CN106023297A - 一种精细三维模型的纹理动态组织方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精细三维模型的纹理动态组织方法，包括以下步骤：打开三维场景模型，求解出三维模型的最小包围盒的大小；基于八叉树建立索引树并规定最大递归深度；记录建筑物中各个部件所占用叶子节点的空间坐标x、y、z以生成各个部件纹理的Morton检索码；提取三维模型所建立的索引树的根节点；对索引树采用动态关联的方法进行纹理文件的关联；判断在具有相同父节点的兄弟节点当中是否存在有相同纹理名称且分辨率大小相同的纹理文件；重复循环遍历与判断，直至完成索引树的建立与所有节点的动态的关联与聚合，最终输出一个层次化清晰、组织好的纹理索引树及其索引文件。

Description

一种精细三维模型的纹理动态组织方法

技术领域

本发明属于地理空间信息系统技术领域，特别是涉及一种精细三维建筑物模型的纹理动态组织方法。

背景技术

纹理数据对于虚拟地理环境的真实感与快速感知的辨识能力起到了决定性的作用。在当前的三维城市建设过程中，精细三维建筑物模型越来越受到用户重视，其表现方式主要有两种：其一，精细三维建筑物模型可以根据简单的线框在不同细节层次上进行渲染或者用不同方法进行明暗描绘；其二，许多三维模型通过映射纹理来表达更多的细节，使得模型看起来更加的逼真、细致。同时，由于BIM等精细三维建筑物模型与GIS数据的融合，导致精细三维建筑物模型大多是有很多建筑部件组成，而每个部件都具有相关纹理且存在大量重复纹理的可能。由于纹理数据量的不断增大远远超出了其几何数据量，给三维场景的渲染带来了巨大挑战，所以，纹理数据的组织方法就显得尤为重要，特别是在精细的三维建筑物模型纹理的高质量与复杂性使得纹理数据的高效组织已经成为三维GIS和虚拟地理环境可视化的瓶颈问题之一。

现有的三维GIS软件应用当中，系统注重表达城市当中每一个实体对象，在内存管理中以面向对象的数据模型来表达，在绘制缓存中使用基于面的粒度，而在磁盘储存中将整个工程数据储存为一个或少数文件。然而现有的数据组织技术大多数只是针对几何图元数据的存储与组织，并没有考虑在某一粒度下纹理存储与组织方法的巨大差异。通过空间索引结构，可以快速的判断所需要对象过程中场景空间索引结构的访问模式。因此，数据的磁盘存储中，利用空间索引节点访问顺序表达磁盘存储顺序，可以实现连续读取操作，减少寻址时间，进而大幅度提升数据调度和读取效率。所以，对于庞杂、大量的纹理文件，根据空间索引层次结构建立索引树，并将纹理数据打包写入映射文件以提升读取的效率具有十分重要的实际意义和应用价值。

目前三维模型纹理主要有以下三种组织方法。

（1）基于纹理集的纹理组织方法

该方法的基本思想是设计一种动态空间分配算法，将模型中各个独立的小纹理合并为一个大的纹理(称之为Atlas)，并进行相应的纹理坐标修改，从而减少纹理状态切换次数，以提高渲染帧率。而在进行在大规模场景模型中，一个Atlas要合并的子纹理数量可能是非常巨大的，纹理图像的长宽尺寸也是各种各样。若对每个Atlas指定相同的尺寸，以获取子纹理的先后顺序合并，必然造成大量存储空间的浪费。而采用动态空间分配的算法，会使得计算步骤过于繁杂。纹理集中，每个子纹理对应三维模型的局部表面，但对于整体表面的全局化参数化存在一定的困难，需要将其分割为若干面片，然后对每个面片进行参数化，并将每个面片的纹理依次保存到纹理集。该类方法在下列文献中均有论述：宋歌，杨红雨，基于纹理集的大规模场景模型优化算法.计算机工程与设计，2011；江巨浪，黄忠，郑江云.基于三角形包围盒的纹理地图集生成算法.吉林大学学报（工学版），2012；

