发明利用现有的城市建筑二维平面CAD测绘图，采用3D技术构建建筑物内外一体化模型，实现三维城市建筑分层分户模型的显示控制和三维场景中的用户交互。本发明可广泛应用于建筑设计、楼盘展示、室内导航等领域。

本发明提供的三维建筑模型构建与显示控制方法具体步骤为：

第一步、二维平面CAD测绘图相关数据准备。

包括：房产建筑物平面图、分层图、分户图所示等二维CAD测绘图，以及建筑物高度、各楼层高度、各户室高度、墙面厚度等数据。

第二步、三维建筑要素模型的构建与集成。

步骤2.1：建筑物三维模型构建；

步骤2.2：建筑物楼层模型的构建；

步骤2.3：建筑物户室模型的构建；

步骤2.4：三维建筑要素模型的集成；

用场景编辑器集成和生成三维城市建筑分层分户模型，具体步骤如下：

(1)将建筑物三维模型、各个楼层三维模型、各户室模型导入到场景编辑器中，并手动为为每个要素模型编码.

(2)在场景编辑器中，手动调整并确定每个楼层相对于建筑物的空间位置，以及每一个户室模型的相对空间位置，通过场景编辑器自动生成各级模型的空间关联描述文件.

(3)保存当前场景，导出构建的建筑物、楼层、户室等多层次建筑要素模型集成为三维城市建筑分层分户模型，实现建筑物内外一体化空间关联表达。

第三步、三维建筑分层分户模型的控制显示。

用户查看建筑物信息时，显示建筑物模型；用户进入建筑物内部查看楼层信息时，显示楼层模型，表达该楼层的建筑格局及其在建筑物中的相对位置，并对建筑物模型外表纹理进行半透明三维特效处理；用户查看户室信息时，显示户室模型，明确该户室的建筑格局及其在楼层中的相对位置。

本发明的优点在于：

(1)实现了基于建筑物结构细节的多层次显示和操作；

(2)以符合观察者视觉习惯和心理习惯的方式对真实建筑物的内外部结构进行再现；

(3)实现与用户的可视化交互；

(4)实现“建筑物-楼层-户室”各级建筑要素模型与相应信息关联，使得信息表达更加深入和集中，三维立体的展示效果更加真实直观。

附图说明

图1是本发明三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法流程图；

图2a是本发明使用的建筑物平面图；

图2b是本发明使用的建筑物分层图；

图3是本发明使用的分户图；

图4是建筑物模型构建流程图；

图5是楼层模型构建流程图；

图6是户室模型构建流程图；

图7是三维建筑要素模型的集成流程图；

图8是三维城市建筑分层分户模型的数据存储关系示意图；

图9是三维城市建筑分成分户模型的显示控制示意图；

图10是本发明的透明分层分户三维建筑模型显示示意图；

图11是观察三维建筑视角示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法。本发明以现有的多尺度多精度的二维平面CAD测绘图为基础，构建三维城市建筑分层分户模型，并对模型进行显示控制。

本发明的三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法流程如图1所示，具体包括如下几个步骤：

步骤一：二维CAD测绘图和相关数据的准备；

需要准备的数据包括：房产建筑物平面图、分层图、分户图等二维平面CAD测绘图。如图2a、2b、图3所示。

如图2a，建筑物平面图描述了建筑主体的轮廓和占地范围；如图2b，分层图则针对建筑物楼座的不同层，对每个楼层特征的进行描述，有助于更准确地反映建筑物的外立面细节。平面图和分层图中都包含了层数信息，可以用于推算建筑物及其各组成部分的高度。

分层图是按照楼层分幅，以一个楼层为基本单位，绘制成的楼层权属范围的细部图。分层图描述了楼层的空间属性，从微观上详细记录了楼层的内部结构、精确的楼层尺寸以及整个楼层的面积属性、墙体厚度。

