CN106919753A - 基于软构件的三维建筑模型构建方法及系统 - Google Patents

基于软构件的三维建筑模型构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于软构件的三维建筑模型构建方法及系统，其中该方法包括从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。

Description

基于软构件的三维建筑模型构建方法及系统
技术领域
本发明属于计算机辅助设计领域，尤其涉及一种基于软构件的三维建筑模型构建方法及系统。
背景技术
随着社会的进步和人们知识修养和整体文化素质的提高，人们消费观念及对住房、用品的要求正在悄然发生着变化。当今时代人们在选购住房、用品尤其是那些有规则结构形状的用品时，越来越看中产品的艺术性、实用性、使用便捷性和宜人性，
概念设计是产品设计中创造性设计的思维阶段，在这一过程中，设计师将构思快速转化为草图是一种相当复杂的行为。因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。创新概念设计是一个涵盖设计界、计算机科学界、管理学界、认知界的多学科交叉性研究领域，是目前国际国内的一个研究热点。
软构件是计算机软件业提出的一个重要概念，其基本思想是借鉴硬件技术的成功范例，将计算机软件构件化以增强其可复用性，以实现软件生产过程的硬件化。软构件为促进计算机软件业的发展和提高软件生产效率做出了重要贡献。
在设计业，通常人们所面对的是一个复杂的设计目标，然而不管设计目标有多么样的不同，它们总可以细分为小到一定程度的具有一定独立性的组成部件，且这些组成部件需要具有可重用性，各组成部件间具有可连接和装配的特点。根据这些特点，把计算机科学中的软构件思想应用于计算机辅助设计具有非常重要的研究和应用价值。
目前，三维建筑模型主要依靠设计人员采用CAD软件进行设计，这种设计方法对设计人员要求很高。设计人员在利用CAD软件进行设计时，首先要用人脑和手工工具进行概念设计，然后再利用计算机对每个零件进行详细设计，装配设计和优化设计以形成最终产品，基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化绘图工具。
现有的三维建筑模型构建方法极大的倚赖设计人员的设计经验，设计模型都是在人脑中生成以后，再通过设计工具再现，不仅对设计人员要求高，而且设计速度慢，不支持设计构件重用及创新设计。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于软构件的三维建筑模型构建方法。该方法在现有产品外形的基础上，采用遗传算法生成新颖的建筑设计软构件，保存在设计构件库中，在本系统中集成为三维建筑设计造型，为设计人员的创新设计提供支持，使设计人员在进行详细设计之前，就能看到建筑的三维建筑模型，加快设计进程。
本发明的一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，包括：
从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；
提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；
拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；
调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
进一步的，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓的具体过程为：
预设遗传算法执行的次数，执行遗传算法的交叉、变异及选择操作来优化二维建筑设计部件轮廓。
遗传算法中包括交叉和变异操作，操作的丰富多样化可以提高产品的新颖性。
进一步的，该方法还包括：将生成的三维设计软构件通过矩阵排列的方式进行组装形成组合建筑设计软构件，也存储至设计软构件库中。
这样能够减少组装的时间，提高建筑产品设计的速度。
进一步的，调取设计软构件库中的三维设计软构件之前，还包括：
根据优化的二维建筑设计部件轮廓，构建与建筑设计图纸中建筑相对应的产品树。
进一步的，根据产品数据的结构，顺序调取设计软构件库中的三维设计软构件，最终生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
产品树中包含任意相邻两个设计软构件之间的关系，具体关系包括位置、方向、距离以及角度关系。这样能够提高建筑模型的准确性。
本发明还提供了一种基于软构件的三维建筑模型构建系统。
本发明的一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，包括：
二维建筑设计部件轮廓生成模块，其用于从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；
二维建筑设计部件轮廓优化模块，其用于提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；
三维设计软构件生成模块，其用于拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；
三维设计软构件调取模块，其用于调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
进一步的，在所述二维建筑设计部件轮廓优化模块中，预设遗传算法执行的次数，执行遗传算法的交叉、变异及选择操作来优化二维建筑设计部件轮廓。
进一步的，该系统还包括：三维设计软构件组装模块，其用于将生成的三维设计软构件通过矩阵排列的方式进行组装形成组合建筑设计软构件，也存储至设计软构件库中。