（2）基于几何特征的纹理组织方法

曲率分割法是通过探测高曲率的区域作为种子轮廓线，并扩展这些轮廓线实现物体表面的分割，然后采用基于柯西黎曼方程与最小二乘法逼近的保角参数化方法，将每个面片纹理映射到纹理集空间。曲面分割法，将曲面分割成一系列近似矩形的面片，通过参数化方法将其纹理映射为规则的矩形纹理。以上方法虽然能提高纹理集的空间利用率，但将纹理从面片映射到平面时会产生一定的扭曲与变形，难以且保证纹理分辨率的一致性难以得到保证。该类方法在下列文献中均有论述：Levy B ,Petitjean S, Ray N. Least SquaresConformal Maps for Automatic Texture Atlas Generation[J].ACM Transactions onGraphics,2002; Carr N A,Hoberock J,Grane K. Rectangular Multi-chart GeometryImages[C].The 4th Euroguaphics Symposium on Geometry Processing, Sardinia ,Italy,2007.

（3）基于纹理数据重组织的方法

在目标的三维重建完成之后，模型点的三维坐标就与模型点的纹理坐标建立了对应关系。通过某幅影像上所有模型点的纹理坐标可以确定该影像纹理坐标区域的外接矩形，该外接矩形区域称为有效纹理区域。大部分影像的有效纹理区域只占影像的某一部分，有效纹理区域以外的部分都可以当作冗余纹理。对有效纹理区域进行重新组织，将这些纹理区域集中存储，去掉冗余纹理，将减少影像数据量的同时能够在重组织影像上保持原始映射单元的结构关系。基于超面的建筑物纹理优化处理方法，解构三维模型的表面法线特征，通过三角形种子点生长方法获得法线相近且空间相邻的一组三角形集合，然后将该三角形集合投影到最大投影面后再提取出边界得到超面；通过最低水平线择优插入算法，将超面上对应的零散纹理渲染为一张纹理，进而实现纹理的优化布局，最终将优化后的纹理映射至建筑物表面，可以在保持建筑物模型整体外观的前提下，显著减少纹理数量，大幅提高可视化效率。然而这两种组织方法过于复杂，计算效率还有待提高。该类方法在下列文献中均有论述：张剑清，贺少军，苏国中，三维模型重建中影像纹理重组织方法研究.武汉大学学报信息科学版，2005；杜志强，罗盼，朱晓玲等，基于超面的建筑物纹理优化处理方法.武汉大学学报信息科学版，2014.

上述纹理数据组织方法的过程都是一种静态的组织过程，并且都存在各自的局限性。本专利针对上述组织方法过程的静态的特征与其局限性，提出一种一边建立索引树一边关联纹理文件同时进行纹理聚合的动态纹理数据的组织方法。

发明内容

本发明目的在于针对精细三维建筑物模型数据之中部件纹理组织的难题，充分考虑纹理数据存储与读取的特点，提出一种一边建立索引树一边关联纹理文件同时进行纹理聚合的动态纹理数据的组织方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种精细三维模型的纹理动态组织方法,包括以下步骤：

步骤1，打开三维建筑物模型，求解三维建筑物模型与其部件的最小包围盒，并基于八叉树建立索引树，通过设置子节点个数与节点存取对象大小的阈值来规定索引树的最大递归深度，进行节点细分的八等分，同时记录三维建筑物模型中各个部件所占用叶子节点的空间坐标X、Y、Z；

