CN105160707B - 基于视点索引的三维模型快速可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视点索引的三维模型快速可视化方法，通过构建三维城市模型的视点索引，减少移动终端上三维模型数据载入量；根据三维城市模型视觉特征，实现视点索引的自动调节，从而提高可视化的准确度，并减少场景中视点索引数量，提升计算效率；预定义视点索引有效范围，在移动终端三维模型可视化过程中，以用户当前位置和视角作为输入，基于预定义的索引范围，自动获取相应索引，并根据其视点位置、视角方向，在索引序列中选择位于其前后的视点索引，并将其对应的可见城市三维模型要素集合进行合并，查看是否已经载入合并后的集合中的模型，如果有则不需载入，反之则载入并渲染该三维模型，从而实现降低模型复杂度，提高可视化速度。

Description

基于视点索引的三维模型快速可视化方法

技术领域

本发明涉及一种城市三维模型的在线可视化方法，具体涉及一种基于视点索引的三维模型快速可视化方法，该方法能够降低三维城市模型在街景层次上的数据量，在保持街景三维模型可视化效果的同时提高其在移动终端中的可视化速度。

背景技术

作为地球表面人口、经济、技术、基础设施和信息最密集的地区，城市是人口与资源和社会经济要素高度密集的地理综合体，也是地球上最为复杂与活跃，人际交流强度最高的组成部分。随着城市的急剧膨胀，城市建设和管理的难题日益尖锐起来。就城市的建设者和决策者来说，城市建设需要解决问题的复杂性和需要处理信息的广义性，都是前所未有的。在城市建设一些重要的应用领域，虽然也关注于社会经济与发展问题，但已更多地关注于能够表征局部环境的美学、功能和感知的一些主题。与此相适应，城市逼真的三维数字表示由于其在城市基础设施管理、无线通讯网络规划、城市开发决策支持、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等众多领域显现出巨大的应用潜力，已经成为普遍关注的热点问题。城市的三维逼真描述——三维城市模型(3D City Models，3DCM)不仅具有传统虚拟现实表现的高度真实感，而且具有3DGIS数据库管理与分析应用等功能并能与其他社会经济信息互联，因而在城市空间信息科学领域受到了越来越多的关注。

三维城市模型通过虚拟现实技术在逼真感知方面给用户更多的自由度。三维城市集成二维地图和三维模型的可视化空间数据模型，支持多种类型、多种分辨率的海量空间数据库的一体化管理。支持多重细节层次概念LOD(Levels of Detail)，具有层次建模和实时模型简化能力；支持交互式三维动态可视化，与沉浸式的双目立体显示；支持三维空间分析与空间决策、时空模拟，网络环境下的信息共享与地理协同等。

城市模型包含海量信息，通常当用户使用相关软件系统，例如使用街景地图载入精细的三维城市模型时，系统会对大量的城市数据进行处理分析来满足用户的需求。此时，反馈到软件系统用户的时间不仅仅包括处理数据的时间，还很大程度上依赖于网络数据传输、用户设备等因素。然而，移动设备计算和存储能力较弱、无线网络带宽较小，难以满足精细三维城市模型需要处理大规模数据的需求，并且由于数据传输和计算量过大导致的响应迟缓、显示效果降低、死机等状况普遍存在，使得用户体验较差。

如何快速实现三维城市模型的可视化，尤其是在移动终端实现流畅显示精细三维城市模型的用户体验是目前亟待解决的问题。基于地图综合简化技术，本发明在降低模型复杂度，减少传输数据的同时，保留原模型的视觉特征，从而在提高用户体验的同时，满足用户的需求。

综合简化，是制图学中的一个重要研究方向，用于从大比例尺地图生成小比例尺地图，包括化简，合并，选择，典型化等基本操作。

在三维模型综合简化中，化简主要是利用外壳模型来表示复杂三维建筑模型，其在保持视觉相似度的同时，极大的压缩三维数据量。因此对于高精度建筑模型，首先需要将其转换为外壳模型，然后将所有的面投影到水平面，再对其合并，以自动生成建筑平面图。在投影过程中，记录三维模型的最高点与最低点信息从而获取其高度。

建筑群简化的方法是合并与典型化。合并就是将邻近的三维模型组合成为一个模型，从而降低整体的复杂度。合并算法通过对建筑物的吸附和扩展来提高原模型与合并后模型之间的相似度。典型化就是在三维城市建模的过程中保留权值较大的建筑节点，尽可能地保留原模型之间的面积比例关系，同时保留合并后模型与其他模型间的拓扑关系，对合并后的模型再进行多边形简化算法从而更进一步的减少了数据量。