进一步的，该系统还包括：还包括：
产品树生成模块，其用于根据优化的二维建筑设计部件轮廓，构建与建筑设计图纸中建筑相对应的产品树。
进一步的，在所述三维设计软构件调取模块中，根据产品数据的结构，顺序调取设计软构件库中的三维设计软构件，最终生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)利用现有设计图纸提取成熟的二维建筑设计部件轮廓和数学函数生成的轮廓作为种子，通过基于树结构的遗传算法派生，能产生一些新颖、独特的建筑设计外观造型，为产品创新设计提供辅助设计，提高了建筑产品设计的速度；
(2)遗传算法中包括交叉和变异操作，操作的丰富多样化可以提高产品的新颖性；
(3)本发明的设计软构件集成方法，可以适用于由设计轮廓线通过拉伸创建的部件组装形成的各类产品设计上。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的基于软构件的三维建筑模型构建系统的结构示意图；
图2是本发明的基于软构件的三维建筑模型构建方法的流程示意图；
图3是本发明中一棵设计产品树的分层结构示意图；
图4(a)是本发明中一棵数学表示二叉树及交叉操作示意图；
图4(b)是本发明中另一棵数学表示二叉树及交叉操作示意图；
图5(a)是交叉操作的父辈和后代对应的二维曲线实施例一示意图；
图5(b)是交叉操作的父辈和后代对应的二维曲线实施例二示意图；
图5(c)是交叉操作的父辈和后代对应的二维曲线实施例三示意图；
图5(d)是交叉操作的父辈和后代对应的二维曲线实施例四示意图；
图6是本发明中交叉操作的父辈和后代对应的三维图像示意图；
图6(a)是图5(a)对应的三维图像示意图；
图6(b)是图5(b)对应的三维图像示意图；
图6(c)是图5(c)对应的三维图像示意图；
图6(d)是图5(d)对应的三维图像示意图；
图7(a)是本发明中一棵父辈树进行变异操作的子树的示意图；
图7(b)是本发明中一棵树进行变异操作的子树的示意图；
图8(a)是本发明中图7(a)对应的算术运算后父辈对应的二维曲线示意图；
图8(b)是本发明中图7(b)对应后代对应的二维曲线示意图；
图9是本发明中组合设计软构件界面示意图；
图10是本发明的组合设计软构件分块设计的示意图；
图11是本发明的组装为建筑立面的实例示意图；
图12是本发明的选择不同的顶部和建筑立面组装会展中心的实例示意图；
图13是本发明的为选定的会展中心模型实例示意图；
图14是本发明的设计人员受选定的模型启发设计的会展中心图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，包括：
从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；
提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；
拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；
调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型，如图2所示。
具体地，本发明的基于软构件的三维建筑模型构建方法中：
(1)数学表示二叉树
一棵数学表示二叉树是一个数学操作数及二元数学操作符的组成的有限节点集，该集是空集或者是由根及两棵互不相交的称为左、右子树的二叉树组成。二叉树的中序遍历序列是一个合法的数学表达式。
树的节点可以是终端节点(操作数)或者是中间节点(操作符)。操作数可以是变量也可以是常量，操作符包括基本运算符+、-、*、/、^,基本数学函数sqrt()、exp()、log()，三角函数sin()、cos()、tan()、asin()、acos()、atan())，以及双曲函数sinh()、cosh()、tanh()、asinh()、acosh()、atanh()等。
这里我们采用了MATLAB中数学函数的表示方法(本环境采用MATLAB作为数学函数计算及图形、图像生成的支持软件)。
(2)交叉操作
分别在父辈树上随机选择一个交叉点，并交换以交叉点为根的两棵子树，产生两个后代。如果新产生的树不能映射为合法的数学表达式，或者无法用计算机展现生成的形状，则被淘汰。
(3)变异操作
在单父辈树上随机选择一个变异点，然后用一棵随机产生的子树替换以变异点为根的子树。如果产生的后代树不能映射为合法的数学表达式，或者无法用计算机展现生成的形状，则被淘汰。
(4)特征
特征Fi是一个三元组(FiID，ti，vi)，其中FiID是特征Fi的特征名,ti是特征类型，vi是特征值。特征值可以是数值，字符串，数组，函数，表达式以及文件等。
(5)特征向量
特征向量FV＝<F1,F2,…,Fn>，其中Fi是一个特征，i＝1,2,…,n。
(6)特征树
特征树FT＝(D,C),D＝{FVi}∪domain(FVi)∪(NIL),其中FVi是一个特征向量而且是特征树上的一个节点，C＝{ci(Fi),Fi∈FVi}是对于特征的限制集，限制包括形状限制，尺寸限制等。
(7)设计产品树
设计产品树PT＝(ProductID,PD,PR,PC),其中PD＝{FTi}∪domain(FTi)∪{NIL},FTi是一棵特征树，同时又是设计产品树上的一个节点；PR＝{pri＝<FTi1,FTi2>,FTi∈PD}是一个设计产品树上节点之间的关系组成的集合，PC＝{ci(pri),pri∈PR}是设计产品树上节点之间的关系之间的限制集合。关系pri表示两个设计软构件之间的关系，包括位置，方向，距离以及角度关系。位置关系＝{Left,Right,Front,Back,Top,Bottom,Middle,OnTop,OnBottom}.
