CN114529666B - 基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法。为了克服现有技术中倾斜摄影建模数据量大且局部细节不佳等缺点问题，本发明将三维模型自动简化形成底模，基于次世代建模的倾斜三维模型法线贴图方法建立场景建筑物模型，经过场景模型库自动匹配，最终形成区域完整的三维模型，实现三维模型的快速搭建，在避免过大数据量的同时兼顾建模的立体细节。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维模型自动构建方法领域，尤其涉及一种基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法。
背景技术
现有技术中，倾斜摄影建模利用飞机或者无人机进行场景拍摄，获取建筑物实景影像以及位置信息，飞机平台上搭载多个摄影传感器，实现多角度采集建筑影像数据，通过获取的数据构建三维纹理不规则三角网模型。这种方式建模速度快且轮廓精确，但在拍摄时由于可能存在遮挡现象，会导致树木、水系以及建筑无法辨认，以致使生成的模型出现变形扭曲或发生纹理错误等问题。并且，该方式通过纹理图像来表达三维建筑模型，纹理细节比较精细，但会导致数据面数较多，拖慢加载速度。
现有技术中，法线贴图技术作为次世代建模技术的核心，它在多边形数量相对低下的模型上能够表现出的细节，可与超高数量多边形模型相匹敌，在不给计算机硬件施加过多负荷的情况下，展现出及惊人的建模效果。
一种在中国专利文献上公开的“一种嵌入式城市设计场景仿真方法”，其公告号WO2020192354A1，包括以下步骤：根据采集的倾斜摄影数据建构现状城市三维模型场景；将城市设计三维模型加载到场景中，并提取生成建筑物的几何属性；统一模型与场景的空间坐标系，并以建筑物为基本单元自动判定空间匹配程度，将匹配的标记为Y，不匹配的标记为N以进行区分；对标记N的区域，在倾斜摄影三维模型场景中进行局部按压以平整立体数据；对标记Y的区域，在城市设计三维模型中进行即时空间编辑，并隐藏带标记的建筑物；打开处理后的两组空间数据实现嵌合显示。此方案使用倾斜摄影数据构件城市三维模型，未实现数据或模型的简化，虽然构建出的三维模型较为精细，但会导致模型面数过多，增加硬件负荷。
发明内容
本发明主要解决现有技术中倾斜摄影建模数据量大且局部细节不佳等缺点问题；提供一种基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，本方案能够将三维模型自动简化形成底模，同时基于次世代建模的倾斜三维模型法线贴图方法建立场景建筑物模型，通过场景模型库自动匹配，最终形成区域完整的三维模型。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明包括以下内容：获取建模所需数据，输入植被、树木、水系等地形图数据，反向裁剪三维数据，得到包含建筑物、道路等要素的场景倾斜三维模型；对三维模型的顶点均进行顶点观察重要度计算，对计算后满足相应条件的顶点相关边进行边预折叠，设计简化循环，从而将得到的场景倾斜三维模型自动简化，建立无纹理底模数据；获取场景倾斜三维数据的顶点、法线、UV值、正切线、三角形索引值等信息，建立场景倾斜三维数据与底模数据的映射关系；按照上述映射关系将底模数据通过法线贴图技术进行自动化法线贴图，实现次世代建模的场景建筑物模型；再从模型库中提取模型进行自动匹配，经光照、渲染等操作后，构建融合模型。
作为优选，所述的顶点观察重要度计算过程具体包括：使用顶点单位法向量法对原始的倾斜模型中各个顶点进行顶点观察重要度的计算，计算过后，按照重要度计算结果由大至小排成序列，将序列中最小的顶点提取出来，并将此顶点作为预删除顶点；将重要度高的顶点留存，将重要度低的顶点删除。
作为优选，所述的边预折叠过程具体包括以下内容：计算预删除顶点相关边的几何特征折叠代价值以及纹理特征折叠代价值，将计算后的预折叠代价值综合后，将代价值相关边由大至小进行排序，并将其中最小值作为边折叠代价值，取最小值对应边作为折叠边进行边折叠，并重构局部三角网；此步骤对于获取的数据进行细化处理，折叠重构后的数据更加准确且符合实际。
作为优选，所述的法线贴图过程包括以下内容：通过程序沿着底模的表面法线朝向倾斜三维模型表面画出一条线，这条线和倾斜三维模型表面相交在一点上，记录下该点的法线方向值，根据建筑物屋顶和不同层墙面各个节点的空间位置坐标，将组成对应面的每个节点对应的纹理坐标计算出来，并将对应的纹理图案附在相应的建筑物面，实现逼真贴面。
作为优选，所述的获取建模所需数据阶段包含对数据准备与处理等准备工作，具体包括以下内容：从1:500地形图中提取植被、水系、树木面状Shapefile轮廓数据，将这些数据从空间数据坐标对应转换至与倾斜数据模型统一的坐标系内，若这些数据与模型实际位置存在偏差，则分析数据获取要素中心点，并且计算该要素中心点与对应模型之间的偏移量，通过求得的偏移量对所有顶点进行纠正，其中当经纬度坐标进行转换时，需转换为墨卡托投影坐标系；此步骤纠正了偏差数据，解决了水系、树木以及建筑物因拍摄缘故容易产生变形、扭曲以及纹理错误现象的问题，使得形成的模型更加端正准确。
作为优选，所述的数据准备与处理工作完毕后，将纠正后的轮廓数据与倾斜三维数据进行反向裁剪，剔除模型中存在变形、扭曲的数据，得到裁剪后的三维模型，此模型主要包括建筑物、道路等要素；此步骤进一步对偏差数据进行筛选、剔除，使获取的模型更加符合事实。