分户图是按照户室分幅，如图3，以一户房屋所有权为单位，绘制成的房屋权属范围的细部图。房屋分户图描述的是房屋的空间属性，从微观上详细记录了房屋的内部结构、精确的房屋尺寸以及整幢房屋的面积属性。

上述各种二维平面CAD测绘图需以三维建模软件可读的文件格式wmf、dwg存储。此外，还需要准备建筑物高度、各楼层高度、各户室高度、墙面厚度等数据。

所述的二维平面CAD测绘图以及各种数据可以通过传统测绘、数字化、数字测量等多种方式获得。

步骤二：三维建筑要素模型的构建与集成；

首先构建建筑物三维模型、楼层模型和户室模型，每个模型构建之后都导出并保存相应的.X文件和关联贴图文件，所述的.X文件中记录了模型三维结构关键点的坐标信息及其对应的贴图文件路径。具体如下：

步骤2.1：建筑物三维模型构建；

如图4所示流程图，使用三维建模软件(3ds Max或Maya等)，基于房产建筑物二维平面CAD测绘图构建建筑物三维模型：对建筑物平面图二维封闭多边形(如图2)按高度、墙体厚度参数进行垂直拉伸(extrude)处理生成建筑物三维模型，导出并保存建筑物三维模型。

步骤2.2：建筑物楼层模型的构建；

如图5所示，使用三维建模软件，基于分层图的二维平面CAD测绘图，对具有内部格局的二维楼层图多边形按高度、墙体厚度参数进行垂直拉伸处理，生成各楼层模型，多个楼层模型构成楼层模型系列，最后导出并保存建筑物的各楼层模型。

步骤2.3：建筑物户室模型的构建；

如图6所示，使用三维建模软件，基于分层分户图的二维平面CAD测绘图，将具有户室格局的二维户室图多边形按高度、厚度参数进行垂直拉伸处理，生成各户室模型，即户室三维模型；多次构建形成户室模型系列；最后将全部户室模型分别导出并保存。

步骤2.4：三维建筑要素模型的集成；

设计并实现三维城市建筑分层分户模型的场景编辑器(以下简称为“场景编辑器”)，场景编辑器是一个可以手动编辑三维建筑模型的软件，它需要满足以下功能：用户可以在设定的三维环境中，添加多个现有的建筑物三维模型，调整其空间位置，将多个不同级别的建筑物三维模型组成统一的三维模型体，生成和保存楼、层、户间的空间关联数据文件，存储上述过程构建的三维建筑要素模型。

用场景编辑器集成和生成三维城市建筑分层分户模型，如图7所示，具体步骤如下：

1)将步骤2.1所得的建筑物三维模型、步骤2.2所得的各个楼层三维模型、步骤2.3所得的各户室三维模型导入到场景编辑器中，每个三维模型都作为场景编辑器的要素模型，并手动为每个要素模型编码。为了在三维环境中实现要素模型的高效索引，通过多层次空间关联描述确定模型的加载位置，需要给各级要素模型分配唯一标识。因此，我们对建筑物各级要素模型进行统一编码，编码命名的规则如表1所示，建筑物分层分户要素模型的统一编码由三部分组成：建筑物编码、楼层编码和户室编码。此编码会在场景编辑器存储并导出一体模型时，存入空间关联描述的XML文件，也叫配置文件。

表1要素模型的统一编码

建筑物编码	楼层编码	户室编码
			AAAA	AAAA-0001	AAAA-0001-0001

表1中，建筑物的编码规则和位数可以依据实际应用情况而定，楼层编码为所在建筑物的编码后追加数位流水号(如AAAA-0001)，户室编码为所在楼层编码后追加数位流水号。

