CN103927424B - 利用体网格简化建筑三维模型结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，包括以下步骤：利用规则的三维体网格逼近建筑物，结合具有相同材质的体素进行简化，其结果为具有非等分的空间划分的不规则三维体网格，新的三维体网格为含有数量较少而且体积不同的体素；对上述的简化后的三维体网格在同一维度方向进行切片，形成多层由像素组成的二维图像数据，结构简化图像；构建分层结构；最后将以上获得数据以及用于重构三维信息的辅助数据，编码为多层式结构简化图像的数据格式，再利用图像的无损压缩算法压缩MSI，从而得到简化的建筑三维模型数据。本发明在城市三维可视化模型中的应用具有网络传输快、视觉效果好、交互性强、能实时渲染的优点。

Description

利用体网格简化建筑三维模型结构的方法

技术领域

本发明涉及一种应用于互联网络的城市三维可视化模型的创建方法，具体是一种利用体网格简化建筑三维模型结构的方法。

背景技术

目前,城市三维可视化，目的是根据真实的城市制作出三维模型，使用户能在计算机屏幕中观测到三维模型表示的城市并进行互动。

该项技术存在两个固有难点，第一是对城市三维模型的建模，第二是建模所产生的非常大量的数据。而本发明主要针对后者难点。

由于城市中存在的任何一种元素都是数以万计的，而一种元素中各个对象之间，例如某一建筑物与另一建筑物，也是千差万别；而且传统的三维网格模型本身储存的数据格式，至少需要储存构成三维模型的顶点(Vertex)与面(Face)的信息，用整数(integer)或浮点(floating)数据类型记录这些信息所产生的数据量本身就不小; 而城市中存在的任何一种元素都是数以万计的，而一种元素中各个对象之间，例如某一建筑物与另一建筑物，也是千差万别的。所以城市三维建模所产生的数据量是异常庞大，往往以吉字节（GB）为单位计算的。这样庞大的数据量，即算在网络技术发达的今天，除非对三维模型精度或互动操作作出严苛的限制，否则要通过网络传输实现流畅的实时渲染是几乎不可能的，因此存在网络传输困难，低效的缺陷。

在多数情况下，要实用三维网格实现城市三维可视化，为了减少数据量的产生，必须大大减低三维网格的复杂度，而且使用精度较低的纹理贴图，导致三维可视化视觉效果强差人意，存在视觉效果较差的缺点。

另外，国内一些IT企业开发出假三维（2.5D）的城市可视化系统。首先制作出精细的三维城市模型，然后以单一观察角度渲染出真实巨大的三维效果图，在用户交互时再根据用户的视觉位置传送位置相对的效果图。假三维（2.5D）图像该技术使用单一视角的预渲染，用户实际见到的只是预渲染结果的图像。无法自由导航，改变观测角度等交互，存在互动的限制。由于这一限制，除了地图应用以外，可以实现的实际应用非常少。

另一方面，大量的数据必然产生大量内存的消耗，一个大型城市的模型数据往往会产生数十GB的内存（尤其是显存）。这样的数据量很难在只有数GB内存或显存的普通家用或商用电脑上实现实时的大范围城市三维可视化，存在无法实时渲染的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用利用体网格简化建筑三维模型结构的方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，包括以下步骤：

A、基于实际建筑物具有大量直角结构的属性，利用规则的三维体网格逼近建筑物；

B、结合具有相同材质的体素进行简化，其结果为具有非等分的空间划分的不规则三维体网格，新的三维体网格为含有数量较少而且体积不同的体素；

C、对上述的简化后的三维体网格在同一维度方向沿纵深面的体素为间隔进行切片，形成多层由像素组成的二维图像数据，而每一个像素记录的是原模型材质的颜色，这个新的二维图像数据就是结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI）;

D、构建分层结构(Hierarchical level)：根据建筑结构元素的重复性，对C中简化后的三维体网格中的体素进行逐级细分。首先用一个体素包含并代表整个三维体网格，本体素此时为0层，将0层体素根据结构细节或者重复结构划分为多个子体素，使得每个子体素包含并代表部分细节，此时，子体素为1层；以此类推分离出重复使用的结构元素，并单记录下该结构简化图像和属性；0层的体素是1层体素的父体素，1层体素是2层体素的父体素，一个子体素本身是一个独立的结构，用以被父体素调用；

E、最后将步骤D中所获得的数据以及用于重构三维信息的辅助数据，编码保存为数字图像的数据格式，得到一种被称为多层式结构简化图像（Multilevel SSI Image，简称MSI）的数据格式，从而得到简化的建筑三维模型数据。

利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，经过步骤D得到MSI的数据格式后，再利用图像的无损压缩算法压缩MSI，从而得到简化的建筑三维模型数据。

