CN106909730B - 基于同伦映射算法的建筑物三维模型仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法及系统，为了解决现有的使规则形状来仿真建筑物不能满足对多变造型的建筑物的建模仿真，缺乏真实感的问题，本发明的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，利用同伦映射算法可从一个函数光滑过渡到另一个函数的特点，利用已有建筑的部分二维信息，生成映射函数，求出建筑物各层轮廓，实现了对已有建筑物的三维快速建模，以达到真实的逼真的仿真效果。

Description

基于同伦映射算法的建筑物三维模型仿真方法及系统

技术领域

本发明属于仿真领域，尤其涉及一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法及系统。

背景技术

三维的城市模型在许多领域的研究中都有重要的应用，如城市规划、建筑设计、虚拟城市、疏散仿真等领域。三维城市建模中对建筑物的三维仿真，大部分还停留在以几何方块加贴图来对建筑物进行简单的仿真，目前也存在使用三维点云数据进行仿真，但因其对数据的分割处理非常复杂，多用于规则建筑物的仿真。

随着时代的发展，建筑材料的多样化，现代建筑的造型不再是规则的长方体，而越来越趋向于多变造型，利用了曲面、非对称等多种造型手法，通过点、线、面、体彰显了现代建筑的特点。使规则形状来仿真建筑物已经不能满足对多变造型的建筑物的建模仿真，缺乏真实感。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法。本发明利用同伦映射算法可从一个函数光滑过渡到另一个函数的特点，利用已有建筑的部分二维信息，生成映射函数，求出建筑物各层轮廓，实现了对已有建筑物的三维快速建模，以达到真实的逼真的仿真效果。

本发明的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

最终根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型。

进一步的，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数的过程包括：

分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用多边形模拟建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

进一步的，所述同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

进一步的，得到同伦映射函数的过程包括：

对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

可以任选指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合中任一曲线拟合方式，根据建筑物的实际形状，选择最匹配的拟合曲线，进而得到最接近的效果，以确定映射函数。

本发明还提供了另一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法。

本发明的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

确定建筑物的关键层，根据关键层将建筑物划分为若干个子建筑物；

分别获取相应子建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

分别根据相应子建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到相应子建筑物的同伦映射函数；

利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到相应子建筑物各个层，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据相应子建筑物的相应层的层高，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

根据相应子建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出相应子建筑物的三维模型；

将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。

考虑建筑物的形态各异，本发明根据建筑物的实际形态，选取建筑物的任一层为关键层，其中，关键层可以有一个，也可以有多个；并且以关键层为分界面来划分建筑物。本发明通过构建出相应子建筑物的三维模型，再将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。这样提高了建筑物三维模型的准确性以及真实感。

本发明的第二目的是提供一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统。

本发明的第一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

底层及顶层轮廓及侧面曲线的控制点确定模块，其用于分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

底层及顶层轮廓曲线函数构建模块，其用于分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

同伦映射函数拟合模块，其用于将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

控制点坐标计算模块，其用于利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

建筑物三维模型获取模块，其用于根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型。

进一步的，在所述底层及顶层轮廓曲线函数构建模块中，分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用多边形模拟建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

进一步的，在所述控制点坐标计算模块中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

进一步的，在所述同伦映射函数拟合模块中，对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

可以任选指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合中任一曲线拟合方式，根据建筑物的实际形状，选择最匹配的拟合曲线，进而得到最接近的效果，以确定映射函数。

本发明还提供了第二种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统。

本发明的第二种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

建筑物划分模块，其用于确定建筑物的关键层，根据关键层将建筑物划分为若干个子建筑物；

底层及顶层轮廓及侧面曲线的控制点确定模块，其用于分别获取相应子建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

底层及顶层轮廓曲线函数构建模块，其用于分别根据相应子建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

同伦映射函数拟合模块，其用于将相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到相应子建筑物的同伦映射函数；

控制点坐标计算模块，其用于利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到相应子建筑物各个层，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据相应子建筑物的相应层的层高，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

子建筑物三维模型获取模块，其用于根据相应子建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出相应子建筑物的三维模型；

三维模型叠加模块，其用于将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。

进一步的，在所述底层及顶层轮廓曲线函数构建模块中，分别对相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

或在所述控制点坐标计算模块中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建相应子建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数。

或在所述同伦映射函数拟合模块中，对标准化后的相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明还提供了第三种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统。

本发明的第三种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

图像采集装置，其被配置为：获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，并传送至服务器；

所述服务器，其被配置为：

接收建筑的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

最终根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型。

进一步的，所述服务器还被配置为：分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数。

或所述服务器还被配置为：根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数，其中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；

