CN112258636B - 一种应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像处理技术领域，具体公开了一种建筑用利用二维建立三维模型的方法，包括如下步骤：修复二维图形：识别二维图形中每一点的连接点数量，将连接点数量小于2的点存储到检查数组中；当检查数组中不存在接点数量小于2的点时，标记为完整图形，否则标记为不完整图形；将不完整图形修补为完整图形；确定拉伸方向以及拉伸高度：输入修复后包括三视图的二维图形，选取三视图中的一个视图作为主拉伸视图；基于三视图中剩余两个视图确定拉伸高度和拉伸方向，并对主拉伸视图进行拉伸形成三维模型。采用本发明的技术方案能够在转换前对二维平面图进行修复。

Description

一种应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法。

背景技术

目前，将CAD建筑用二维平面图转换为三维模型，一般需要在3ds Max等三维制作软件中进行。这必须在安装了相应软件的计算机上才能进行，而且对操作人员的专业水平有较高要求，同时需要花费大量时间。

为了解决上述问题，公开号为CN104318607A的中国专利公开文件中，公开了一种将建筑物二维图形转换为三维结构的方法，其包括以下步骤：1)人工设定DXF文件中不同的建筑构件所对应的图层信息，以设定的名称进行标识；2)根据设定的名称从每个图层中识别出建筑构件的信息，对DXF文件中的图层依次进行导入；3)逐行读取DXF文件的数据，取出建筑构件的几何信息并分别保存；4)根据图纸几何相关性，将表达出墙、窗的厚度的多层结构转化为单层结构；5)显示和人工编辑处理；6)对导入的各种建筑构件的二维平面数据进行拉伸操作，生成建筑构件对应的三维数据。

上述方案可以自动将二维文件转换为三维文件，操作简单、转换效率高。但是二维平面图在绘制过程中，可能会存在一些错误，如果直接利用存在错误的二维平面图转换为三维模型，可能会出现三维模型出错的问题。

为此，需要一种能够在转换前对二维平面图进行修复的建筑用利用二维建立三维模型的方法。

发明内容

本发明提供了一种建筑用利用二维建立三维模型的方法，能够在转换前对二维平面图进行修复。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种建筑用利用二维建立三维模型的方法，包括如下步骤：

修复二维图形：识别二维图形中每一点的连接点数量，将连接点数量小于2的点存储到检查数组中；当检查数组中不存在接点数量小于2的点时，标记为完整图形，否则标记为不完整图形；将不完整图形修补为完整图形；

确定拉伸方向以及拉伸高度：输入修复后包括三视图的二维图形，选取三视图中的一个视图作为主拉伸视图；基于三视图中剩余两个视图确定拉伸高度和拉伸方向，并对主拉伸视图进行拉伸形成三维模型。

基础方案原理及有益效果如下：

由于二维图形本质上是点线图，也就是图形中的点通过线段与其他点相连，因为要形成图形必须首尾相连，即一个点的连接点数量需等于2。本方案中，通过识别二维图形中任一点的连接点数量，可以有效判断整个图形是否完整，并对不完整图形进行修改，能够降低二维图形转换为三维模型时，出错的概率。

进一步，所述将不完整图像修补为完整图形时，从检查数组中找出任意两个点标记为修补点，计算两个修补点的法向量记为

然后计算两个修补点与相邻连接点的法向量分别记为

和

判断

是否和

或者

其中一个相等，如果和其中一个相等，标记为满足第一条件；还判断

之间夹角是否相等，如果相等，标记为满足第二条件；将满足第一条件或满足第二条件的法向量对应的两个修补点相连。

通过对不完整图形进行自动修补，可以提高二维图形转换为三维模型的成功率，同时减少人为干预，提升效率。

进一步，所述将不完整图像修补为完整图形后，还重新遍历一次图形中的点，找到初始法向量指向同一个点的方向点，从方向点中标记可删除点，并将可删除点删除。

进一步，所述从方向点中标记可删除点时，计算任意两个方向点的判断法向量，将判断法向量与初始法向量进行对比，如果判断法向量与初始法向量相反，则将该判断法向量对应的方向点标记为可删除点。