发明内容

发明目的：本发明为了解决目前街景三维可视化中存在的模型数据量过大，载入时间过长等问题，提出了一种基于视点索引的快速三维可视化方法，可在移动终端设备上实现快速加载三维街景数据。

技术方案：本发明所述的一种基于视点索引的快速三维可视化方法，其包括以下步骤：

通过对三维城市模型道路数据的分析，获取城市三维模型的街道分布，并采用图数据结构进行描述，边表示街道，节点表示交叉路口，在服务器端构建可见模型的视点索引；

在模型初始化时，基于街道分布建立视点索引结构，该索引包括视点、视角以及可见城市三维模型要素集合三个部分，其中视点选取街道的交叉口以及沿街道每隔一定距离的点，视角选取各个路口方向以及沿街道正反两个方向，可见要素为位于视点，以视角为中心，180度范围内的可见城市三维模型要素，建立各视点索引的三维视场；

用户在访问三维模型时，通过终端获取用户GPS位置数据信息，计算出用户当前视点位置、视角方向，并发送至服务器端，服务器端返回位于其前后的视点索引结构，并将其对应的可见城市三维模型要素集合进行合并，查看是否已经载入合并后的集合中的模型，如果有则不需载入，如果未载入，则载入并渲染该三维模型。

作为优化，通过空间分析，对索引进行排序优化，使得排好序后的索引能以较少的数量显示较为丰富的细节，具体排序方法为，对于道路索引，沿道路在同一方向上从一端到另一端进行顺序排序，对于路口索引，基于视角顺时针或逆时针顺序依次排序，不同道路或路口之间不进行排序。在同一个序列内，定义索引S_i是位于某一视点的索引，则S_i的视角应该介于前一视角S_i-1与后一视角S_i+1之间，对于每个交叉路口与每个道路，都会产生相应的排序，在排序的基础上，对每个索引序列进行动态的修改，其修改方法为，如果索引S_i的城市三维模型要素集合包含于S_i-1与S_i+1之中，则删除S_i，否则在S_i与S_i-1沿道路中间位置添加新的索引，并重新开始计算，直到该序列索引没有任何改变，通过对索引的修改，实现了适应于城市特征的索引动态分布。

有益效果：本发明所述的基于视点索引的三维模型快速可视化方法，通过视点索引，减少移动终端街景三维模型数据载入；根据三维城市模型视觉特征，实现视点索引的自动调节，即增加或删除部分索引，从而提高可视化的准确度或减少场景中视点索引数量，改善可视化效果；预定义视点索引有效范围，在移动终端街景三维模型可视化过程中，以用户当前的位置和视角作为输入，基于预定义的索引范围，自动获取相应索引；并根据其视点位置、视角方向，在索引序列中，选择位于其前后的视点索引，并将其对应的可见城市三维模型要素集合进行合并，查看是否已经载入合并后的集合中的模型，如果有则不需载入，如果未载入，则载入并渲染该三维模型，从而实现降低模型复杂度，提高可视化速度。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明中视场计算的示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本发明所提出的街景三维可视化方法在图1中给出，它包括两个阶段：预处理和实时可视化。在第一阶段中(预处理)，首先读入三维模型，并基于模型中街道的分布，构建索引；对于每个索引，通过三维可视化分析手段，测定该位置的可见模型，并动态调整索引的密度，使得每个索引能包含该点及周边的可见模型。在第二阶段中(实时可视化)，当前用户视点被作为输入源并且将与它“最近的”索引选中，载入并可视化该索引对应的三维模型。

目前，通过将城市模型替换为对应的盒子简化模型，可以大幅提高三维模型渲染的速度。但盒子模型具有真实度差的缺点，特别在街景显示中，模型的真实度具有重要意义，因此需要提出新的算法处理街景模型。

本发明主要为三维城市模型创建一个索引结构，基于该索引在可视化阶段实现快速的模型显示。具体实施方式如下：

1.模型载入。首先读取现有的三维城市模型，获取其中建筑物的分布，并生成道路数据。由于本发明针对街景模型，因此需要事先提供道路数据，具体而言，对应真实的城市三维模型，道路数据可以由模型自带，或通过公开道路信息，实现模型道路的自动生成。

2.建立道路的图描述结构。分析道路结构，特别是其交叉关系，将道路用图数据结构进行描述，道路＝<路口集合，道路集合>，其中每个路段包括起始与结束两个路口，而每个路口可以包括1个或多个路段。本发明中路段为单一道路，不包括交叉口。