或所述服务器还被配置为：对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明的有益效果为：

(1)利用同伦映射的算法对已有建筑物进行三维仿真建模，可以实现对非规则建筑物的仿真，解决了现有三维模型构建方法中不能对此类建筑物进行有效的仿真的问题，本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，不仅加快了仿真建模的速度，还提高了三维仿真场景的真实感。

(2)本发明还考虑建筑物的形态各异，本发明根据建筑物的实际形态，选取建筑物的任一层为关键层，其中，关键层可以有一个，也可以有多个；并且以关键层为分界面来划分建筑物。本发明通过构建出相应子建筑物的三维模型，再将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。这样提高了建筑物三维模型的准确性以及真实感。

(3)本发明的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法及系统适用于单体各类高层建筑物的有效仿真。

附图说明

图1是实施例一建筑物的底层轮廓示意图。

图2是实施例一建筑物的底层轮廓拟合多边形的控制点示意图。

图3是实施例一建筑物的底层轮廓到顶层轮廓对应控制点设置举例示意图。

图4(a)是实施例一建筑物侧面轮廓示意图。

图4(b)是实施例一建筑物侧面曲线控制点获取示意图。

图4(c)是实施例一建筑物侧面曲线拟合示意图。

图4(d)是实施例一建筑物侧面曲线对应映射函数示意图。

图5(a)是实施例二建筑物对已有建筑设置关键轮廓层示意图。

图5(b)是实施例二建筑物根据关键层分别生成第一子建筑模型示意图。

图5(c)是实施例二建筑物根据关键层分别生成第二子建筑模型示意图。

图5(d)是实施例二建筑物根据关键层分别生成第三子建筑模型示意图。

图5(e)是实施例二建筑物由部分建筑模型合成整体建筑物仿真效果二维示意图。

图5(f)是实施例二建筑物由部分建筑模型合成整体建筑物仿真效果立体示意图。

图6是本发明的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法流程示意图。

图7是本发明的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为了实现上述目的，分析了同伦映射的特点，同伦映射可以实现按照某些规则从一个形状持续变化成另外一个形状，不同的映射可以产生不同的同伦曲线，因此可以使用了同伦映射来实现建筑中从一个形状过渡到另一个形状而构成建筑物。用于建筑物仿真的同伦映射公式如式(1)所示，

F(x,y,t)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t) (1)

其中f(x,y)为底层轮廓曲线方程，g(x,y)为顶层轮廓曲线方程，k(t)为同伦映射函数，x,y为轮廓曲线上控制点的坐标值，设生成建筑物的底面在xy坐标平面上，z坐标方向表示建筑物的高度。t为同伦映射函数的参数，其取值范围为[0,1]。

由同伦映射的公式可知，只要获得已有建筑的顶层轮廓，底层轮廓，及同伦映射函数就可以生成已有建筑物的三维模型。

图6是本发明的实施例一的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法流程示意图。

如图6所示，本发明的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

步骤S101：分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标。

其中，顶层轮廓与底层轮廓及映射函数曲线均由有关真实建筑物的图像所得。实施例一建筑物的底层轮廓示意图，如图1所示。

步骤S102：分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

其中，顶层轮廓与底层轮廓曲线，一般由用户利用控制点方式以多边形进行模拟，如图2所示。因此更多的情况下，将底层轮廓到顶层轮廓的同伦映射变为由顶层轮廓的某控制点到底层轮廓相对应控制点的同伦映射，用户以点列顺序指定顶层轮廓与底层轮廓相对应的控制点坐标，如顶层轮廓曲线控制点的顺序为(p₁,p₂,p₃…p_m)，底层轮廓曲线控制点的顺序为(p₁’,p₂’,p₃’…p_m’)，则p₁与p₁’有对应关系，p₂与p₂’有对应关系，如图3所示。因建筑物特殊造型有可能出现底层两个控制点经过渡对应顶层同一控制点，所以允许给出的轮廓曲线控制点中有相同的坐标值。顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。则同伦映射方程可改为如式(2)所示。

其中，i为点列中第i个控制点i∈1,2,...m，(f_xi,f_yi)为顶层轮廓第i个控制点的坐标值，(g_xi,g_yi)为对应底层轮廓第i个控制点坐标值。

同伦映射函数的要求是满足k(t)∈[0,1]，且k(0)＝0,k(1)＝1。那么拟合后的曲线也应具有相同的特征。如图4(a)是某建筑物的侧面图，用户可以设置相应的控制点来描述这条曲线，得到曲线上点的坐标如图4(b)，将得到的点坐标进行标准化，变换到[0,1]之间，获得标准化之后的坐标如图4(c)所示，进行曲线拟合。曲线的拟合类型有指数拟合、傅立叶拟合、高斯拟合、插值拟合、多项式拟合等。用户可选择拟合类型，查看拟合结果，选择最接近的效果，以确定映射函数k(t)，图4(d)为拟合效果。

