CN114897965A - 一种三维场景开敞度分析的方法及系统 - Google Patents

一种三维场景开敞度分析的方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种三维场景开敞度分析的方法及系统，属建筑信息模型工具的计算机应用领域，目前用球面坐标点采样方式分析三维场景开敞度要基于三角网格面切割次数，效率和准确度不可兼顾。本发明方法包括指定三维场景中的观察点与观察半径；使用相机对观察点的相应视线区域进行实时绘制，将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；基于每个网格面顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标及其与观察点的坐标之间距；比较间距与观察半径的大小并根据结果对像素点进行分类；根据观察半径计算获得基于投影坐标组合成三角面并组成完整的观察半球面；根据每个三角面的特征形成观察半球面上的可见与不可见区域并获得开敞度分析结果。

Description

一种三维场景开敞度分析的方法及系统
技术领域
本发明涉及建筑信息模型工具的计算机应用技术领域，尤其涉及一种三维场景开敞度分析的方法及系统。
背景技术
所谓三维场景开敞度，是指可见区域占总区域的比例，常用于景观规划和城市建设规划场景。目前三维场景开敞度分析一般采用球面坐标点采样的分析测量方式。首先获取半球面底部内接正方形，该正方形顶点与半球面的顶部点连接组成一个正四棱锥，四棱锥的侧面为四个全等的等腰三角形；对四棱锥的侧面三角形逐个进行三角网格面细分，具体细分方法如下：计算三角形三条边的中点，连接这三个点形成三条线段，这三条线段与原三角形的三条边一起，将原三角形切割成面积相等的四个小三角形；以相同的方法逐个对四个小三角形进行分割，直到每个小三角形的面积小于某个预先设定的值；由此得到四个三角网格面。逐个遍历三角网格面中的小三角形，连接球心与小三角形的顶点，得到由球心指向小三角形三个顶点的三条射线，这三条射线的延长线与半球表面相交，形成一个顶点都在半球表面的投影三角形；再根据射线与三维场景的交点，计算出投影三角形的三个顶点相对于球心是否可见。若三个顶点都可见，则将该投影三角形划分到可见组，否则，划分到不可见组；最后用两种不同颜色分别绘制可见组与不可见组中的投影三角形，从而得到一个由不同颜色区分可见区域与不可见区域的半球面。
该方法的计算精度取决于三角网格面切割的次数，当切割次数较少时，效率较高，但是得到的三角网格面中每个小三角形面积较大，分析计算的结果不准确，可见区域与不可见区域边界处有较为明显的锯齿；当切割次数较多时，分析过程耗时会比较长，效率较低。
因此，需要一种新的三维场景开敞度分析的方法及系统以解决现有技术存在的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案，三维场景开敞度分析的方法及系统，基于城市信息模型(CIM)平台的三维模型数据，自动分析出指定观察点与观察半径下的开敞度信息，既可用于定量分析城市规划和设计方案中城市建筑不同的空间组合形式对空间开敞度的影响，从而为城市规划和设计方案的评估提供高效便捷准确的技术手段；也可对现状一定范围内的城市空间的开敞度进行分析，为提出城市空间的改善建议提供技术手段和理论支持。
本发明一方面提供了一种三维场景开敞度分析的方法，包括：
S1，指定三维场景中的观察点与观察半径；
S2，使用相机对所述观察点的相应视线区域进行实时绘制，并将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；
S3，基于每个所述三角网格面的顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标以及所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离；
S4，比较所述距离与所述观察半径的大小，并根据比较结果将所述像素点进行分类；
S5，根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标，基于所述投影坐标组合成三角面，基于所述三角面组成完整的观察半球面；
S6，根据每个所述三角面的特征形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域；
S7，根据所述可见区域与不可见区域，获得所述开敞度分析结果。
优选的，所述相机为透视投影相机。
优选的，所述S2包括：
S21，使用相机对所述观察点的四个水平方位和一个垂直向上方位的视线区域进行实时绘制；
S22，将读取的像素点组合成不重复的三角网格面。
优选的，所述S3包括：
S31，读取每个所述三角网格面的顶点的像素深度；
S32，通过相机观察矩阵和投影矩阵，计算出每个像素对应的三维空间坐标；
S33，计算所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离。
优选的，所述S4包括：
S41，比较所述距离与所述观察半径的大小；
S42，如果所述距离大于所述观察半径，则将所述像素点标记为不可见；如果所述距离小于所述观察半径，则将所述像素点标记为可见。
优选的，所述S5包括：
S51，根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标；
S52，确定五个分析面并连结五个分析面边界处相邻的投影坐标点组合成三角面；
S53，由三角面组成完整的所述观察半球面。
优选的，所述S6包括：
S61，根据每个所述三角面中顶点的可见或不可见点的数量，将所述三角面划分为可见组与不可见组；
S62，将所述可见组与所述不可见组分别绘制成不同颜色，从而形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域。
本发明的第二方面提供一种三维场景开敞度分析的系统，包括：
预处理模块，用于指定三维场景中的观察点与观察半径；
第一绘制模块，用于使用相机对所述观察点的相应视线区域进行实时绘制，并将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；
计算模块，用于基于每个所述三角网格面的顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标以及所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离；
比较模块，用于比较所述距离与所述观察半径的大小，并根据比较结果将所述像素点进行分类；
构型模块，用于根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标，基于所述投影坐标组合成三角面，基于所述三角面组成完整的观察半球面；
第二绘制模块，用于根据每个所述三角面的特征形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域；
开敞度分析模块，用于根据所述可见区域与不可见区域，获得所述开敞度分析结果。
本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。
本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。
本发明提供的三维场景开敞度分析的方法、系统和电子设备，具有如下有益效果：
基于城市信息模型(CIM)平台的三维模型数据，自动分析出指定观察点与观察半径下的开敞度信息，既可用于定量分析城市规划和设计方案中城市建筑不同的空间组合形式对空间开敞度的影响，从而为城市规划和设计方案的评估提供高效便捷准确的技术手段；也可对现状一定范围内的城市空间的开敞度进行分析，为提出城市空间的改善建议提供技术手段和理论支持。