3.基于道路模型，建立索引。针对路口和路段分别建立视点索引。视点索引＝<视点，视角>。对于路口，沿该路口的每个路段方向，建立一个以该路口中心点观测站立点，以该观测站立点离地面高度1.7(正常人体高度)米为视点，视角为水平方向面向路段正反方向的视点索引，可见要素为位于视点，以视角为中心，180度范围内的可见城市三维模型要素，建立各视点索引的三维视场；对于路段，从路段起始点开始，每隔20米，在路段上选取一个观测点，在每个观测点，沿当前道路切线方向建立两个索引，索引视点选取距离当前位置1.7米上空，视角沿着道路延伸方向(切线正反方向)。索引建立后，计算在每隔视点索引处可见的三维模型。该计算可以采用深度缓冲技术，同时，对于可见面积小于预设阈值的模型也标记为不可见。为每个视点索引建立其相应的视点索引的可见三维模型列表，如下所示：

视点索引＝<视点，视角，可见三维模型列表>

如图2所示，图2中圆形代表为当前视点，箭头代表2个方向上的生成的视点索引，则索引1对应的可见模型列表为1，2，3，4，索引2对应的可见模型列表为3，4，5，6。

4.视点索引的调整。首先将索引进行排序，由于视点索引分为路口与路段索引，因此，对于每一个路口与路段所包含的索引都要进行单独排序，使得对于每一个路口，第i个索引的视角位于第i-1与第i+1个视角之间，类似的，对于路段索引，沿着道路方向，要使得第i个索引的视角与位置都位于第i个与第i+1个索引之间。对于排好序的索引，检测前后两个索引之间可见三维模型列表之间的不同，如果不同的模型超过3个以上，则在这两个索引之间新建一个视点索引，对于路口索引，新建索引的视角位于被检测两索引中间，视点不变；对于路段，该新建索引的视点位于被检测两索引中间，视角沿当前道路方向。如果前后两个索引包含的可见三维模型列表相同，则删除后一个索引。对视点索引进行更新，直到没有添加与删除操作产生。

街景模型快速可视化过程如下：第一步是获取当前用户的视点与视角，并以此查询已经预定义的视点索引列表，从而获得与当前用户相匹配的视点索引。具体匹配方法为，假设用户视点是位于道路上，则选择与该视点相近的前后两个视点，使得用户当前视点位于其前一视点与下一视点之间。由于预定义的视点与当前用户的观点具有一定的差异，因此会存在一些在当前视点可见，但在预定义视点不可见的建筑物，如果仅选择最近的视点，则可能会产生误差，因此本发明选择当前视点前后的两个索引作为其匹配索引，并可视化其对应的可见的建筑物，由于前后两个视点覆盖了当前视点的视域，因此降低了误差产生的概率。通过对城市模型的测试，基于详细的覆盖分析，选取前后视点，可以大幅降低模型选取的误差。相应的，对于位于路口的视点，我们选择位于其视角前后的两个预定义视点索引。

由于索引的数量对于显示的准确度具有影响，视点索引越密集，可视化准确度越高，但索引数量过多会降低系统效率，通过实验，本发明确定以20米作为道路索引的间距。表1给出了在不同间距条件下误差模型占总测试的比例，从中选择20米，选取前后2个索引作为最优化参数。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于视点索引的三维模型快速可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过对三维城市模型道路数据的分析，获取城市三维模型的街道分布，并采用图数据结构进行描述，边表示街道，节点表示交叉路口，在服务器端构建可见模型的视点索引；

在模型初始化时，基于街道分布建立视点索引结构，该索引包括视点、视角以及可见城市三维模型要素集合三个部分，其中视点选取街道的交叉口以及沿街道每隔一定距离的点，视角选取各个路口方向以及沿街道正反两个方向，可见要素为位于视点，以视角为中心，180度范围内的可见城市三维模型要素；

用户在访问三维模型时，通过终端获取用户GPS位置数据信息，计算出用户当前视点位置、视角方向，并发送至服务器端，服务器端返回位于其前后的视点索引结构，并将其对应的可见城市三维模型要素集合进行合并，查看是否已经载入合并后的集合中的模型，如果有则不需载入，如果未载入，则载入并渲染该三维模型。

2.根据权利要求1所述的基于视点索引的三维模型快速可视化方法，其特征在于，定义索引Si是位于某一视点的索引，则Si的视角应该介于前一视角Si-1与后一视角Si+1之间，对于每个交叉路口与每个道路，都会产生相应的排序，在排序的基础上，对每个索引序列进行动态的修改，其修改方法为，如果索引Si的城市三维模型要素集合包含于Si-1与Si+1之中，则删除Si，否则在Si与Si-1沿道路中间位置添加新的索引，并重新开始计算，直到该序列索引没有任何改变。