步骤2，对三维建筑模型初始建立的索引树进行根节点的检索；

步骤3，通过对初始建立的索引树进行先序遍历的索引方法，由索引树的根节点开始，检索初始建立的索引树的叶子节点和与其兄弟节点，对这些叶子节点进行纹理文件的关联；

步骤4，对已经关联了纹理文件的兄弟节点当中，是否存在有纹理名称相同且分辨率大小相同的纹理文件进行判断，若存在，将其关联到其父节点当中，更新父节点的空间坐标，并将叶子节点中已经关联至父节点中的纹理文件删除；若不存在，继续采用先序遍历方法，对下一个检索到的叶子节点进行是否存在有相同纹理名称且分辨率大小相同的纹理文件进行判断，通过这样一边建立索引树，一边关联存储，一边对纹理数据聚合的动态方法组织精细三维建筑物模型数据；

步骤5，当索引树先序遍历完成回到根节点时，最小外包围盒内的纹理文件即已经关联存储与聚合完毕，进行索引树序列化；

步骤6，通过记录的X，Y，Z生成所成索引树的Morton码，通过节点整数坐标转化二进制组合生成的Morton码，最终输出一个纹理索引树，及其索引文件。

优选的，步骤1中构建索引树的具体操作步骤如下：

步骤1.1，打开精细三维建筑物模型，首先计算出精细三维建筑物模型中的轴向包围盒；

步骤1.2，旋转坐标系，设置旋转的步长，通过三重循环的方法使三个坐标轴的转角α、β、γ由0^o增至360^o，每一次旋转坐标系时，记录不同角度生成的轴向包围盒的大小；

步骤1.3，通过比较每个位置的轴向包围盒体积得出最小包围盒体积，且得出最小包围盒所对应的坐标轴旋转角α₀、β₀、γ₀，由α₀、β₀、γ₀直接得出包围盒三个边长相对于初始坐标系的夹角，由此确定出对象的最小外包围盒；

步骤1.4，规定最大递归的深度，通过限定所能容纳节点的个数与对象大小的阈值，根据不同种类的精细三维建筑物模型的要求来确定一个节点所能关联纹理文件的数量；

步骤1.5，依序将对象放入可导入并无子节点的当前的叶子节点上，并在磁盘索引中记录各个对象所在节点的X，Y，Z坐标；

步骤1.6，通过求解各个部件的最小外包围盒，得到每个部件所占据的空间大小，通过最小包围盒中心点的空间位置得到部件所处索引树节点的位置；

步骤1.7，判断单个节点空间上存储的部件空间是否超过规定的阈值。如果判断结果为“是”，将装有对象的叶子节点进行细分八等份，将该节点的所有对象全部分担至其八个叶子节点上，并更新对象所在的空间节点坐标X，Y，Z，如果判断结果为否，结束该节点的分割；

步骤1.8，判断叶子节点被分配到的对象数量是否为零且与父节点等同，如果判断结果为“是”，结束该节点的分割，如果判断结果为“否”，判断是否达所设置的最大递归深度，判断结果若为“是”，结束该节点的分割，判断结果若为“否”，重复执行步骤1.6，在索引树建立过程中，同时进行关联与聚合操作。

优选的，步骤3中纹理聚合的具体操作步骤如下：

步骤3.1，判断是否存在编号相同且分辨率相同的纹理；

步骤3.2，若判定结果为“是”，将具有相同名字的纹理文件关联到其父节点上且更新其纹理对象所在的节点空间坐标，同时将原先在叶子节点上的已经关联到父节点上的纹理文件删除；

步骤3.3，若判断结果为“否”，重复步骤5中的检索与纹理关联。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对纹理对象所依附的几何对象的空间范围来建立层次的空间索引结构；通过建立索引树将每个节点在空间三维坐标系中的坐标与几何对象进行关联；通过对索引树索引，通过先序遍历的方法找寻具有相同父节点的关联节点，通过循环判断的方法将其纹理数据向其父节点不断的动态聚合，保证一个纹理在整个纹理索引树当中只需要存储一次，有效的减少了数据存储的冗余，同时也减少了磁盘I/O的次数；通过构建空间三维坐标与索引码的联系，快速的定位纹理对象数据的起始位置与偏移长度，加快了纹理检索的速度；通过将动态聚合后的索引树进行序列化，将所有空节点删除，一定程度上减少了多余数据的存储量。本发明提出的一种精细三维建筑物模型的纹理动态组织方法具有方法简洁、存储与关联的效率高、节约空间的优点，有效的提升了对于精细三维建筑物模型纹理数据组织问题解决的效率。