方向关系是两个设计软构件的相对定向关系，由一个二元组(orientation,angle)表示,例如：(front-to-back,30。),(left-to-right,60。)等。
限制{c1(pri),c2(pri),…cn(pri)}表示限制位置变量之间的偏移。
一棵设计产品树的分层结构示意图如图3所示。
以会展中心的建筑造型设计为例：如图2所示，首先初始化种群，并设置默认操作次数，种群的产生方式有两种：
1、通过在操作数和操作符集中随机选择形成的数学表达式来生成，同时检查产生的数学表达式是否是一个有效的数学表达式及表达式中的括号是否平衡，
2、为了从外部抽取成功设计的特征，使用扫描仪和数码相机，取得一些流行产品的设计构件轮廓，并利用数学函数逼近的方式，获得轮廓中指定曲线的近似数学函数，产生一些个体，具体过称为：(1)使用扫描仪或数码相机获取设计草图文件；(2)利用图像转换软件，从图像中抽取曲线所对应的近似数学函数。
然后，把生成的表达式作为字符串，根据运算顺序，用解析算法构造数学表示二叉树。
接着对种群执行交叉、变异和选择的操作。
图4(a)和图4(b)分别对应一棵数学表示二叉树。它们对应的数学函数分别为(x*x*(0.8*x))和sin(x/2)*sin(x+0.5)*(x-1.5)*(1.9-x)，分别利用随机生成和数学函数逼近曲线的方法得到的。
交叉操作：
分别在父辈树上随机选择一个交叉点，并交换以交叉点为根的两棵子树，产生两个后代。如果新产生的树不能映射为合法的数学表达式，或者无法用计算机展现生成的形状，则被淘汰。
以图3中的两棵树作为父辈树，选择交叉点‘A’实施交叉操作，得到的父辈树(上部两个二维曲线)如图5(a)和图5(b)所示，及后代(下部两个二维曲线)如图5(c)和图5(d)所示。对产生的曲线执行拉伸操作后产生的三维图像如图6(a)-图6(d)所示。
变异操作：
在单父辈树上随机选择一个变异点，然后用一棵随机产生的子树替换以变异点为根的子树。如果产生的后代树不能映射为合法的数学表达式，或者无法用计算机展现生成的形状，则被淘汰。图7(a)和图7(b)分别为以图4(a)和图4(b)所示的右树作为父辈树和一棵子树进行变异操作示意图。图8(a)和图8(b)为图7(a)和图7(b)对应的曲线图。
若默认操作次数未达到，则对个体继续执行基于树结构的交叉、变异和选择操作；
选定的设计软构件被保存到设计软构件库中。
下面介绍设计软构件组装过程：
1.预组装
预组装就是把规则矩形、三角形、圆形等设计软构件通过排列形成组合设计软构件，以减少组装的时间。
对于直接通过排列形成的组合设计软构件，我们称为建筑立面，并提供了按整个行或列的操作，如：行(列)凸(凹)，即使一行(或一列)向外凸出(或向内凹进)一定的幅度；行(列)展(缩)，即使一行展宽(或变窄)，或使一列增高(或变低)；行(列)改变颜色；行(列)改变透明度等。为进一步提高操作效率，我们还提供了循环式的行(列)操作，即从第n行(列)开始，每隔m行(列)对k行(列)进行凸(凹)或展(缩)操作。
操作界面如图9所示。对于复杂的建筑立面，我们可以先分块或分侧面设计，然后再进行拼装，如图10所示。
2.根据建筑设计组装树中需要的构件，从设计软构件库选取设计软构件；
3.根据构件之间的关系和限制进行组装。
图11所示为组装为建筑立面的实例，图12为选择不同的顶部和建筑立面组装会展中心的实例，图13为选定的会展中心模型，图14为设计人员受选定的模型启发设计的会展中心。
如图1所示，本发明的一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，包括：
(1)二维建筑设计部件轮廓生成模块，其用于从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；
(2)二维建筑设计部件轮廓优化模块，其用于提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；
在所述二维建筑设计部件轮廓优化模块中，预设遗传算法执行的次数，执行遗传算法的交叉、变异及选择操作来优化二维建筑设计部件轮廓。
(3)三维设计软构件生成模块，其用于拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；
(4)三维设计软构件调取模块，其用于调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
在所述三维设计软构件调取模块中，根据产品数据的结构，顺序调取设计软构件库中的三维设计软构件，最终生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
该系统还包括：三维设计软构件组装模块，其用于将生成的三维设计软构件通过矩阵排列的方式进行组装形成组合建筑设计软构件，也存储至设计软构件库中。
该系统还包括：还包括：