通过识别多余的点也就是可删除点，并删除，可以提高二维图形转换为三维模型的成功率。

进一步，所述确定拉伸高度和拉伸方向时，建立坐标系，确定主拉伸视图在坐标系X轴的最大值max_x_1，在X轴的最小值min_x_1，在Z轴的最大值max_z_1，在Z轴的最小值min_z_1，和剩余两个视图进对比；如果坐标系中max_x_1，min_x_1分别与剩余两个视图中一个视图在X轴的最大值max_x_2，在X轴的最小值min_x_2，以及剩余两个视图中另一个视图在X轴的最大值max_x_3，在X轴的最小值min_x_3的大小一致，则拉伸方向确定为Y 轴，拉伸高度为剩余两个视图中一个视图在Z轴的最大值max_z_2减去剩余两个视图中另一个视图在Z轴的最小值min_z_3；或者剩余两个视图中另一个视图在Z轴的最大值max_z_3 减去剩余两个视图中另一个视图在Z轴的最小值min_z_3；

如果大小不一致，拉伸方向为X轴，拉伸高度为剩余两个视图中一个视图在X轴的最大值max_x_2减去剩余两个视图中另一个视图在X轴的最小值min_x_3或者剩余两个视图中另一个视图在X轴的最大值max_x_3减去剩余两个视图中另一个视图在X轴的最小值min_x_3。

可以准确确定拉伸的方向以及拉伸的高度。

进一步，还包括构建方程：确定拉伸方向后还遍历剩余两个视图上点的法向量，根据法向量判断是否为曲线段，如果为曲线段，将曲线段上的点进行拟合，构建曲线方程；如果为直线段，则构建线性方程；

匹配原线条：如果构建了曲线方程，将曲线段中的点代入曲线方程中，以匹配原曲线；如果构建了线性方程，将点代入线性方程中，以匹配原直线。

通过构建曲线方程，将曲线段中的点代入曲线方程中，以匹配原曲线，可以让形成的三维模型边缘过度更平滑。

进一步，所述根据法向量判断是否为曲线段时，如果法向量连续变化，且点与点距离相等，则这些点构成的线段判断为曲线段。

进一步，所述将曲线段上的点进行拟合时，采用机器学习中的多项式回归算法。

进一步，所述将曲线段上的点进行拟合前，还利用插值法将新的点插入曲线段中。

通过增加点的数量，可以提高拟合的效果。

进一步，所述拉伸后，还将形成的三维模型分段，分段数量为决定高度方向上的点的数量减去2。

将三维模型分段，能使三维模型能有更多的细节，有利于后续处理。

附图说明

图1为实施例一一种建筑用利用二维建立三维模型的方法的流程图；

图2为实施例一一种建筑用利用二维建立三维模型的方法中方向点的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

如图1所示，本实施例的一种建筑用利用二维建立三维模型的方法，包括如下步骤：

修复二维图形：识别二维图形中每一点的连接点数量，将连接点数量小于2的点存储到检查数组中。读取检查数组，当检查数组中不存在接点数量小于2的点时，则标记为完整图形，否则标记为不完整图形。

本实施例中，二维图形采用CAD图，由于CAD图本质上就是点线图，也就是图形中的点通过线段与其他点相连。本实施例中，将一个点通过线段连接的其他点称为连接点；换句话说，连接点是一个相对概念，因为要形成图形必须首尾相连，即一个点的连接点数量需等于2。

本实施例中，将CAD图导入HOUDINI软件中进行识别，并针对CAD图中可能出现的线段不连续，同一线段出现多个点的情况进行处理。具体利用VEX编程语言可以将CAD图中点线关系转换为数字关系，利用neighbourcount函数，可以返回每一个点的连接点数量。

将不完整图形修补为完整图形，修补方法为：读取检查数组，从检查数组中找出任意两个点标记为修补点，计算两个修补点的法向量记为

然后计算这两个修补点与相邻连接点的法向量分别记为

和

判断

是否和

或者

其中一个相等，如果和其中一个相等，标记为满足第一条件，还判断

之间夹角是否相等，如果相等，标记为满足第二条件，将满足第一条件或满足第二条件的法向量对应的两个修补点相连。具体来说，本实施例通过修补算法可以对直线段和圆曲线进行修补。

将不完整图形修补为完整图形后，还重新遍历一次图形中的点，找到初始法向量指向同一个点的方向点，从方向点中标记可删除点，将可删除点进行删除。

本实施例中，标记方法为计算任意两个方向点的判断法向量，将判断法向量与初始法向量进行对比，如果判断法向量与初始法向量相反，则将该判断法向量对应的方向点标记为可删除点。如图2所示，例如存在方向点E和F，E和F的初始法向量

和

均指向同一点 G：方向点E和F的判断法向量分别为

和

由于

与

相反，则方向点F标记为可删除点。

确定拉伸方向以及拉伸高度：输入修复后包括三视图的二维图形，选取三视图中的一个视图作为主拉伸视图；基于三视图中剩余两个视图确定拉伸高度和拉伸方向，并对主拉伸视图进行拉伸形成三维模型。