附图说明

图1 本发明的总体流程图；

图2 生成八叉树的索引树的流程图；

图3 本发明动态组织数据的流程图；

图4 本发明动态组织数据原理图；

图5 索引树序列化生成的结构图；

图6 Morton码的生成原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明的精细三维建筑物模型序列化后纹理索引建立的原理是将三维数据模型基于八叉树建立索引树，并且记录其节点坐标生成Morton码，在建立索引树同时对索引树进行索引并且动态的聚合关联纹理文件，最终生成序列化后索引树的一个纹理数据动态组织过程。

本发明实施的实现过程采用计算机实现自动化处理，包括以下步骤：

步骤1，打开三维场景模型，求解三维建筑物模型与其部件的最小包围盒，并基于八叉树建立索引树，通过设置子节点个数与节点存取对象大小的阈值来规定索引树的最大递归深度，进行节点细分的八等分。建立索引树的过程流程图参见图2所示，构建索引树的具体操作步骤如下：

步骤1.1，打开精细三维建筑物模型，首先计算出精细三维建筑物模型中的轴向包围盒。

步骤1.2，旋转坐标系，设置旋转的步长，通过三重循环的方法使三个坐标轴的转角α、β、γ由0^o增至360^o，每一次旋转坐标系时，记录不同角度生成的轴向包围盒的大小。

步骤1.3，通过比较每个位置的轴向包围盒体积得出最小包围盒体积，且得出最小包围盒所对应的坐标轴旋转角α₀、β₀、γ₀，由α₀、β₀、γ₀直接得出包围盒三个边长相对于初始坐标系的夹角，由此确定出对象的最小外包围盒。

步骤1.4，规定最大递归的深度，通过限定所能容纳节点的个数与对象大小的阈值，根据不同种类的精细三维建筑物模型的要求来确定一个节点所能关联纹理文件的数量。

步骤1.5，依序将对象放入可导入并无子节点的当前的叶子节点上，并在磁盘索引中记录各个对象所在节点的X，Y，Z坐标。

步骤1.6，通过求解各个部件的最小外包围盒，得到每个部件所占据的空间大小。通过最小包围盒中心点的空间位置得到部件所处索引树节点的位置。

步骤1.7，判断单个节点空间上存储的部件空间是否超过规定的阈值。如果判断结果为“是”，将装有对象的叶子节点进行细分八等份，将该节点的所有对象全部分担至其八个叶子节点上，并更新对象所在的空间节点坐标X，Y，Z。如果判断结果为否，结束该节点的分割。

步骤1.8，判断叶子节点被分配到的对象数量是否为零且与父节点等同。如果判断结果为“是”，结束该节点的分割。如果判断结果为“否”，判断是否达所设置的最大递归深度。判断结果若为“是”，结束该节点的分割。判断结果若为“否”，重复执行步骤1.6，索引树的建立过程流程图参见图3，在索引树建立过程中，同时进行关联与聚合操作。

步骤2，从索引树根节点开始，通过先序遍历的方法对初始建立的索引树进行检索，当检索到一部分具有相同父节点的叶子节点（例如节点n0，n1，n2，……n7)就进行纹理文件（例如纹理文件T0，T1，T2……T7）的关联。其过程参见图4（a），其中纹理文件已经关联至叶子节点之上。

