CN105678031A - 建筑物表面结构对称化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑物表面结构对称化的方法。其中，先从一幅现存的建筑表面的图像中提取出相应的结构信息；然后，确定对称区域和对称轴，根据它们，可以从结构布局信息中，提取出已经存在或者潜在的对称结构；接着，通过能量函数和操作算子，来实现布局的对称化；最后，为了增强结果的规则性，将相应的操作单元进行均匀分布，并且沿着垂直和水平方向进行对齐。通过本发明实施例实现了建筑物表面的对称化。

Description

建筑物表面结构对称化的方法

技术领域

本发明实施例涉及建筑设计以及图形学技术领域，尤其是涉及一种建筑物表面结构对称化的方法。

背景技术

建筑外表面的设计往往在建筑设计中占有极为重要的地位。它的设计直接决定整栋建筑的设计基调。同时，它也是建筑物对外界最直接的呈现，其设计的好坏，往往直接决定了人们对于这栋建筑的直观的影响。许多著名的建筑，正是因为其外表面的设计与周围环境融为一体的同时，能给观者以极大的视觉感染力。建筑设计往往对于设计人员的美感以及经验有着很高的要求。而建筑设计作品中，往往体现着设计师对于周围世界与建筑物交流的把握。通过从建筑外表面图像中提取相应的关系，重新生成相应的建筑图像。而新的图像在保留原有设计风格的同时，可以根据用户的要求，进行扩展，或者加入其它的元素。

对称的建筑比较严肃，突出庄严肃穆感。而且结构的对称符合力学规律。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明实施例提供一种至少解决上述部分问题的建筑物表面结构对称化的方法。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

一种建筑物表面结构对称化的方法，该方法包括：

从所述建筑物表面图像中标注出建筑物中的基本元素；

计算建筑布局中水平方向各点的对称性，并通过所述各点的对称性确定所述建筑布局中原有的对称轴；

根据所述建筑物的基本元素，确定相应的侧边栏区域、对称区域以及对称轴；

定义操作单元和对称，其中，所述操作单元为相互重叠的元素或者单个元素；

根据所述对称轴，提取所述建筑布局中的所述操作单元之间的对称对或者潜在的对称对；

指定能量函数，以及操作算子，并通过模拟退火算法优化所述能量函数，以对称化所述各操作单元，从而实现建筑物表面结构对称化。

与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果：

本发明实施例先对建筑物表面图像进行标注，接着确定建筑布局中原有的对称轴、侧边栏区域、对称区域以及对称轴，然后，根据对称轴，提取建筑布局中的操作单元之间的对称对或者潜在的对称对；最后，利用一组有效的操作算子，通过模拟退火的方式，对称化各操作单元，从而实现建筑物表面结构对称化。

