CN109558630B - 一种适用于地下空间的三维自动建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于地下空间的三维自动建模方法，包括如下步骤：(1)、首先使用横断面数据和路线数据生成一体化模型；(2)、然后将上述生成一体化模型根据配置拆解成多个分段完成拆解；(3)、最后根据配置将各个分段按分层逐级降低模型细节生成分层模型。本发明用于解决人工建模成本大、建模过程中容易出错、可控性模型拆分、分段LOD及网络传输优化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模技术领域，具体涉及一种适用于地下空间的三维自动建模方法。
背景技术
目前，大多数三维程序中使用的模型是采用建模软件整体建成三维模型后导入程序使用。由于管廊、隧道这一类地下空间工程具有不同于普通建筑物的特殊性——是一个长度通常在几十公里以上的建筑物体，如果采用传统方式建模存在如下不足：
1、人工三维建模成本太大，通常需要耗费建模团队数周的时间才能完成。
2、由于工程量大，建模过程中容易出错，最终完成的模型往往与实际情况存在较大的偏差。
3、如果是一体化建模，由于连续几十公里的距离都是一个模型整体，最终模型导入三维程序后难以根据到当前视点的距离进行LOD优化，在最终程序运行时对客户端机器的性能要求很高，增加了客户端成本。
4、如果是一体化建模，一个模型文件少则几百MB多则数GB，最终程序中难以针对网络传输进行优化，需要整体模型文件下载完成后才能显示，增加了用户在使用过程中的等待时间。
5、如果在后期对一体化模型进行分段拆分，或者在初始建模时采用分段建模的方式，则需要耗费更多的人力成本。
6、如果在初始建模时采用分段建模的方式，在接口处存在偏差，在进行模型拼接时有可能出现对接不上出现断层的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于地下空间的三维自动建模方法，用于解决人工建模成本大、建模过程中容易出错、可控性模型拆分、分段LOD及网络传输优化的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种适用于地下空间的三维自动建模方法，包括如下步骤：
步骤(1)、首先使用横断面数据和路线数据生成一体化模型；
步骤(2)、然后将上述生成一体化模型根据配置拆解成多个分段完成拆解；
步骤(3)、最后根据配置将各个分段按分层逐级降低模型细节生成分层模型。
作为优选：本发明中步骤(1)的具体流程如下：
1.1、根据CAD图或现场测量结果构造横断面数据和路线数据；
其中，横断面数据包含：建筑本体内壁和外壁的位置、尺寸，建筑内部管线的类型、位置、尺寸，沿路线重复出现的内部物件类型、位置、参数(这里的位置是以横断面为平面轴线为原点的二维直角坐标系坐标；这里的参数包含了物件重复的方式、重复时各个物件沿路线出现的沿线距离；)；
路线数据使用三维空间直角坐标系，描绘了轴线在三维空间中的行经路线，在路线数据中还描绘了特殊物件出现的位置及参数(这里的位置是以路线为轴线的一维坐标——离起点的沿线距离；这里的参数包含了特殊物件的标识、在横断面上的二维坐标；)；
1.2、生成舱壁、管线：
1.21、预处理，将横断面中表示舱壁、管线的的图形转换为平面多边形并得到多个顶点，将路线中的曲线部分转换为折线得到多个路线节点；
1.22、以路线起点为节点A；
1.23、以节点A原点，以路线的垂直面为平面对平面多边形进行坐标变换得到空间多边形[1]；
1.24、沿路线到下一个节点B对空间多边形进行坐标平移得到空间多边形[2]；
1.25、提取空间多边形[1]与空间多边形[2]的相邻顶点组成三角面，多个相连三角面共同组成了舱壁、管壁；
1.26、计算各顶点的法向量和UV纹理坐标；
1.27、然后以节点B为节点A，以空间多边形[2]为空间多边形[1]；