具体的，建立坐标系，计算机通常使用的是左手坐标(即X轴向右，Y轴向上，Z轴向前)，确定主拉伸视图在坐标系中的max_x_1，min_x_1，max_z_1，min_z_1(本实施例中，将主拉伸视图在X轴最大值定义为max_x_1，X轴最小值定义为min_x_1，Z轴最大值定义为 max_z_1，Z轴最小值定义为min_z_1，剩余两个视图同理，通过末尾的编号进行不同视图的区别)，和剩余两个视图进对比，如果坐标系中max_x_1，min_x_1分别与max_x_2，min_x_2，以及max_x_3，min_x_3大小一致，则拉伸方向为Y轴，拉伸高度为max_z_2-min_z_3或者 max_z_3-min_z_3(本实施例中，选取max_z_2和max_z_3中值大的数作为被减数)反之则拉伸方向为X轴，拉伸高度为max_x_2-min_x_3或者max_x_3-min_x_3(本实施例中，选取 max_x_2和max_x_3中值大的数作为被减数)。

将拉伸后得到的三维模型分段，分段数量为决定高度方向上的点的数量减去2。本实施例中，Y轴决定高度。将三维模型分段，使三维模型能有更多的细节，有利于后续处理中找出边函数将模型匹配。

构建方程：确定拉伸方向后还遍历剩余两个视图上点的法向量，根据法向量判断是否为曲线段，如果为曲线段，利用机器学习中多项式回归算法，将曲线段上的点进行拟合，构建曲线方程。如果为直线段，则构建线性方程。

本实施例中，由于点的样本有限，还需要对点的样本进行扩大，扩大方法为：利用插值法将新的点插入曲线段中。在其他实施例中，如果曲线拟合不理想，还可以进行第2次插值，以获取更多的样本点。

本实施例中，判断是否为曲线的方法时：由计算机性质可得，图形曲线均为以直代曲，即曲线均匀被分割成若干段直线。如果法向量连续变化，且点与点距离相等，则这些点构成的线段为曲线段；反之为直线段。本实施例中，还将直线段和曲线段的起点和终点保存在新的数组中，以便后续调用。

匹配原线条：如果构建了曲线方程，将曲线段中的点代入曲线方程中，以匹配原曲线；如果构建了线性方程，将点代入线性方程中，以匹配原直线。

经过上述步骤即可将二维图形转换为三维模型。

本实施例中，对不完整图形进行修补，还对二维图形中多余的点进行删除，以及对曲线进行拟合，达到了修复的目的，有效保证了建立的三维模型的准确性。

实施例二

本实施例和实施例一的区别在于，本实施例中还包括计算体积：基于曲线方程和线性方程，利用定积分性质计算三维模型体积并输出。

实施例三

本实施例和实施例一的区别在于，确定满足第一条件或满足第二条件的法向量对应的两个修补点后，还从检查数组中找出连接点数量等于0的点，标记为参考点。

判断参考点与两个修补点的距离是否相等，如果相等，标记为满足第三条件；

判断参考点和两个修补点是否在同一个圆上，如果在，标记为满足第四条件；

如果满足第三条件，在参考点作为圆心，参考点与修补点的距离作为直径确定的圆中，连接两个修补点之间的圆弧；

如果满足第四条件，在参考点和两个修补点确定的圆中，连接两个修补点之间的圆弧；

确定圆弧的顶点，并计算圆弧顶点到两个修补点连线的距离，标记为验证距离；

确定两个修补点及圆弧顶点的坐标，基于三视图中剩余两个视图确定两个修补点所在平面的拉伸高度；判断拉伸高度与验证距离是否一致，如果一致，保留圆弧，如果不一致，删除圆弧，将两个修补点用直线段相连。

如果同时满足第三条件和第四条件，分别判断拉伸高度与两个验证距离是否一致，如果其中一个验证距离与拉伸高度一致，保留该验证距离对应的圆弧，如果没有验证距离与拉伸高度一致，删除圆弧，将两个修补点用直线段相连。