附图说明

图1为根据一示例性实施例示出的建筑物表面结构对称化的方法的流程示意图；

图2a为根据一示例性实施例示出的原始对称轴的示意图；

图2b为根据一示例性实施例示出的侧边栏和对称区域的示意图；

图2c为根据一示例性实施例示出的补齐侧边栏后的布局结果的示意图；

图3为根据另一示例性实施例示出的建筑物表面结构对称化的方法的流程示意图；

图4a为根据一示例性实施例示出的用户标注的元素布局示意图；

图4b为根据一示例性实施例示出的进行提取建筑布局中的操作单元之间的对称对或者潜在的对称对的结果示意图；

图4c为根据一示例性实施例示出的去掉标签代价项的优化结果示意图；

图4d为根据一示例性实施例示出的去掉标签数量变化代价项的优化结果示意图；

图4e为根据一示例性实施例示出的去除相对位置代价项的优化结果示意图；

图4f为根据一示例性实施例示出的去除面积占比代价项的优化结果示意图；

图4g为根据一示例性实施例示出的包含所有代价项的优化结果示意图；

图5a为根据另一示例性实施例示出的用户标注的元素布局示意图；

图5b为根据一示例性实施例示出的对称化结果示意图；

图5c为根据一示例性实施例示出的规则化结果示意图；

图5d为根据一示例性实施例示出的采用本发明实施例提供的方法所获得的最终结果示意图；

图6a为根据再一示例性实施例示出的用户标注的元素布局示意图；

图6b为根据一示例性实施例示出的对称以及规则化后结果示意图；

图6c为根据一示例性实施例示出的采用本发明实施例提供的方法所获得的最终结果示意图；

图7a为根据一示例性实施例示出的在去除布局中标注误差的过程中用户标注的元素以及指定的对称区域示意图；

图7b为根据一示例性实施例示出的采用本发明实施例提供的方法来去除布局中标注误差的最终规则化结果示意图；

图8a为根据一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成中输入布局示意图；

图8b为根据一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成处理后的结果示意图；

图8c为根据另一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成处理后的结果示意图；

图8d为根据再一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成处理后的结果示意图；

图8e为根据又一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成处理后的结果示意图；

图8f为根据又一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成处理后的结果示意图；

图8g为根据又一示例性实施例示出的使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成处理后的结果示意图；

图9为根据本发明实施例示出的建筑物表面结构对称化的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明实施例提供一种建筑物表面结构对称化的方法，如图1所示，该方法包括：

S1：从建筑物表面图像中标注出建筑物中的基本元素。

S2：计算建筑布局中水平方向各点的对称性，并通过各点的对称性确定建筑布局中原有的对称轴。

S3：根据建筑物的基本元素，确定相应的侧边栏区域、对称区域以及对称轴。

S4：定义操作单元和对称，其中，操作单元为相互重叠的元素或者单个元素。

S5：根据对称轴，提取建筑布局中的操作单元之间的对称对或者潜在的对称对。

S6：指定能量函数，以及操作算子，通过模拟退火算法优化能量函数，以对称化各操作单元，从而实现建筑物表面结构对称化。

本发明实施例通过稳定配对算法可以有效地提取现有对称结构中的潜在对称对；同时，通过定义一系列代价函数，然后利用一组有效的操作算子，通过模拟退火的方式，优化现有布局。最后，通过优化改进的BVT代价函数，来实现元素间在水平方向上的均匀分布。同时，利用对齐方法，将相应的元素沿水平、竖直方向中心对齐。从而解决了建筑物外表面结构不对称的问题。

在步骤S1中，可由用户使用布局标注工具人工手动标注完成，不做累述。基本元素，也即建筑元素，其可以为门窗、阳台、装饰物、门梁等。基本元素信息可以包括位置、尺寸以及标签。

在步骤S2中，首先根据Zhang的方法(HaoZhang,KaiXu,WeiJiang,JinjieLin,DanielCohen-Or,andBaoquanChen.2013.Layeredanalysisofirregularfacadesviasymmetrymaximization.ACMTrans.Graph.32,4.)计算水平方向各点的对称性大小。其中，每个点处的对称性为以该点为轴进行镜像后，两侧的重叠比例。

然后，将建筑布局水平方向对称值最大的位置作为原始建筑结构的对称轴。

在步骤S3中，可以通过以下方式计算侧边栏区域：

y＝y^b

h＝y^t-y^b

其中，x^a为原有对称轴位置；x¹,x^r,y^t,y^b分别为建筑布局中建筑元素的边界框的左、右、下、上的坐标；x、y为侧边栏的左上角坐标；w、h为侧边栏的宽度和长度。

原有对称轴为布局水平方向对称值最大的位置。

对称区域是通过在建筑布局的一侧补齐或添加侧边栏后得到的新布局的边框范围。例如，如果原始对称轴在中心点的右侧，则在右侧添加，否则在左侧添加。

对称轴的位置为经过对称区域中心点的轴线。

图2a示例性地示出了原始对称轴。其中，图中的线显示用Zhang方法计算的各点的对称性大小。图2b示例性地示出了侧边栏和对称区域。图2c示例性地示出了补齐侧边栏后的布局结果。

在步骤S4中，可以将相互重叠的阳台和窗户将被作为一个操作单元。

对称是指两个同标签的基本元素(或操作单元)，并且按其对称轴镜像后重叠的区域不小于80％。

其中，基本元素的标签可以为不同类型的门窗、柱子或房檐等。单元的标签由其所包含的建筑元素的标签决定。

在步骤S5中，可以使用操作单元之间的对称性作为匹配度，并利用稳定匹配算法，来得到潜在对称对。

其中，通过稳定配对算法找出现有结构中所有潜在的对称对。其中匹配度的定义为：

and

其中，i,j为单元索引，px^c，py^c分别表示对应单元的x，y方向的中心点，T₁为判定是否在一行的阈值，L表示元素的标签，abs用来计算两个实数值的绝对值，sameRL用来确定两个元素是否在同一行。