所述结构简化图像属性，包括SSI属性文件，所述SSI属性文件包含以下数据：

－ 颜色的选取S（s±x，s±y，s±z），6个像素储存当前SSI所表示的结构的平均颜色，渲染时用。

－ SSI像素间隔数目N（nx，ny，nz），储存当前SSI在三个维度上间隔的数目（每两个维度上的间隔切分出一个SSI像素），每一个n为一个8比特整数，一组N组成一个像素。

－ 辅助数据数组元素数目H（hx，hy，hz），储存当前SSI每个维度上的辅助数据数组元素数目，每一个h为一个8比特整数，一组H组成一个像素。

－ SSI所表示空间物理大小D（dx，dy，dz），储存当前SSI三个维度每个维度所表示空间的物理长度，单位为厘米。一个d为一个16比特整数，一组D需要1.5个像素。

－ 辅助数据的坐标Hc（hcx（u，v），hcy（u，v），hcz（u，v）），储存当前SSI辅助数据三个数组在最终图像MSI内的坐标，一个hc需要2个8比特整数，一组Hc需要1.5个像素。

－ SSI的坐标C（cu，cv），储存当前SSI在最终图像MSI内的坐标，一个c需要16比特整数，一组C需要1个像素。

所述结构简化图像属性，还包括子体素的数据，以下数据为子体素所需数据：

－ 子结构位移O（ox，oy，oz），储存当前子结构在父体素内三个维度上的位置，单位厘米。每一个o需要2个8比特整数，每一组O需要1.5个像素。

－ 子结构 Properties坐标P（pu，pv），储存当前子结构属性文件的在最终图像MSI内的坐标，每一个p需要1个8比特整数，一组P需要0.5个像素。

－ 子结构旋转R（rx，ry），储存当前子结构在父体素内的三维2轴旋转角度，每一个r需要1个16比特整数，一组R需要1个像素。

本发明的有益效果：

1、本发明技术方案，做到了把复杂的建筑模型，通过对结构简化，并利用分层结构等方法减少重复数据，并通过一定的编码技术储存到图像文件等方式，多重减少数据量。使得单个数据模型所需储存空间大大减少，并最终使得网络传输效率和数据库储存效率能大大提高，节省了网络传输的时间，使得通过网络传输大型城市三维模型成为可能。

2、本技术方案中的SSI，直接记录三维模型的结构与颜色等细节。能在减少空间的前提下仍然保留高精细的细节。

3、MSI图像能直接传入GPU进行直接渲染，而且图像本身对内存消耗很低，能把大范围的城市三维模型放入电脑内存和显存中进行渲染。

4、直接的实时渲染，跟任何普通三维应用一样，用户能自由控制视点选择观测位置与角度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的实施例窗户结构的三维模型；

图2为传统的根据直角结构划分空间得到的三维体网格模型；

图3为在图2的基础上结合相同材质颜色的体素划分空间得到的三维体网格模型；

图4为在图3的基础上调整为等分空间的三维模型。

具体实施方式

利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，包括以下步骤：

A、基于实际建筑物具有大量直角结构的属性，利用规则的三维体网格逼近建筑物。

具体方法详述如下：由于本发明涉及一定较深的计算机图形学以及数据结构知识，本说明将会将方法配合实例与附图，对本发明的方法和特点进行直观而详细的解释。

首先在图1中，可以见到一个现代建筑中非常常见的窗户结构的三维模型。该结构（模型）将会经过以下步骤变成新的表现形式。

由于该窗户结构完全由直角结构组成，一定可以找到一个由等分空间体素组成的三维体规则网格去表示这个结构，如图2。

而图2的表示方式，需要立方级O(n ³ ) 的数据量去表示。其中大量的体素因为表示同样的空间与材质颜色，而所以造成了大量相同重复的数据，浪费了数据储存空间。

B、为了减少这个三维体网格数据量，结合本实施例中的窗户结构的三维模型中的相同材质颜色的体素，获得图3的新的三维体网格。而且三维信息完全没有流失。

图3的新的三维体网格中内部的体素是由图2中体素结合而得，新的体素将占据非等分的空间，这就是本发明构建产生数量较少，体积不同的体素的建筑结构。

当然，由于现时流行的数据格式是等分分布，例如一个常用的32比特像素是由RGBA四个通道组成，每个通道8比特（字节值：0～255），为了能够将图3中体素能以规则的像素数据格式储存，也可以将图3中的体素调整为等分空间的体素,获得图4。

由图1到图4的变化可见，数据量已经大大的减少了。

C、对上述的简化后的建筑结构在同一维度方向沿纵深面的体素为间隔进行切片，形成多层由像素组成的二维图像数据，而每一个像素记录的是原模型材质的颜色，这个新的二维图像数据就是结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI）。