2)在场景编辑器中，手动调整并确定每个楼层相对于建筑物的空间位置，以及每一个户室模型的相对空间位置，通过场景编辑器自动生成各级要素模型的空间关联描述文件；

定义建筑物、楼层、户室3级建筑要素模型的聚合关系：利用各级建筑要素模型所具有的空间属性数据，按其聚合层次，描述每一个要素模型的空间位置，称为空间关联描述；

场景编辑器在进行多层次建筑要素模型集成并生成三维城市建筑分层分户模型时，可自动保存各要素模型的统一编码和空间位置值，并生成该建筑物的空间关联描述文件(采用XML格式)，通过空间关联描述文件可以将相应的要素模型文件加载并显示在三维空间中的相应位置。空间关联描述文件的内部结构如表2所示：

表2透明三维建筑模型各要素类空间属性说明

3)保存当前场景，导出构建的建筑物、楼层、户室等多层次建筑要素模型集成为三维城市建筑分层分户模型，实现建筑物内外一体化空间关联表达。

建筑物模型、楼层模型、户室模型作为单个要素模型，都可成为最基本的存储单位，考虑到就近访问原则，在要素模型文件存储方面，采用多层存储的方式；文件存储方式与建筑要素模型聚合关系以及空间关联描述相对应，各种文件和模型要素的关联方式如图8所示：各级要素模型(包括建筑物模型、楼层整体模型和户室模型)的信息包括.X文件和相应的贴图文件，.X文件中记录了模型三维结构关键点的坐标信息及其对应的贴图文件路径。各级要素模型的存储结构按楼-层-户的实际层级关系组织，建筑物模型文件夹下，包含建筑物模型的.X文件和贴图文件、各楼层模型的文件夹和楼层空间关联描述的XML文件；楼层模型文件夹下包含楼层的.X文件和相应贴图文件、各户室模型的文件夹和户室空间关联描述的XML文件，户室文件夹下包含户室的.X文件和相应的贴图文件。

如上所述的模型组织方式，便于在建筑分层分户模型显示时，快速获取模型要素文件.X和贴图的路径。

步骤三：三维城市建筑分层分户模型的显示控制；

本发明提供的三维城市建筑分层分户模型是一种集成了建筑物外观模型、楼层模型和户室模型的一体化模型。上述三个层次的模型，都可以作为独立的操作单元，进行加载和用户选取；从而更加真实、直观、形象地表现建筑物-楼层-户室之间的空间位置。

基于本发明的方法，三维地理空间系统中，可以分三个层次显示建筑物特征：a)加载建筑物模型，展示建筑物外观整体特征；b)将建筑物模型做半透明效果处理，同时显示某楼层模型，表达该楼层的建筑格局及其在建筑物中的相对位置；c)将建筑物和楼层模型做半透明效果处理，同时显示某户室模型，明确该户室的建筑格局及其在楼层中的相对位置。

对于本发明的建模所得模型的显示控制，可以通过三维地理信息系统软件实现显示，这里以worldwind开源软件为例，实现发明中的对建筑物分层分户模型的三种展示效果，如图9：a)任意角度的三维建筑物外观多视角显示控制；b)半透明处理下，内部楼层(或户室)结构显示；c)动态控制下的飞行模型显示转换。

a)三维建筑物的多视角显示控制；

首先，读取步骤2.4最后生成的描述各级三维模型关联关系的XML文件，从中获取各级要素模型的位置参数(xPosition、yPosition、zPosition)，进而加载其中对应的各级要素模型到三维场景中。此后，建筑模型、三维场景底图、楼层的渲染过程持续处于运行状态。在程序实现中，利用一个单独的线程，保持更新函数的运行，等待捕获视角参数的变化，一旦发现变化，立即按新的参数执行渲染。

多视角显示控制是指以当前观察对象(建筑物、楼层或户室)为视觉中心的旋转、俯仰、缩小和放大。多视角显示控制，基于对目标点、视点和视点垂直向上向量的修改(如图10所示)，并以一定速度刷新，造成连续的拖动视觉效果。定义三类视角改变：俯仰(pitch)、旋转(yaw)以及缩放(zoom)，在本例中，通过实现pitch、yaw和zoom函数，改变视点的位置和角度实现对建筑物模型的多角度浏览。捕获鼠标操作的距离，调用pitch和yaw函数，实现视角的旋转和俯仰；捕获滚轮操作，调用zoom函数，实现视角的推进和拉远。

b)半透明处理下，内部楼层(或户室)结构显示；

基于本方法的三维模型构建，用户在查看要素模型时，为了增强用户交互，突出建筑物内部结构的细节，可对要素模型外表纹理进行半透明特效处理，实现多半透明处理下，内部楼层(或户室)结构显示。