然后，移动潜在对称对，使其对称化，移动距离为：

其中，px^a为对称轴的位置。

例如：可以将操作单元移动来实现对称化对称对。其中分别为对称单元i，j的左边界和右边界坐标，x^a则为对称轴的坐标位置。

通过稳定配对算法可以有效地提取对称结构中的潜在对称对。

在步骤S6中，能量函数的定义如下：

C(x)＝w_s·f_s+w_c·f_c+ω_lnc·f_lnc+w_lcba·f_lcba+w_rp·f_rp

其中，w_s,w_c,w_lnc,w_lcba,w_rp为对应代价项的权重。能量函数的特征包含不对称性、标签类别改变、标签数量改变、面积占比改变以及相对位置的改变。

各个代价项的定义如下：

不对称性的代价f_s定义为：

其中，A_i为第i个元素的面积，分别为不对称的元素索引和所有元素的索引。

标签类别改变的代价f_c定义为：

其中，为原始建筑布局中的标签集；为原始、最终生成的建筑布局中的相应的标签的数目；为不对称元素对应的标签集。

标签数量改变的代价f_lnc定义如下：

其中，为最终生成布局中的元素标签集，其他符号定义参见其他公式中参数的说明。

面积占比改变的代价f_lcba定义如下：

其中，S⁰为原始布局的元素索引集，其他符号的定义参见其他公式中的有关说明。

相对位置的改变的代价f_rp定义如下：

其中，M_stable为原始建筑布局与生成建筑布局中元素索引的映射集合,分别为原始建筑布局和生成建筑布局中的索引为i的元素的位置，w_b为原始建筑布局中的边界框的宽度，用来对代价进行归一化，以便使得各个代价项之间具有相似的度量。

其中，原始建筑布局与生成建筑布局中元素索引的映射集合为通过稳定配对算法，在生成建筑布局中与原始建筑布局中元素距离最近的配对。

操作算子包括移动、交换位置、删除不对称单元、添加不对称单元、添加已删除单元以及删除对称单元对。

其中，移动操作的分布为混合高斯分布：

p(x_i)＝r₁·N(x_j-x_i，(x_j-x_i)²)+r₂·N(x_j′-x_i，(x_j′-x_i)²)

其中，i为当前编辑元素，j，j′为在元素i的左右两侧的两个元素，且与i在同一行中具有相同的标签的单元的索引，x_i，x_j，x_j′分别为不同元素的水平方向坐标，r₁,r₂为混合高斯分布的混合参数；N为高斯函数。

交换位置的选择的特征为均匀的多项式分布，且其对应的随机变量为与随机选定的操作单元在同一行其同标签的单元的位置以及其镜像位置和对称轴的位置。

删除不对称单元的概率与删除元素的比率相关，这因为希望元素中的元素数目尽可能保持不变。而其中删除不对称单元/添加不对称单元的概率都是根据当前布局的对称性来确定的，如果布局对称性比较高，则该操作发生的概率就比较低。删除对称对的概率则与f_lnc相关，这因为希望优化后布局中元素的标签数目尽可能保持不变。

为了增强建筑物表面结构对称化结果的规则性以及遵循建筑学上的特点，如图3所示，在上述实施例的基础上，进行规则化，所以，本发明实施例还可以包括：

S7：根据改进的边界维诺图的代价函数来实现操作单元在水平方向的均匀分布。

S8：将建筑布局中的操作单元按水平或垂直方向进行对齐。

S9：将操作单元内的元素沿着单元中心对称化。

在步骤S7中，为了实现操作单元在水平方向上的均匀分布，改进的边界维诺图的代价函数包括以下几项：水平最邻近对间的平方距离、左右边界与最邻近单元间的平方距离之和。

在步骤S8中，本申请将对称分为水平和竖直两个方向进行。

水平对齐的方法为，将操作单元按竖直坐标分组，然后将不同组内的操作单元进行水平方向的对齐。

竖直对齐的方法为，计算操作单元间的水平距离，使用贪心的方式将操作单元按竖直方向分组，计算各组坐标的均值作为对齐点的坐标并按该对齐点对齐，然后将其他操作单元对齐到最邻近的对齐点上。