1.28、沿路线对各节点依次重复上述步骤(1.24)、(1.25)、(1.26)、(1.27)直到终点，生成全路线的舱壁、管线的模型；
1.29、封闭端面，生成两端需封闭的横断面多边形的面，并分别与舱壁、管壁的起点、终点的边进行顶点焊接，形成封闭面；
1.3、生成重复物件：
1.31、对各种类型的单个物件进行人工建模；
1.32、根据数据以沿路线相对起点行经指定距离位于轴线上的点为点A；
1.33、以点A为原点确定一个与路线垂直的平面[1]；
1.34、根据数据在与路线垂直的平面[1]上确定物件在该平面上的平面直角坐标偏移点 [2]；
1.35、将物件的平面直角坐标偏移点[2]变换得到空间直角坐标偏移点[3]；
1.36、根据数据将单个物件模型的复制体放置于空间直角坐标偏移点[3]处；
1.37、根据数据依次重复上述步骤(1.32)、(1.33)、(1.34)、(1.35)、 (1.36)，直到将所有重复物件放置完成；
1.4、生成特殊物件：
1.41、对各个特殊物件进行单独人工建模；
1.42、根据数据以沿路线相对起点行经指定距离位于轴线上的点为点A；
1.43、以点A为原点确定一个与路线垂直的平面[1]；
1.44、根据数据在与路线垂直的平面[1]上确定物件在该平面上的平面直角坐标偏移点 [2]；
1.45、将物件的平面直角坐标偏移点[2]变换得到空间直角坐标偏移点[3]；
1.46、根据数据将单个物件模型放置于空间直角坐标偏移点[3]；
1.47、根据数据依次重复上述步骤(1.42)、(1.43)、(1.44)、(1.45)、 (1.46)，直到将所有特殊物件放置完成。
作为优选：本发明中步骤(2)的具体流程如下：
2.1、配置拆解参数，参数包含：每个分段的距离阈值[1]；
2.2、进行模型拆解；
2.21、以路线起点为节点A；
2.22、从节点A开始沿路线向后查找超过分段距离阈值[1]的下一个节点为节点B；
2.23、若节点B离上一节点C的距离不超过两倍分段距离阈值[1]，则在节点B处对舱壁、管道进行面拆分；若距离超过两倍分段距离阈值[1]，则在离上一节点C的分段距离阈值处进行截断面拆分，并在截断处形成新的节点D，并以该节点D为节点B；
2.24、将该分段范围内的重复物件、特殊物件归入拆分后的分段模型内；
2.25、然后以节点B为节点A；
2.26、沿路线对各个节点依次重复上述步骤(2.22)、(2.23)、(2.24)、(2.25) 直到终点，将整个模型拆分成各个分段模型。
作为优选：本发明中步骤(3)的具体流程如下：
3.1、配置多层细节生成参数，参数包含：多个层级、每个层级进行降细节处理的方式 (减少三角面、减少内部细节)；
3.2、逐分段进行降低细节处理：
3.21、从起始段开始逐分段进行；
3.22、在该分段从高精细度的层级向低精细度的层级逐层级进行；
3.23、若该层需要减少三角面，则对舱壁、管壁的横断面多边形相对上一层级删减顶点处理，然后再重新构造三角面；
3.24、若该层需减少内部细节，根据参数减少内部物件，或完全消除内部物件；
3.25、重复上述步骤(3.22)、(3.23)、(3.24)直到在该分段处理完所有层级；
3.26、进入下一分段；
3.27、重复上述步骤(3.22)、(3.23)、(3.24)、(3.25)、(3.26)直到处理完所有分段。
其中，对本发明中涉及的一些专业概念进行如下解释说明：
模型：这里特指三维模型，是计算机中用于表示物体空间特征及外观特征的数据，最终能够被三维软件输出为三维图像。
一体化模型：建筑物(物体)本身以及其内部物体的所有细节部分作为一个独立完整的模型。
视点：三维程序中用于展现三维场景中图像所用的观察点，可以理解为拍摄电影时摄像机所在的位置，或者FPS游戏中角色所在的位置。
LOD：细节分层(Levels of Detail)，是一种常用的三维程序优化方法，根据视点与物体的距离对物体进行不同层次的细节渲染——距离较近时渲染丰富的细节，距离较远时仅渲染大致的轮廓。
模型生成模块：负责生成模型的模块。
模型拆解模块：负责将生成的模型分段拆分的模块。