所述的对模型外表纹理进行半透明特效处理，可通过如下两种方法实现：

方法一：存储不透明和半透明两种贴图文件，用户查看建筑物内部楼层模型或户室模型时，通过计算机程序将其上层对象的不透明贴图文件替换为半透明贴图文件；所述的上层对象关系是指：户室的上层对象是楼层和建筑物，楼层的上层对象是建筑物；

方法二：采用支持Alpha通道的图像格式(如：png)存储贴图文件，用户查看建筑物内部楼层或户室模型时，通过计算机软件程序设置其上层对象的贴图文件的Alpha值，实现半透明贴图显示。

关于半透明楼层，在未点击楼层查看时，该楼层模型不进行单独渲染；在点击楼层之后，调整建筑模型透明度使外层透明，并同时调用该层模型，在相应位置渲染(如图10所示)。

c)动态控制下的飞行体验显示控制；

所述的飞行体验显示控制是指：用户界面模拟现实世界中的电梯面板，当用户点击某楼层或某户室按钮时，显示视线平缓移动并定位到指定观察对象，使用户获得类似飞行的操作体验。

选定两个不同楼层连续观察的过程如下：

从观察楼层F1转到观察楼层F2，即用户先选定了F1层，之后点击选择观看F2层，此时本发明的三维建筑模型的显示控制流程如下：

1)增加视点到F1的距离，到刚好能观测建筑物全貌为止。

2)计算F2层所在高度，调整视点的高度，到和F2所在高度一致。

3)拉近视点到F2的距离，使得恰好视野范围能观测整个F2层。

4)保持整个建筑物模型的半透明，取消单独渲染F1层，转而单独渲染F2层。

以上过程的视点高度和距离在软件渲染中，都是渐变的，故可以从视觉上给用户一个好的类似于电梯升降的视觉效应。

Claims (6)

1.三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，其特征在于如下步骤：

(a)二维平面CAD测绘图及相关数据准备；

包括：房产建筑物平面图、分层图、分户图；还包括建筑物高度、各楼层高度、各户室高度、墙面厚度数据；

(b)三维建筑要素模型的构建与集成；

首先构建建筑物三维模型、楼层模型和户室模型，之后都导出并保存相应的.X文件和关联贴图文件，所述的.X文件中记录了模型三维结构关键点的坐标信息及其对应的贴图文件路径；设计并实现三维城市建筑分层分户模型的场景编辑器，用场景编辑器集成和生成三维城市建筑分层分户模型；场景编辑器的功能为：用户在设定的三维环境中，添加多个现有的三维模型，调整其空间位置，将多个不同级别的三维模型组成统一的三维模型体，生成和保存楼、层、户间的空间关联数据文件，存储上述过程构建的三维建筑要素模型；

(c)三维建筑分层分户模型的显示控制；

所述的显示控制包括对建筑物分层分户模型的三种展示效果，(c1)任意角度的三维建筑物外观多视角显示控制；(c2)半透明处理下，内部楼层或户室结构显示；(c3)动态控制下的飞行体验显示控制。

2.根据权利要求1所述的三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，其特征在于：所述的三维建筑要素模型包括建筑物三维模型、楼层三维模型和户室三维模型，其具体构建过程分别为：

建筑物三维模型构建：

使用三维建模软件，基于房产建筑物二维平面CAD测绘图构建建筑物三维模型，对建筑物平面图二维封闭多边形按高度、墙体厚度参数进行垂直拉伸处理生成建筑物三维模型，导出并保存建筑物三维模型；