将上述多个层的由像素组成的二维图像数据，储存为图像数据格式。

D、构建分层结构(Hierarchical level)：根据建筑结构元素的重复性，对C中简化后的三维体网格中的体素进行逐级细分。首先用一个体素包含并代表整个三维体网格，本体素此时为0层，将0层体素根据结构细节或者重复结构划分为多个子体素，使得每个子体素包含并代表部分细节，此时，子体素为1层；以此类推分离出重复使用的结构元素，并单记录下该结构简化图像和属性；0层的体素是1层体素的父体素，1层体素是2层体素的父体素，一个子体素本身是一个独立的结构，用以被父体素调用。

分层结构(Hierarchical structure)本身是数据结构里的概念,在本发明中，分层结构的具体方法就是使用SSI内像素所表达的三维体素，去包含另一个SSI所表达的子结构，达到父体素包含子结构的效果。

分层结构通过加入更多的参数（会在稍后说明），可以使用SSI实现更多的功能。这些功能包括：

1、子结构重定向：即SSI内像素所表达的三维体素，去包含另一个SSI所表达的子结构。

2、子结构填充：把父体素空间划分得比子结构所占空间大，然后利用子结构填充父体素的空间。可以做出利用单一结构做出重复的结构，而无需要任何额外的描述数据去表示重复。

3、子结构任意定位：把子结构放置于不同父体素内的不同位置，利用子结构填充，做出完全不同的新的结构。

一个子结构本身是一个独立的结构，可以被不同的父体素在不同的位置调用。因此当子结构在建筑三维模型内重复出现时，也只需要记录一个子结构的SSI，达到节省空间的效果。SSI像素现阶段是记录结构材质颜色的，而作为父体素的像素记录颜色并没有意义，所以将父体素的像素通道中的A通道设成值1，以记录该像素的体素为一个父体素。

SSI本身拥有一定的属性，例如一个SSI所表达空间的大小，SSI的解析度以及与其相关的分层结构的相连关系等等，这些都需要一些额外的数据去记录。这些数据综合起来储存出的数据被叫作SSI属性（SSI Properties）。SSI属性文件同样会被编码为使用像素记录的数据格式。

SSI属性包含以下数据：

－ 颜色的选取S（s±x，s±y，s±z），6个像素储存当前SSI所表示的结构的平均颜色，渲染时用。

－ SSI像素间隔数目N（nx，ny，nz），储存当前SSI在三个维度上间隔的数目（每两个维度上的间隔切分出一个SSI像素），每一个n为一个8比特整数，一组N组成一个像素。

－ 辅助数据数组元素数目H（hx，hy，hz），储存当前SSI每个维度上的辅助数据数组元素数目，每一个h为一个8比特整数，一组H组成一个像素。

－ SSI所表示空间物理大小D（dx，dy，dz），储存当前SSI三个维度每个维度所表示空间的物理长度，单位为厘米。一个d为一个16比特整数，一组D需要1.5个像素。

－ 辅助数据的坐标Hc（hcx（u，v），hcy（u，v），hcz（u，v）），储存当前SSI辅助数据三个数组在最终图像MSI内的坐标，一个hc需要2个8比特整数，一组Hc需要1.5个像素。

－ SSI的坐标C（cu，cv），储存当前SSI在最终图像MSI内的坐标，一个c需要16比特整数，一组C需要1个像素。

以下数据为子体素所需数据，每一个当前SSI的子结构包含一组以下数据。

－ 子结构位移O（ox，oy，oz），储存当前子结构在父体素内三个维度上的位置，单位厘米。每一个o需要2个8比特整数，每一组O需要1.5个像素。

－ 子结构 Properties坐标P（pu，pv），储存当前子结构属性文件的在最终图像MSI内的坐标，每一个p需要1个8比特整数，一组P需要0.5个像素。

－ 子结构旋转R（rx，ry），储存当前子结构在父体素内的三维2轴旋转角度，每一个r需要1个16比特整数，一组R需要1个像素。

以上的数据包括SSI，辅助数据Metadata和SSI 属性文件（包括所有子结构SSI），都可以通过数字图像的像素格式储存。

E、最后将步骤D中所获得的数据以及用于重构三维信息的辅助数据，编码保存为数字图像的数据格式，为了使用一个数据文件就能表示一个完整的建筑三维模型，使用一个打包算法将以上所有数据像素整合为一个完整的图像数据，得到的新的数字图像被称为多层式结构简化图像(Hierarchical SSI Image, MSI)。MSI本身为图像格式，因此将会进一步使用现时被广泛使用的无损数字图像压缩算法压缩，减少文件储存空间并获得一个最终的图像格式文件。