在步骤S9中，将操作单元范围作为对称区域，操作单元中心作为对称轴位置，然后使用步骤S5，将操作单元内的元素沿着单元中心对称化。

图4a至图4g示例性地示出了一本发明实施例中一些步骤的结果示意图。其中，图4a示出了用户标注的元素布局；图4b示出了提取建筑布局中的操作单元之间的对称对或者潜在的对称对的结果；图4c示出了去掉标签代价项的优化结果；图4d示出了去掉标签数量变化代价项的优化结果；图4e示出了去除相对位置代价项的优化结果；图4f示出了去除面积占比代价项的优化结果；图4g示出了包含所有代价项的优化结果。

图5a至图5b为本发明另一实施例中一些步骤的结果示意图。其中，图5a示出了用户标注的元素布局；图5b示出了对称化结果；图5c示出了规则化结果；图5d示出了采用本发明实施例提供的方法所获得的最终结果。

图6a至图6c为本发明再一实施例中一些步骤的结果示意图。其中，图6a示出了用户标注的元素布局；图6b示出了对称以及规则化后结果；图6c示出了采用本发明实施例提供的方法所获得的最终结果。

图7a至图7b示例性地示出了采用本发明实施例提供的方法来去除布局中的标注误差的结果示意图。其中，图7a示出了用户标注的元素以及指定的对称区域；图7b示出了采用本发明实施例提供的方法处理后所得到的最终规则化结果。

图8a至图8g示例性地示出了使用本发明实施例提供的方法进行建筑布局多样性合成的结果示意图。其中，图8a示出了输入布局；图8b至图8g示出了进行建筑布局多样化处理后的结果。

下面结合图9来详细说明本发明。

S90：获取建筑表面图像；

S91：标记元素信息；

S92：确定侧边栏区域、对称轴、对称区域；

S93：提取操作单元；

S94：提取潜在对称关系，并且对称化；

S95：通过优化能量函数来实现对称化；

S96：均匀化水平分布；

S97：水平竖直方向中心对齐；

S98：各单元内部对称化；

S99：得到对称化的建筑表面。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种建筑物表面结构对称化的方法，其特征在于，所述方法包括：

从所述建筑物表面图像中标注出建筑物中的基本元素；

计算建筑布局中水平方向各点的对称性，并通过所述各点的对称性确定所述建筑布局中原有的对称轴；

根据所述建筑物的基本元素，确定相应的侧边栏区域、对称区域以及对称轴；

定义操作单元和对称，其中，所述操作单元为相互重叠的元素或者单个元素；

根据所述对称轴，提取所述建筑布局中的所述操作单元之间的对称对或者潜在的对称对；

指定能量函数，以及操作算子，并通过模拟退火算法优化所述能量函数，以对称化所述各操作单元，从而实现建筑物表面结构对称化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基本元素包括门窗、阳台、装饰物或门梁。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述建筑布局中原有的对称轴具体包括：

将所述建筑布局水平方向对称值最大的位置确定为所述原有的对称轴。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定相应的侧边栏区域包括：

根据以下公式计算所述侧边栏区域：

y＝y^b

h＝y^t-y^b

其中，x^a为原有对称轴位置；x¹,x^r,y^t,y^b分别为所述建筑布局中基本元素的边界框的左、右、下、上的坐标；x、y为所述侧边栏的左上角坐标；w、h为所述侧边栏的宽度和长度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定对称区域包括：

通过在所述建筑布局的一侧补齐或添加所述侧边栏后得到所述对称区域。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述对称轴包括：

将经过所述对称区域中心点的轴线作为所述对称轴。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定义所述对称包括：

将两个同标签的基本元素(或操作单元)，按其对称轴镜像后重叠的区域不小于80％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取所述建筑布局中的所述操作单元之间的对称对或者潜在的对称对包括：