多层细节生成模块：负责将各分段模型生成多个层级的低细节模型，以用于LOD优化。
轴线：这里指建筑轴线，是一条虚构的参照线，一般是对称建筑截面的中心线。
横断面：垂直于轴线(路线)方向的剖面图，用于表示建筑内部的结构及各物体的位置关系。
路线：这里等同于轴线。
路线节点：位于路线上的点，多个路线节点相连以折线方式近似表示路线，起点和终点是特殊的路线节点。
管线：管道和线缆。
舱壁：管廊、隧道的建筑主体部分，包括内壁和外壁。
内部物件：建筑内部的物体，如：支架、设备、管线等。
重复物件：沿路线规律性分布重复出现的内部物件，如：管线支架、灯、传感器、无线AP等。
特殊物件：沿线重复程度不高，或构造特殊的物件，如：建筑物中构造特殊的部分，通风井，投料口，分叉点，过街通道等。
面：指三维模型中物体的表面，由多个三角面相连组成。
三角面：三维物体中组成面的基本单元，由三个相连顶点组成。
顶点焊接：将两个相邻的三角面相连的顶点合并为同一份数据，两个三角形共用一个边，相连形成为一个面的整体。
面拆分：将面上相邻的三角面相连的顶点拆分为两份数据，两个三角形共用的一个边形成为两个边，将原本相连的一个面拆分为两个面。
截断面拆分：也叫插值面拆分，在需要拆分的位置如果不存在顶点数据，则需要先在该位置插值生成新的顶点并与周边的顶点形成新三角面并移除该位置原三角面，然后再进行面拆分。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明的技术方案，在建模阶段和后期场景优化阶段减少了人力成本的投入，并避免了建模人员因粗心导致的错误。
2、本发明的技术方案，对模型进行了分段拆分和分层优化，在程序中进行对应的处理后，可以在运行期有效的降低对系统性能的要求。
附图说明
图1为本发明一种适用于地下空间的三维自动建模方法的功能流程示意图。
图2为本发明中使用横断面数据和路线数据生成一体化模型的功能流程示意图。
图3为本发明中将上述生成一体化模型根据配置拆解成多个分段的功能流程示意图。
图4为本发明中根据配置将各个分段按分层逐级降低模型细节生成分层模型的功能流程示意图。
图5为本发明中顶点焊接方法的原理示意图。
图6为本发明中面拆分方法的原理示意图。
图7为本发明中截断面拆分方法的原理示意图。
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。
本发明提供一种适用于地下空间的三维自动建模方法的具体实施例，包括如下步骤：
步骤(1)、首先使用横断面数据和路线数据生成一体化模型；
步骤(2)、然后将上述生成一体化模型根据配置拆解成多个分段完成拆解；
步骤(3)、最后根据配置将各个分段按分层逐级降低模型细节生成分层模型。
在本发明中步骤(1)的具体流程如下：
1.1、根据CAD图或现场测量结果构造横断面数据和路线数据；
其中，横断面数据包含：建筑本体内壁和外壁的位置、尺寸，建筑内部管线的类型、位置、尺寸，沿路线重复出现的内部物件类型、位置、参数(这里的位置是以横断面为平面轴线为原点的二维直角坐标系坐标；这里的参数包含了物件重复的方式、重复时各个物件沿路线出现的沿线距离；)；
路线数据使用三维空间直角坐标系，描绘了轴线在三维空间中的行经路线，在路线数据中还描绘了特殊物件出现的位置及参数(这里的位置是以路线为轴线的一维坐标——离起点的沿线距离；这里的参数包含了特殊物件的标识、在横断面上的二维坐标；)；
1.2、生成舱壁、管线：
1.21、预处理，将横断面中表示舱壁、管线的的图形转换为平面多边形并得到多个顶点，将路线中的曲线部分转换为折线得到多个路线节点；
1.22、以路线起点为节点A；
1.23、以节点A原点，以路线的垂直面为平面对平面多边形进行坐标变换得到空间多边形[1]；
1.24、沿路线到下一个节点B对空间多边形进行坐标平移得到空间多边形[2]；
1.25、提取空间多边形[1]与空间多边形[2]的相邻顶点组成三角面，多个相连三角面共同组成了舱壁、管壁；