步骤3，在初始建立的索引树中，通过对已经关联纹理文件的叶子节点进行纹理聚合，将关联了相同纹理文件的叶子节点聚合至其父节点上。通过与建立索引树、进行纹理文件的关联的同时性以实现动态的组织纹理文件，纹理文件的聚合流程图参见图3。纹理聚合的具体操作步骤如下：

步骤3.1，判断是否存在编号相同且分辨率相同的纹理。

步骤3.2，若判定结果为“是”，将具有相同名字的纹理文件关联到其父节点上且更新其纹理对象所在的节点空间坐标，同时将原先在叶子节点上的已经关联到父节点上的纹理文件删除。其过程参见图4（a）中的纹理文件即将聚合至父节点上，并将叶子节点的纹理文件删除，得到图4（b）图。

步骤3.3，若判断结果为“否”，重复步骤5中的检索与纹理关联。

步骤4，判断是否完成所有的叶子节点的关联与聚合。若判断结果为“是”，已经完成了所有叶子节点的关联与聚合生成了聚合完毕的索引树。利用索引树动态组织数据的原理参见图4（b）与图4（c）图。若判断结果为“否”，重复步骤2至步骤3.3对其他叶子节点进行关联与聚合操作。

步骤5，判断是否对所有无子节点的节点完成分割。若判断结果为“是”，结束索引树的建立。若判断结果为“否”，重复步骤1.7至步骤4，如图4（b）中，继续建立索引树的同时进行纹理关联，进而进行纹理文件的聚合。

步骤6，通过对聚合完毕的索引树进行序列化。参见图5中，图中正方形节点为无纹理文件关联的节点，三角形节点为有纹理文件关联的叶子节点。斜杠花纹的圆形节点表示其子节点的子节点中有叶子节点上有关联的纹理文件。对索引树的叶子节点进行遍历，删除没有关联纹理文件的叶子节点，即将所有的正方形节点删除。将没有纹理文件关联的正方形节点删除后，参见图5得到序列化后的索引树。假设两个指针或者一个指针和一个节点类型能够存在1个存储单元，则常规八叉树1个节点至少需要占用2个存储单元，而序列化后只需要一个存储单元，存储节省的比例为1/2。从而达到对存储空间的节约。

步骤7，通过记录的X，Y，Z生成所成索引树的Morton码，通过节点整数坐标转化二进制组合生成的Morton码原理参见图6。最终输出一个层次化清晰、组织好的纹理索引树，参见图4中（d）图的结果，及其索引文件。

步骤8，对精细三维建筑物模型中的部件进行纹理提取，通过对部件的三维坐标X，Y，Z生成Morton码即可快速检索到该部件所对应的纹理文件。

本发明通过对纹理对象所依附的几何对象的空间范围来建立层次的空间索引结构；通过建立索引树将每个节点在空间三维坐标系中的坐标与几何对象进行关联；通过对索引树索引，通过先序遍历的方法找寻具有相同父节点的关联节点，通过循环判断的方法将其纹理数据向其父节点不断的动态聚合，保证一个纹理在整个纹理索引树当中只需要存储一次，有效的减少了数据存储的冗余，同时也减少了磁盘I/O的次数；通过构建空间三维坐标与索引码的联系，快速的定位纹理对象数据的起始位置与偏移长度，加快了纹理检索的速度；通过将动态聚合后的索引树进行序列化，将所有空节点删除，一定程度上减少了多余数据的存储量。本发明提出的一种精细三维建筑物模型的纹理动态组织方法具有方法简洁、存储与关联的效率高、节约空间的优点，有效的提升了对于精细三维建筑物模型纹理数据组织问题解决的效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种精细三维模型的纹理动态组织方法,其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，打开三维建筑物模型，求解三维建筑物模型与其部件的最小包围盒，并基于八叉树建立索引树，通过设置子节点个数与节点存取对象大小的阈值来规定索引树的最大递归深度，进行节点细分的八等分，同时记录三维建筑物模型中各个部件所占用叶子节点的空间坐标X、Y、Z；