产品树生成模块，其用于根据优化的二维建筑设计部件轮廓，构建与建筑设计图纸中建筑相对应的产品树。
本发明利用现有设计图纸提取成熟的二维建筑设计部件轮廓和数学函数生成的轮廓作为种子，通过基于树结构的遗传算法派生，能产生一些新颖、独特的建筑设计外观造型，为产品创新设计提供辅助设计，提高了建筑产品设计的速度；
遗传算法中包括交叉和变异操作，操作的丰富多样化可以提高产品的新颖性；
本发明的设计软构件集成方法，可以适用于由设计轮廓线通过拉伸创建的部件组装形成的各类产品设计上。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
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)

1.一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，其特征在于，包括：
从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；
提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；
拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；
调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
2.如权利要求1所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，其特征在于，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓的具体过程为：
预设遗传算法执行的次数，执行遗传算法的交叉、变异及选择操作来优化二维建筑设计部件轮廓。
3.如权利要求1所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，其特征在于，该方法还包括：将生成的三维设计软构件通过矩阵排列的方式进行组装形成组合建筑设计软构件，也存储至设计软构件库中。
4.如权利要求1所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，其特征在于，调取设计软构件库中的三维设计软构件之前，还包括：
根据优化的二维建筑设计部件轮廓，构建与建筑设计图纸中建筑相对应的产品树。
5.如权利要求4所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建方法，其特征在于，根据产品数据的结构，顺序调取设计软构件库中的三维设计软构件，最终生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
6.一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，其特征在于，包括：
二维建筑设计部件轮廓生成模块，其用于从建筑设计图纸中提取二维建筑设计部件，进而生成用数学函数表示的二维建筑设计部件轮廓；
二维建筑设计部件轮廓优化模块，其用于提取二维建筑设计部件轮廓中的特征点而构建出二叉树，利用遗传算法优化二维建筑设计部件轮廓；
三维设计软构件生成模块，其用于拉伸优化后的二维建筑设计部件轮廓的厚度，生成与其相对应的三维设计软构件，并保存到设计软构件库中；
三维设计软构件调取模块，其用于调取设计软构件库中的三维设计软构件，生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
7.如权利要求6所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，其特征在于，在所述二维建筑设计部件轮廓优化模块中，预设遗传算法执行的次数，执行遗传算法的交叉、变异及选择操作来优化二维建筑设计部件轮廓。
8.如权利要求6所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，其特征在于，该系统还包括：三维设计软构件组装模块，其用于将生成的三维设计软构件通过矩阵排列的方式进行组装形成组合建筑设计软构件，也存储至设计软构件库中。
9.如权利要求6所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，其特征在于，该系统还包括：还包括：
产品树生成模块，其用于根据优化的二维建筑设计部件轮廓，构建与建筑设计图纸中建筑相对应的产品树。
10.如权利要求9所述的一种基于软构件的三维建筑模型构建系统，其特征在于，在所述三维设计软构件调取模块中，根据产品数据的结构，顺序调取设计软构件库中的三维设计软构件，最终生成建筑设计图纸中相对应的三维建筑模型。
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