1.26、计算各顶点的法向量和UV纹理坐标；
1.27、然后以节点B为节点A，以空间多边形[2]为空间多边形[1]；
1.28、沿路线对各节点依次重复上述步骤1.24、步骤1.25、步骤1.26、步骤1.27直到终点，生成全路线的舱壁、管线的模型；
1.29、封闭端面，生成两端需封闭的横断面多边形的面，并分别与舱壁、管壁的起点、终点的边进行顶点焊接，形成封闭面；
1.3、生成重复物件：
1.31、对各种类型的单个物件进行人工建模；
1.32、根据数据以沿路线相对起点行经指定距离位于轴线上的点为点A；
1.33、以点A为原点确定一个与路线垂直的平面[1]；
1.34、根据数据在与路线垂直的平面[1]上确定物件在该平面上的平面直角坐标偏移点 [2]；
1.35、将物件的平面直角坐标偏移点[2]变换得到空间直角坐标偏移点[3]；
1.36、根据数据将单个物件模型的复制体放置于空间直角坐标偏移点[3]处；
1.37、根据数据依次重复上述步骤1.32、步骤1.33、步骤1.34、步骤1.35、步骤1.36，直到将所有重复物件放置完成；
1.4、生成特殊物件：
1.41、对各个特殊物件进行单独人工建模；
1.42、根据数据以沿路线相对起点行经指定距离位于轴线上的点为点A；
1.43、以点A为原点确定一个与路线垂直的平面[1]；
1.44、根据数据在与路线垂直的平面[1]上确定物件在该平面上的平面直角坐标偏移点 [2]；
1.45、将物件的平面直角坐标偏移点[2]变换得到空间直角坐标偏移点[3]；
1.46、根据数据将单个物件模型放置于空间直角坐标偏移点[3]；
1.47、根据数据依次重复上述步骤1.42、步骤1.43、步骤1.44、步骤1.45、步骤1.46，直到将所有特殊物件放置完成。
在本发明中步骤(2)的具体流程如下：
2.1、配置拆解参数，参数包含：每个分段的距离阈值[1]；
2.2、进行模型拆解；
2.21、以路线起点为节点A；
2.22、从节点A开始沿路线向后查找超过分段距离阈值[1]的下一个节点为节点B；
2.23、若节点B离上一节点C的距离不超过两倍分段距离阈值[1]，则在节点B处对舱壁、管道进行面拆分；若距离超过两倍分段距离阈值[1]，则在离上一节点C的分段距离阈值处进行截断面拆分，并在截断处形成新的节点D，并以该节点D为节点B；
2.24、将该分段范围内的重复物件、特殊物件归入拆分后的分段模型内；
2.25、然后以节点B为节点A；
2.26、沿路线对各个节点依次重复上述步骤2.22、步骤2.23、步骤2.24、步骤2.25直到终点，将整个模型拆分成各个分段模型。
在本发明中步骤(3)的具体流程如下：
3.1、配置多层细节生成参数，参数包含：多个层级、每个层级进行降细节处理的方式 (减少三角面、减少内部细节)；
3.2、逐分段进行降低细节处理：
3.21、从起始段开始逐分段进行；
3.22、在该分段从高精细度的层级向低精细度的层级逐层级进行；
3.23、若该层需要减少三角面，则对舱壁、管壁的横断面多边形相对上一层级删减顶点处理，然后再重新构造三角面；
3.24、若该层需减少内部细节，根据参数减少内部物件，或完全消除内部物件；
3.25、重复上述步骤3.22、步骤3.23、步骤3.24直到在该分段处理完所有层级；
3.26、进入下一分段；
3.27、重复上述步骤3.22、步骤3.23、步骤3.24、步骤3.25、步骤3.26直到处理完所有分段。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (1)
1.一种适用于地下空间的三维自动建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)、首先使用横断面数据和路线数据生成一体化模型；
步骤(2)、然后将上述生成一体化模型根据配置拆解成多个分段完成拆解；
步骤(3)、最后根据配置将各个分段按分层逐级降低模型细节生成分层模型；
步骤(1)的具体流程如下：