步骤S102：利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标。

根据建筑物层数n，将t从0到1等分为n-1份，均匀取值t_j，t_j∈[0,1],j∈1,2,…n，且t₁＝0,t_n＝1，求出各层的轮廓曲线中某控制点的坐标，如第j层轮廓曲线中第i个控制点的坐标为(x_ij,y_ij)。

设置建筑物层高为h，得到各层曲线点的z坐标值，z_j＝h*j为第j层。得到各层轮廓曲线控制点的完整三维坐标(x_ij,y_ij,z_j)。

步骤S103：最终根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型。

图7是本发明的实施例二的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法流程示意图。

如图7所示，本发明的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

步骤S201：确定建筑物的关键层，根据关键层将建筑物划分为若干个子建筑物；

步骤S202：分别获取相应子建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

步骤S203：分别根据相应子建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到相应子建筑物的同伦映射函数；

步骤S204：利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到相应子建筑物各个层，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据相应子建筑物的相应层的层高，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

步骤S205：根据相应子建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出相应子建筑物的三维模型；

步骤S206：将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。

考虑建筑物的形态各异，本发明根据建筑物的实际形态，选取建筑物的任一层为关键层，其中，关键层可以有一个，也可以有多个；并且以关键层为分界面来划分建筑物。本发明通过构建出相应子建筑物的三维模型，再将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。这样提高了建筑物三维模型的准确性以及真实感。

优选地，在建筑物侧面轮廓复杂时，会出现不能用一个曲线进行拟合，或曲线过于复杂情况，可将整个建筑物分为子建筑物，对于每个子建筑物的侧面轮廓利用相对简单的曲线进行拟合。每个子部分可设置建筑物的关键层，获取关键层轮廓，其获取方式与上述描述方法相同。例如：如图5(a)所示的实际建筑物，选取两个关键层后，将建筑物划分成三个子建筑物，分别生成的子建筑模型示意图，如图5(b)-图5(d)。将关键层轮廓作为部分楼层的顶层轮廓和底层轮廓，生成部分楼层的外观，再将其合为一个整体如图5(e)和图5(f)所示。

图8是本发明实施例一的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统结构示意图。

如图8所示，本发明的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

底层及顶层轮廓及侧面曲线的控制点确定模块，其用于分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

底层及顶层轮廓曲线函数构建模块，其用于分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

同伦映射函数拟合模块，其用于将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

控制点坐标计算模块，其用于利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

建筑物三维模型获取模块，其用于根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型。

进一步的，在所述底层及顶层轮廓曲线函数构建模块中，分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用多边形模拟建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

进一步的，在所述控制点坐标计算模块中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

进一步的，在所述同伦映射函数拟合模块中，对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

可以任选指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合中任一曲线拟合方式，根据建筑物的实际形状，选择最匹配的拟合曲线，进而得到最接近的效果，以确定映射函数。

图9是本发明实施例二的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统结构示意图。

如图9所示，本发明的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

建筑物划分模块，其用于确定建筑物的关键层，根据关键层将建筑物划分为若干个子建筑物；

底层及顶层轮廓及侧面曲线的控制点确定模块，其用于分别获取相应子建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

底层及顶层轮廓曲线函数构建模块，其用于分别根据相应子建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

同伦映射函数拟合模块，其用于将相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到相应子建筑物的同伦映射函数；

控制点坐标计算模块，其用于利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到相应子建筑物各个层，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据相应子建筑物的相应层的层高，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

子建筑物三维模型获取模块，其用于根据相应子建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出相应子建筑物的三维模型；

三维模型叠加模块，其用于将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型。

本发明的实施例三的基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统结，包括：

图像采集装置，其被配置为：获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，并传送至服务器；

所述服务器，其被配置为：

接收建筑的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

最终根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型。

进一步的，所述服务器还被配置为：分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数。

或所述服务器还被配置为：根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数，其中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；

或所述服务器还被配置为：对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

最终根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型；

用于建筑物仿真的同伦映射公式：

F(x,y,t)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)

其中，f(x,y)为底层轮廓曲线方程，g(x,y)为顶层轮廓曲线方程，k(t)为同伦映射函数，x,y为轮廓曲线上控制点的坐标值，设生成建筑物的底面在xy坐标平面上，t为同伦映射函数的参数，其取值范围为[0,1]，根据建筑物层数n，将t从0到1等分为n-1份，均匀取值t_j，t_j∈[0,1],j∈1,2,…n，且t₁＝0,t_n＝1，求出各层的轮廓曲线中某控制点的坐标。

2.如权利要求1所述的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数的过程包括：

分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数；

或得到同伦映射函数的过程包括：

对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

3.如权利要求1所述的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，所述同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数。

4.一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

确定建筑物的关键层，根据关键层将建筑物划分为若干个子建筑物；

分别获取相应子建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

分别根据相应子建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

将相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到相应子建筑物的同伦映射函数；

利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到相应子建筑物各个层，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据相应子建筑物的相应层的层高，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