建筑物楼层模型的构建：

使用三维建模软件，基于分层图的二维平面CAD测绘图，对具有内部格局的二维楼层图多边形按高度、墙体厚度参数进行垂直拉伸处理，生成各楼层模型，多个楼层模型构成楼层模型系列，最后导出并保存建筑物的各楼层模型；

建筑物户室模型的构建；

使用三维建模软件，基于分层分户图的二维平面CAD测绘图，将具有户室格局的二维户室图多边形按高度、厚度参数进行垂直拉伸处理，生成各户室模型，即户室三维模型；多次构建形成户室模型系列；最后将全部户室模型分别导出并保存；

上述每个建筑物三维模型、楼层模型和户室模型构建之后都导出并保存相应的.X文件和关联贴图文件，所述的.X文件中记录了模型三维结构关键点的坐标信息及其对应的贴图文件路径。

3.根据权利要求1所述的三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，其特征在于：

用场景编辑器集成和生成三维城市建筑分层分户模型，具体步骤如下：

1)将建筑物三维模型、各个楼层三维模型、各户室模型导入到场景编辑器中，并手动为每个要素模型编码，存入空间关联描述的XML文件；

2)在场景编辑器中，手动调整并确定每个楼层相对于建筑物的空间位置，以及每一个户室模型的相对空间位置，通过场景编辑器自动生成各级模型的空间关联描述文件；

定义建筑物、楼层、户室3级建筑要素模型的聚合关系：利用各级建筑要素模型所具有的空间属性数据，按其聚合层次，描述每一个要素模型的空间位置，称为空间关联描述；

场景编辑器在进行多层次建筑要素模型集成并生成三维城市建筑分层分户模型时，可自动保存各要素模型的统一编码和空间位置值，并生成该建筑物的空间关联描述文件，通过空间关联描述文件将相应的要素模型文件加载并显示在三维空间中的相应位置；

3)保存当前场景，导出构建的建筑物、楼层、户室多层次建筑要素模型集成为三维城市建筑分层分户模型，实现建筑物内外一体化空间关联表达。

4.根据权利要求1所述的三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，其特征在于：所述的展示效果(c1)具体实现方法为：首先，读取描述各级三维模型关联关系的XML文件，从中获取各级要素模型的位置参数，进而加载其中对应的各级要素模型到三维场景中；此后，建筑模型、三维场景底图、楼层的渲染过程持续处于运行状态。

5.根据权利要求1所述的三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，其特征在于：所述的展示效果(c2)，需要对模型外表纹理进行半透明特效处理，通过如下两种方法实现：

方法一：存储不透明和半透明两种贴图文件，用户查看建筑物内部楼层模型或户室模型时，通过计算机程序将其上层对象的不透明贴图文件替换为半透明贴图文件；所述的上层对象关系是指：户室的上层对象是楼层和建筑物，楼层的上层对象是建筑物；

方法二：采用支持Alpha通道的图像格式存储贴图文件，用户查看建筑物内部楼层或户室模型时，通过计算机软件程序设置其上层对象的贴图文件的Alpha值，实现半透明贴图显示。

6.根据权利要求1所述的三维城市建筑分层分户模型的构建与显示控制方法，其特征在于：动态控制下的飞行体验显示控制是指：用户界面模拟现实世界中的电梯面板，当用户点击某楼层或某户室按钮时，显示视线平缓移动并定位到指定观察对象，使用户获得类似飞行的操作体验，过程如下：

从观察楼层F1转到观察楼层F2，即用户先选定了F1层，之后点击选择观看F2层，此时本发明的三维建筑模型的显示控制流程如下：

1)增加视点到F1的距离，到刚好能观测建筑物全貌为止；

2)计算F2层所在高度，调整视点的高度，到和F2所在高度一致；

3)拉近视点到F2的距离，使得恰好视野范围能观测整个F2层；

4)保持整个建筑物模型的半透明，取消单独渲染F1层，转而单独渲染F2层。

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