1.1、根据CAD图或现场测量结果构造横断面数据和路线数据；
1.2、生成舱壁、管线：
1.21、预处理，将横断面中表示舱壁、管线的的图形转换为平面多边形并得到多个顶点，将路线中的曲线部分转换为折线得到多个路线节点；
1.22、以路线起点为节点A；
1.23、以节点A原点，以路线的垂直面为平面对平面多边形进行坐标变换得到空间多边形[1]；
1.24、沿路线到下一个节点B对空间多边形进行坐标平移得到空间多边形[2]；
1.25、提取空间多边形[1]与空间多边形[2]的相邻顶点组成三角面，多个相连三角面共同组成了舱壁、管壁；
1.26、计算各顶点的法向量和UV纹理坐标；
1.27、然后以节点B为节点A，以空间多边形[2]为空间多边形[1]；
1.28、沿路线对各节点依次重复上述步骤1.24、1.25、1.26、1.27直到终点，生成全路线的舱壁、管线的模型；
1.29、封闭端面，生成两端需封闭的横断面多边形的面，并分别与舱壁、管壁的起点、终点的边进行顶点焊接，形成封闭面；
1.3、生成重复物件：
1.31、对各种类型的单个物件进行人工建模；
1.32、根据数据以沿路线相对起点行经指定距离位于轴线上的点为点A；
1.33、以点A为原点确定一个与路线垂直的平面[1]；
1.34、根据数据在与路线垂直的平面[1]上确定物件在该平面上的平面直角坐标偏移点[2]；
1.35、将物件的平面直角坐标偏移点[2]变换得到空间直角坐标偏移点[3]；
1.36、根据数据将单个物件模型的复制体放置于空间直角坐标偏移点[3]处；
1.37、根据数据依次重复上述步骤1.32、1.33、1.34、1.35、1.36，直到将所有重复物件放置完成；
1.4、生成特殊物件：
1.41、对各个特殊物件进行单独人工建模；
1.42、根据数据以沿路线相对起点行经指定距离位于轴线上的点为点A；
1.43、以点A为原点确定一个与路线垂直的平面[1]；
1.44、根据数据在与路线垂直的平面[1]上确定物件在该平面上的平面直角坐标偏移点[2]；
1.45、将物件的平面直角坐标偏移点[2]变换得到空间直角坐标偏移点[3]；
1.46、根据数据将单个物件模型放置于空间直角坐标偏移点[3]；
1.47、根据数据依次重复上述步骤1.42、1.43、1.44、1.45、1.46，直到将所有特殊物件放置完成；
步骤(2)的具体流程如下：
2.1、配置拆解参数，参数包含：每个分段的距离阈值[1]；
2.2、进行模型拆解；
2.21、以路线起点为节点A；
2.22、从节点A开始沿路线向后查找超过分段距离阈值[1]的下一个节点为节点B；
2.23、若节点B离上一节点C的距离不超过两倍分段距离阈值[1]，则在节点B处对舱壁、管道进行面拆分；若距离超过两倍分段距离阈值[1]，则在离上一节点C的分段距离阈值处进行截断面拆分，并在截断处形成新的节点D，并以该节点D为节点B；
2.24、将该分段范围内的重复物件、特殊物件归入拆分后的分段模型内；
2.25、然后以节点B为节点A；
2.26、沿路线对各个节点依次重复上述步骤2.22、2.23、2.24、2.25直到终点，将整个模型拆分成各个分段模型；
步骤(3)的具体流程如下：
3.1、配置多层细节生成参数，参数包含：多个层级、每个层级进行降细节处理的方式(减少三角面、减少内部细节)；
3.2、逐分段进行降低细节处理：
3.21、从起始段开始逐分段进行；
3.22、在该分段从高精细度的层级向低精细度的层级逐层级进行；
3.23、若该层需要减少三角面，则对舱壁、管壁的横断面多边形相对上一层级删减顶点处理，然后再重新构造三角面；
3.24、若该层需减少内部细节，根据参数减少内部物件，或完全消除内部物件；
3.25、重复上述步骤3.22、3.23、3.24直到在该分段处理完所有层级；
3.26、进入下一分段；
3.27、重复上述步骤3.22、3.23、3.24、3.25、3.26直到处理完所有分段。
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