作为优选，在所述法线贴面后的场景建筑物模型中叠加树木点状数据、植被面状数据、河流面状数据等，并对各数据的范围边界、中心点、高程以及几何顶点进行运算，最后从模型库中提取对应的模型对当前模型实施区域填充，完成场景三维模型的搭建。
本发明的有益效果是：本方案能够快速构建符合客观事实、三维效果良好的三维模型；本方案运用次世代建模贴图的方法能够实现立体细节效果的良好把控；本方案能够将倾斜三维模型自动简化，避免了数据量过大导致的一系列问题；本方案既能够实现快速自动建模，同时又能够展现纹理丰富的模型细节。
附图说明
图1是本发明的一种基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法流程图；
图2是本发明的场景倾斜三维模型自动简化流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，如图1和图2所示，包括以下步骤。
步骤1：从1:500地形图中提取植被、水系、树木面状Shapefile轮廓数据；
步骤2：反向裁剪倾斜三维数据，得到场景倾斜三维模型；
步骤3：获取场景倾斜三维数据的顶点信息，建立无纹理底模数据映射；
步骤3.1：对倾斜三维模型各个顶点进行观察重要度计算，按照从小到大的顺序排列；
步骤3.2：将最小顶点设置为预删除顶点，删除序列头部数据，即顶点观察重要度值最小的顶点；
步骤3.3：计算预删除顶点的几何特征折叠代价和纹理特征折叠代价，将其综合为预折叠代价，并按照从小到大的顺序进行排序；
步骤3.4：更新顶点观察重要度值序列；
步骤3.5：判断序列是否符合给定的阈值，若满足给定的阈值则输出底模数据；若不满足给定的阈值，则回到步骤3.2；
步骤4：对于底模数据进行法线贴图操作，形成次世代建模的场景建筑物模型；
步骤4.1：沿着底模的表面法线朝向倾斜三维模型表面画出一条线，这条线和倾斜三维模型表面相交在一点上，记录下该点的法线方向值；
步骤4.2：根据建筑物屋顶和不同层墙面各个节点的空间位置坐标，将组成对应面的每个节点对应的纹理坐标计算出来，并将对应的纹理图案附在相应的建筑物面；
步骤5.1：对贴图后的模型叠加树木点状数据、植被面状数据、河流面状等数据；
步骤5.2：各数据的范围边界、中心点、高程以及几何顶点进行运算，从模型库中提取相关模型，进入自动匹配阶段，将模型自动填充，完成三维场景的搭建；
步骤6：最终处理数据，进行渲染等操作，完成融合模型的搭建。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (5)
1.基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，其特征在于包括：
S1：获取地形数据信息，对数据做解析处理，反向裁剪三维数据，获得场景倾斜三维模型；
S2：场景倾斜三维模型自动简化，建立无纹理底模数据；
S2.1：对三维模型所有顶点做顶点观察重要度计算；根据顶点单位法向量法对原始倾斜模型的每个顶点进行顶点观察重要度的计算，对计算后的顶点观察重要度按照由大到小的顺序进行排序，并将观察重要度最小的顶点作为预删除顶点；
S2.2：对计算后的相关边进行边预折叠操作；计算所述删除顶点的相关边的预折叠代价值，将预折叠代价值对应的相关边从大到小排序，将最小的预折叠代价值作为边折叠代价值，取出对应边作为折叠边进行边折叠，并重构局部三角网；其中所述预折叠代价包括几何特征方面的预折叠代价值和纹理特征方面的预折叠代价值；
S2.3：重复S2.1与S2.2，并更新顶点观察重要度，满足简化要求后完成简化，输出简化后的底模数据
S3：获取场景倾斜三维数据相关信息，建立与底模数据的映射关系；
S4：依照映射关系，将底模数据进行自动化法线贴图，形成次世代建模的场景建筑物模型；
S5：从模型库中提取模型信息进行自动匹配，形成区域完整三维模型；
S6：进行光照、材质渲染，构建融合模型。
2.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，其特征在于，所述S4具体包括：
从底模的表面法线出发朝倾斜三维模型表面做一直线，所述直线与倾斜三维模型表面相交于一点，找出倾斜三维模型表面所述点的法线方向，记录所述点的法线方向值，建立空间坐标系，以所述点的法线方向值和建筑物上各个节点的空间位置坐标为参照，计算每个面中节点对应的纹理坐标，将纹理图案赋予相应建筑物面。
3.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，其特征在于，所述S1包括：
S1.1：从地形图中提取植被、水系、树木面状轮廓数据，利用空间数据坐标转换形成与倾斜数据模型统一的坐标系，其中经纬度坐标需转换为墨卡托投影坐标系；针对数据与模型实际位置的偏差信息，通过解析获取要素中心点，计算该点与对应模型中心点之间的偏移量，并对数据顶点进行纠正。
4.根据权利要求3所述的基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，其特征在于，所述S1还包括：
S1.2：将纠正后的轮廓数据与倾斜三维数据进行反向裁剪，剔除无用数据，得到裁剪后的三维模型。
5.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影与次世代建模技术融合的三维场景快速构建方法，其特征在于，所述S5具体包括：
将所述场景建筑物模型叠加树木、植被、河流等数据，计算各数据的范围边界、中心点、几何顶点以及高程；从模型库中提取对应模型进行区域填充，构建完整场景三维模型。
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