步骤2，对三维建筑模型初始建立的索引树进行根节点的检索；

步骤3，通过对初始建立的索引树进行先序遍历的索引方法，由索引树的根节点开始，检索初始建立的索引树的叶子节点和与其兄弟节点，对这些叶子节点进行纹理文件的关联；

步骤4，对已经关联了纹理文件的兄弟节点当中，是否存在有纹理名称相同且分辨率大小相同的纹理文件进行判断，若存在，将其关联到其父节点当中，更新父节点的空间坐标，并将叶子节点中已经关联至父节点中的纹理文件删除；若不存在，继续采用先序遍历方法，对下一个检索到的叶子节点进行是否存在有相同纹理名称且分辨率大小相同的纹理文件进行判断，通过这样一边建立索引树，一边关联存储，一边对纹理数据聚合的动态方法组织精细三维建筑物模型数据；

步骤5，当索引树先序遍历完成回到根节点时，最小外包围盒内的纹理文件即已经关联存储与聚合完毕，进行索引树序列化；

步骤6，通过记录的X，Y，Z生成所成索引树的Morton码，通过节点整数坐标转化二进制组合生成的Morton码，最终输出一个纹理索引树，及其索引文件。

2.根据权利要求1所述的一种精细三维模型的纹理动态组织方法，其特征在于：所述步骤1中构建索引树的具体操作步骤如下：

步骤1.1，打开精细三维建筑物模型，首先计算出精细三维建筑物模型中的轴向包围盒；

步骤1.2，旋转坐标系，设置旋转的步长，通过三重循环的方法使三个坐标轴的转角α、β、γ由0^o增至360^o，每一次旋转坐标系时，记录不同角度生成的轴向包围盒的大小；

步骤1.3，通过比较每个位置的轴向包围盒体积得出最小包围盒体积，且得出最小包围盒所对应的坐标轴旋转角α₀、β₀、γ₀，由α₀、β₀、γ₀直接得出包围盒三个边长相对于初始坐标系的夹角，由此确定出对象的最小外包围盒；

步骤1.4，规定最大递归的深度，通过限定所能容纳节点的个数与对象大小的阈值，根据不同种类的精细三维建筑物模型的要求来确定一个节点所能关联纹理文件的数量；

步骤1.5，依序将对象放入可导入并无子节点的当前的叶子节点上，并在磁盘索引中记录各个对象所在节点的X，Y，Z坐标；

步骤1.6，通过求解各个部件的最小外包围盒，得到每个部件所占据的空间大小，通过最小包围盒中心点的空间位置得到部件所处索引树节点的位置；

步骤1.7，判断单个节点空间上存储的部件空间是否超过规定的阈值；

如果判断结果为“是”，将装有对象的叶子节点进行细分八等份，将该节点的所有对象全部分担至其八个叶子节点上，并更新对象所在的空间节点坐标X，Y，Z，如果判断结果为否，结束该节点的分割；

步骤1.8，判断叶子节点被分配到的对象数量是否为零且与父节点等同，如果判断结果为“是”，结束该节点的分割，如果判断结果为“否”，判断是否达所设置的最大递归深度，判断结果若为“是”，结束该节点的分割，判断结果若为“否”，重复执行步骤1.6，在索引树建立过程中，同时进行关联与聚合操作。

3.根据权利要求1所述的一种精细三维模型的纹理动态组织方法，其特征在于：所述步骤3中纹理聚合的具体操作步骤如下：

步骤3.1，判断是否存在编号相同且分辨率相同的纹理；

步骤3.2，若判定结果为“是”，将具有相同名字的纹理文件关联到其父节点上且更新其纹理对象所在的节点空间坐标，同时将原先在叶子节点上的已经关联到父节点上的纹理文件删除；

步骤3.3，若判断结果为“否”，重复步骤5中的检索与纹理关联。