将所述操作单元之间的对称性作为匹配度，并利用稳定匹配算法，来得到所述操作单元之间的对称对或者潜在的对称对。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量函数的代价项包括不对称性、标签类别改变、标签数量改变、面积占比改变以及相对位置的改变。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述操作算子的特征包括移动、交换位置的选择、删除不对称单元、添加不对称单元、添加已删除单元以及删除对称单元对。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改进的边界维诺图的代价函数包括水平最邻近对间的平方距离、左右边界与最邻近单元间的平方距离之和。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述能量函数定义为：

C(x)＝w_s·f_s+w_c·f_c+w_lnc·f_lnc+w_lcba·f_lcba+w_rp·f_rp

其中，w_s，w_c，w_lncw_lcba，w_rp分别为不对称性、标签类别改变、标签数量改变、面积占比改变以及相对位置的改变的权重。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述不对称性的代价定义为：

$f_s=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i\∈S_{asym}^t}{A}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i\∈S^t}{A}_i}$

其中，f_s表示不对称性的代价；i为元素序号，其取正整数；A_i为第i个元素的面积；分别为不对称的元素索引和所有元素的索引。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述标签类别改变的代价定义为：

$f_c={\mathrm{\Σ}}_{i\∈S_L^o}\frac{\mathrm{\δ}(N_i^o-N_i^t)}{N_{Lasym}^o}$

$\mathrm{\δ}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}0,x=0\\ 1,x\≠0\end{array}\right.$

其中，f_c表示标签类别改变的代价；为原始建筑布局中的标签集；为原始、最终生成的建筑布局中的相应的标签的数目；i为标签序号，其取正整数；为不对称元素对应的标签集。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述标签数量改变的代价定义为：

$f_{\ln c}={\mathrm{\Σ}}_{i\∈S_L^t}\frac{abs(N_i^o-N_i^t)}{N_{asym}^o}$

其中，f_lnc表示标签数量改变的代价；为最终生成布局中的元素标签集；为原始、最终生成的建筑布局中的相应的标签的数目；i为标签序号，其取正整数；为不对称元素对应的标签集。

16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述面积占比改变的代价定义为：

$f_{lcba}=\frac{abs({\mathrm{\Σ}}_{i\∈S^o}{A}_i-{\mathrm{\Σ}}_{j\∈S^t}{A}_j)}{{\mathrm{\Σ}}_{i\∈S^o}{A}_i}$

其中，f_lcba表示面积占比改变的代价；S⁰为原始布局的元素索引集；i、j为元素序号，其取正整数；A_i为第i个元素的面积；A_j为第j个元素的面积。

17.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相对位置的改变的代价的定义为：

$f_{rp}={\mathrm{\Σ}}_{\underset{\left(i,j\right)\∈M_{stable}}{i\∈S^o,j\∈S^t}}\frac{abs\left({\mathrm{px}}_i^o-{\mathrm{px}}_j^t\right)}{w_b}$

其中，f_rp相对位置的改变的代价；M_stable为原始建筑布局与生成建筑布局中元素索引的映射集合,分别为原始建筑布局和生成建筑布局中的索引为i的元素的位置，ω_b为原始建筑布局中的边界框的宽度。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述原始建筑布局与生成建筑布局中元素索引的映射集合通过以下方式确定：

通过稳定配对算法，在生成建筑布局中与原始建筑布局中元素距离最近的配对。

19.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述操作算子的移动操作的分布为混合高斯分布。

20.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述交换位置的选择的特征为均匀的多项式分布，且其对应的随机变量为与随机选定的操作单元在同一行其同标签的单元的位置以及其镜像位置和对称轴的位置。

21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据改进的边界维诺图的代价函数来实现所述操作单元在水平方向的均匀分布；

将所述建筑布局中的所述操作单元按水平或竖直方向进行对齐；

将所述操作单元内的元素沿着单元中心对称化。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述水平对齐包括：

将所述操作单元按竖直坐标分组；

将不同组内的操作单元进行水平方向的对齐。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述竖直对齐包括：

计算所述操作单元间的水平距离；

使用贪心的方式，将所述操作单元按竖直方向分组；

计算所述各组坐标的均值，以所述均值作为对齐点的坐标并按该对齐点对齐；

将所述操作单元对齐到最邻近的对齐点上。