以上说明了如何使用本发明提出的方法，针对一个建筑三维模型，通过三维体网格逼近并进行简化的方法，最终编码为一种新的数据结构，并达到以图像文件的形式储存原三维模型。

应用实例：接下来通过两个实例，说明使用本发明提出的方法及数据结构在城市三维建模方面对比传统三维网格有更高的储存效率及渲染效率。

一个超过5000个建筑的现代城市含并有丰富细节的三维模型，使用SSI来表达建筑模型所需要的储存空间仅仅为10.6MB（兆字节），需要的内存空间为42MB；而同样的城市模型使用传统网格表示，则需要37GB（吉字节）的储存空间。

一个超过40000个建筑的欧式城市三维模型，使用SSI后所需要的储存空间为60.5MB（兆字节），需要的内存空间为229MB；而同样的城市模型使用传统网格表示，需要61GB（吉字节）的储存空间，可见SSI在这个实例中节省了近千倍的储存空间。

在渲染方面，使用本发明提出的使用SSI的数据结构，由于需要内存空间非常低，可以使用普通个人计算机，通过一个定制的光线穿越算法渲染出分别为49fps（帧/秒）和30fps。

由此可见，通过使用本发明提出的方法和数据结构，既解决了城市三维可视化中，数据量过大造成的网络或储存媒体传输困难和难以实现实时渲染的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，其特征在于：包括以下步骤： A、基于实际建筑物具有大量直角结构的属性，利用规则的三维体网格逼近建筑物；B、结合具有相同材质的体素进行简化，其结果为具有非等分的空间划分的不规则三维体网格，新的三维体网格将含有体积不同而且数目减少的体素；C、对上述的简化后的三维体网格在同一维度方向沿纵深面的体素为间隔进行切片，形成多层由像素组成的二维图像数据，而每一个像素记录的是原模型材质的颜色，得到的二维图像数据就是结构简化图像（Simplified-structure Image, 简称SSI）；D、构建分层结构：根据建筑结构元素的重复性，对C中简化后的三维体网格中的体素进行逐级细分：首先用一个体素包含并代表整个三维体网格，本体素此时为0层，将0层体素根据结构细节或者重复结构划分为多个子体素，使得每个子体素包含并代表部分细节，此时，子体素为1层；以此类推分离出重复使用的结构元素，并单记录下该结构简化图像和属性；0层的体素是1层体素的父体素，1层体素是2层体素的父体素，一个子体素本身是一个独立的结构，用以被父体素调用；E、最后将步骤D中所获得的数据以及用于重构三维信息的辅助数据，编码保存为数字图像的数据格式，得到一种被称为多层式结构简化图像（Multilevel SSI Image，简称MSI）的数据格式，从而得到简化的建筑三维模型数据。

2.根据权利要求1所述的利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，其特征在于：经过步骤E得到多层式结构简化图像的数据格式后，再利用图像的无损压缩算法压缩多层式结构简化图像，从而得到简化的建筑三维模型数据。

3.根据权利要求1或2所述的利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，其特征在于：所述结构简化图像属性，包括SSI属性文件，所述SSI属性文件包含以下数据：

－ 颜色的选取S（s±x，s±y，s±z），6个像素储存当前SSI所表示的结构的平均颜色，渲染时用；

－ SSI像素间隔数目N（nx，ny，nz），储存当前SSI在三个维度上间隔的数目,每两个维度上的间隔切分出一个SSI像素，每一个n为一个8比特整数，一组N组成一个像素；

－ 辅助数据数组元素数目H（hx，hy，hz），储存当前SSI每个维度上的辅助数据数组元素数目，每一个h为一个8比特整数，一组H组成一个像素；

－ SSI所表示空间物理大小D（dx，dy，dz），储存当前SSI三个维度每个维度所表示空间的物理长度，单位为厘米，一个d为一个16比特整数，一组D需要1.5个像素；

－ 辅助数据的坐标Hc（hcx（u，v），hcy（u，v），hcz（u，v）），hcz（u，v）），储存当前SSI辅助数据三个数组在最终图像MSI内的坐标，一个hc需要2个8比特整数，一组Hc需要1.5个像素；

－ SSI的坐标C（cu，cv），储存当前SSI在最终图像MSI内的坐标，一个c需要16比特整数，一组C需要1个像素。

4.根据权利要求3所述的利用体网格简化建筑三维模型结构的方法，其特征在于：所述结构简化图像属性，还包括子体素的数据，以下数据为子体素所需数据：

－ 子结构位移O（ox，oy，oz），储存当前子结构在父体素内三个维度上的位置，单位厘米；每一个o需要2个8比特整数，每一组O需要1.5个像素；

－ 子结构 Properties坐标P（pu，pv），储存当前子结构属性文件的在最终图像MSI内的坐标，每一个p需要1个8比特整数，一组P需要0.5个像素；

－ 子结构旋转R（rx，ry），储存当前子结构在父体素内的三维2轴旋转角度，每一个r需要1个16比特整数，一组R需要1个像素。