本实施例中，如果检查数组中有多个连接点数量等于0的点，按上述方式依次对其中的每一个点进行验证。

在不完整图形中，两个修补点之间缺失的线条可能是直线段，也可能是曲线段，如果是曲线段，在没有引入其他的点时，无法得知曲线段的弧度，也就无法进行准确的修补。

而不完整图形中，没有与其他点相连的点，可能是作图时使用的参考点，但是在绘制时，又忘记了基于该参考点绘制曲线段。

本实施例中，通过先从检查数组中找出连接点数量等于0的点，可以确定疑似的参考点，通过第三条件或第四条件，能够得到一条连接两个修补点的圆弧(也就是曲线段)，实现对曲线段的修补。但是在不完整图形中，没有与其他点相连的点也可能是没有意义的点(可以直接删除)，在这种情况下，即使满足第三条件或第四条件，得到的圆弧也是错误的。故，本申请中，通过判断拉伸高度与验证距离是否一致，能有效识别出这样情况(即基于没有意义的点作出的圆弧，与三视图中其他两个视图体现出来的图形的长宽关系是存在矛盾的)。综上，本实施例可以进行曲线段的修复，修复的准确率更高。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

修复CAD点线图：识别CAD点线图中每一点的连接点数量，将连接点数量小于2的点存储到检查数组中；当检查数组中不存在接点数量小于2的点时，标记为完整图形，否则标记为不完整图形；将不完整图形修补为完整图形；

确定拉伸方向以及拉伸高度：输入修复后包括三视图的CAD点线图，选取三视图中的一个视图作为主拉伸视图；基于三视图中剩余两个视图确定拉伸高度和拉伸方向，并对主拉伸视图进行拉伸形成三维模型；

所述将不完整图形修补为完整图形时，从检查数组中找出任意两个点标记为修补点，计算两个修补点的法向量记为

，然后计算两个修补点与相邻连接点的法向量分别记为

和

，判断

是否和

或者

其中一个相等，如果和其中一个相等，标记为满足第一条件；还判断

、

、

之间夹角是否相等，如果相等，标记为满足第二条件；将满足第一条件或满足第二条件的法向量对应的两个修补点相连。

2.根据权利要求1所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述将不完整图形修补为完整图形后，还重新遍历一次图形中的点，找到初始法向量指向同一个点的方向点，从方向点中标记可删除点，并将可删除点删除。

3.根据权利要求2所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述从方向点中标记可删除点时，计算任意两个方向点的判断法向量，将判断法向量与初始法向量进行对比，如果判断法向量与初始法向量相反，则将该判断法向量对应的方向点标记为可删除点。

4.根据权利要求3所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述确定拉伸高度和拉伸方向时，建立坐标系，确定主拉伸视图在坐标系X轴的最大值max_x_1，在X轴的最小值min_x_1，在Z轴的最大值max_z_1，在Z轴的最小值min_z_1，和剩余两个视图进对比；如果坐标系中max_x_1，min_x_1分别与剩余两个视图中一个视图在X轴的最大值max_x_2，在X轴的最小值min_x_2，以及剩余两个视图中另一个视图在X轴的最大值max_x_3，在X轴的最小值min_x_3的大小一致，则拉伸方向确定为Y轴，拉伸高度为剩余两个视图中一个视图在Z轴的最大值max_z_2减去剩余两个视图中另一个视图在Z轴的最小值min_z_3；或者剩余两个视图中另一个视图在Z轴的最大值max_z_3减去剩余两个视图中另一个视图在Z轴的最小值min_z_3；

如果大小不一致，拉伸方向为X轴，拉伸高度为剩余两个视图中一个视图在X轴的最大值max_x_2减去剩余两个视图中另一个视图在X轴的最小值min_x_3或者剩余两个视图中另一个视图在X轴的最大值max_x_3减去剩余两个视图中另一个视图在X轴的最小值min_x_3。

5.根据权利要求1所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：还包括构建方程：确定拉伸方向后还遍历剩余两个视图上点的法向量，根据法向量判断是否为曲线段，如果为曲线段，将曲线段上的点进行拟合，构建曲线方程；如果为直线段，则构建线性方程；

匹配原线条：如果构建了曲线方程，将曲线段中的点代入曲线方程中，以匹配原曲线；如果构建了线性方程，将点代入线性方程中，以匹配原直线。

6.根据权利要求5所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述根据法向量判断是否为曲线段时，如果法向量连续变化，且点与点距离相等，则这些点构成的线段判断为曲线段。

7.根据权利要求6所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述将曲线段上的点进行拟合时，采用机器学习中的多项式回归算法。

8.根据权利要求7所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述将曲线段上的点进行拟合前，还利用插值法将新的点插入曲线段中。

9.根据权利要求4所述的应用于建筑领域的利用二维图形建立三维模型的方法，其特征在于：所述拉伸后，还将形成的三维模型分段，分段数量为决定高度方向上的点的数量减去2。

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