根据相应子建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出相应子建筑物的三维模型；

将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型；

用于建筑物仿真的同伦映射公式：

F(x,y,t)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)

其中，f(x,y)为底层轮廓曲线方程，g(x,y)为顶层轮廓曲线方程，k(t)为同伦映射函数，x,y为轮廓曲线上控制点的坐标值，设生成建筑物的底面在xy坐标平面上，t为同伦映射函数的参数，其取值范围为[0,1]，根据建筑物层数n，将t从0到1等分为n-1份，均匀取值t_j，t_j∈[0,1],j∈1,2,…n，且t₁＝0,t_n＝1，求出各层的轮廓曲线中某控制点的坐标。

5.如权利要求4所述的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数的过程包括：

分别对相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

或得到相应子建筑物的同伦映射函数的过程包括：

对标准化后的相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到相应子建筑物的同伦映射函数。

6.如权利要求4所述的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，其特征在于，所述同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中相应子建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数。

7.一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，其特征在于，包括：

底层及顶层轮廓及侧面曲线的控制点确定模块，其用于分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

底层及顶层轮廓曲线函数构建模块，其用于分别根据建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

同伦映射函数拟合模块，其用于将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；

控制点坐标计算模块，其用于利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物各个层，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据建筑物的相应层的层高，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

建筑物三维模型获取模块，其用于根据建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出建筑物的三维模型；

用于建筑物仿真的同伦映射公式：

F(x,y,t)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)

其中，f(x,y)为底层轮廓曲线方程，g(x,y)为顶层轮廓曲线方程，k(t)为同伦映射函数，x,y为轮廓曲线上控制点的坐标值，设生成建筑物的底面在xy坐标平面上，t为同伦映射函数的参数，其取值范围为[0,1]，根据建筑物层数n，将t从0到1等分为n-1份，均匀取值t_j，t_j∈[0,1],j∈1,2,…n，且t₁＝0,t_n＝1，求出各层的轮廓曲线中某控制点的坐标。

8.如权利要求7所述的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，其特征在于，在所述底层及顶层轮廓曲线函数构建模块中，分别对建筑物底层轮廓的控制点坐标和建筑物顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到建筑物底层轮廓曲线函数和建筑物顶层轮廓曲线函数；

或在所述控制点坐标计算模块中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数；

或在所述同伦映射函数拟合模块中，对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

9.一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，其特征在于，包括：

建筑物划分模块，其用于确定建筑物的关键层，根据关键层将建筑物划分为若干个子建筑物；

底层及顶层轮廓及侧面曲线的控制点确定模块，其用于分别获取相应子建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而确定出相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标、顶层轮廓的控制点坐标以及侧面变化曲线的控制点坐标；

底层及顶层轮廓曲线函数构建模块，其用于分别根据相应子建筑物底层轮廓和顶层轮廓的控制点坐标，构建出相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

同伦映射函数拟合模块，其用于将相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到相应子建筑物的同伦映射函数；

控制点坐标计算模块，其用于利用同伦映射函数将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到相应子建筑物各个层，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；再根据相应子建筑物的相应层的层高，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的竖直坐标；

子建筑物三维模型获取模块，其用于根据相应子建筑物各个层轮廓曲线上的控制点横坐标、纵坐标和竖直坐标，构建出相应子建筑物的三维模型；

三维模型叠加模块，其用于将各个子建筑物的三维模型按照顺序进行叠加，得到建筑物的完整三维模型；

用于建筑物仿真的同伦映射公式：

F(x,y,t)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)

其中，f(x,y)为底层轮廓曲线方程，g(x,y)为顶层轮廓曲线方程，k(t)为同伦映射函数，x,y为轮廓曲线上控制点的坐标值，设生成建筑物的底面在xy坐标平面上，t为同伦映射函数的参数，其取值范围为[0,1]，根据建筑物层数n，将t从0到1等分为n-1份，均匀取值t_j，t_j∈[0,1],j∈1,2,…n，且t₁＝0,t_n＝1，求出各层的轮廓曲线中某控制点的坐标。

10.如权利要求9所述的一种基于同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，其特征在于，在所述底层及顶层轮廓曲线函数构建模块中，分别对相应子建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标以多边形进行模拟，得到相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

或在所述控制点坐标计算模块中，同伦映射函数的取值范围为[0,1]；根据相应子建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数分别与其相应权重相乘之后再累加，得到相应子建筑物各个层轮廓曲线上控制点的横坐标和纵坐标；其中建相应子建筑物底层轮廓曲线函数的权重为1与同伦映射函数的差值；顶层轮廓曲线函数权重为同伦映射函数；

或在所述同伦映射函数拟合模块中，对标准化后的相应子建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

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