附图说明
图1为本发明提供的三维场景开敞度分析的方法的流程图。
图2为本发明提供的三维场景开敞度分析的系统结构原理框图。
图3为本发明提供的优选实施例的由不同颜色区分可见区域与不可见区域的半球面的可视化示意图。
图4为本发明提供的电子设备一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，该终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储器和显示屏。其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。
处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。
存储器可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。
显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。
除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。
实施例一
参见图1，一种三维场景开敞度分析的方法，包括：
S1，指定三维场景中的观察点与观察半径；
S2，使用相机对所述观察点的相应视线区域进行实时绘制，并将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；
S3，基于每个所述三角网格面的顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标以及所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离；
S4，比较所述距离与所述观察半径的大小，并根据比较结果将所述像素点进行分类；
S5，根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标，基于所述投影坐标组合成三角面，基于所述三角面组成完整的观察半球面；
S6，根据每个所述三角面的特征形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域；
S7，根据所述可见区域与不可见区域，获得所述开敞度分析结果。
进一步地，所述相机为透视投影相机。
进一步地，所述S2包括：
S21，使用相机对所述观察点的四个水平方位和一个垂直向上方位的视线区域进行实时绘制；
S22，将读取的像素点组合成不重复的三角网格面。
进一步地，所述S3包括：
S31，读取每个所述三角网格面的顶点的像素深度；
S32，通过相机观察矩阵和投影矩阵，计算出每个像素对应的三维空间坐标；
S33，计算所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离。
进一步地，所述S4包括：
S41，比较所述距离与所述观察半径的大小；
S42，如果所述距离大于所述观察半径，则根据所述像素点的深度信息将所述像素点标记为不可见；如果所述距离小于所述观察半径，则根据所述像素点的深度信息将所述像素点标记为可见。
进一步地，所述S5包括：
S51，根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标；
S52，确定五个分析面并连结五个分析面边界处相邻的投影坐标点组合成三角面；
S53，由三角面组成完整的所述观察半球面。
进一步地，所述S6包括：
S61，根据每个所述三角面中顶点的可见或不可见点的数量，将所述三角面划分为可见组与不可见组；
S62，将所述可见组与所述不可见组分别绘制成不同颜色，从而形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域。
实施例二
参见图2，一种三维场景开敞度分析的系统，包括：
预处理模块101，用于指定三维场景中的观察点与观察半径；
第一绘制模块102，用于使用相机对所述观察点的相应视线区域进行实时绘制，并将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；
计算模块103，用于基于每个所述三角网格面的顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标以及所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离；
比较模块104，用于比较所述距离与所述观察半径的大小，并根据比较结果将所述像素点进行分类；
构型模块105，用于根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标，基于所述投影坐标组合成三角面，基于所述三角面组成完整的观察半球面；
第二绘制模块106，用于根据每个所述三角面的特征形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域；以及
开敞度分析模块107，用于根据所述可见区域与不可见区域，获得所述开敞度分析结果。
参见图3，本实施例的应用场景和步骤：
（1）首先将相机置于观察点，以该点的正东方向为观察方向，以透视投影的方式渲染一帧，逐个遍历每个像素点，取当前像素点的正右方、右下方以及正下方的三个相邻像素点；将这三个像素点与当前像素点一起，以逆时针顺序组合成两个相邻且不重叠的三角面。
（2）读取每个三角面顶点像素的深度值，并通过相机观察矩阵和投影矩阵，获取每个像素对应的三维空间坐标，计算出该坐标与观察点之间的距离。比较该距离与观察半径的大小，当距离大于观察半径时，说明点在观察半径外，将该点的可见属性记为1；当距离小于观察半径时，说明点在观察半径内，将该点的可见属性记为0。
（3）继续将相机置于观察点，分别以观察点的正南、正西、正北和正上方向为观察方向，重复步骤（1）和（2）。
（4）逐个遍历三角面，将观察点与三角面三个顶点的空间坐标连接，得到三条由观察点指向三角面顶点空间坐标的射线；保持射线方向不变，将射线长度缩放为观察半径的大小，再将观察点与缩放后的射线相加，计算出三角面顶点的空间坐标在以观察点为圆心、以观察半径为半径的半球面上的投影坐标点。然后连结五个分析面边界处相邻的投影坐标点组合成三角面，从而得到一个由连续且不重叠的三角形网格面组成的半球面。
（5）逐个遍历上一步得到半球面的三角面，若三角面的三个顶点可见属性均为1，则将该三角面划分到可见组；否则将该三角面划分到不可见组。再以两种不同颜色将可见组与不可见组的三角面绘制在三维场景中，从而得到一个由不同颜色区分可见区域与不可见区域的半球面。
本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，指令用于实现如实施例一的方法。
如图4所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与处理器301连接的存储器302，存储器302存储有多条指令，指令可被处理器加载并执行，以使处理器能够执行如实施例一的方法。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，包括：
S1，指定三维场景中的观察点与观察半径；
S2，使用相机对所述观察点的相应视线区域进行实时绘制，并将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；
S3，基于每个所述三角网格面的顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标以及所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离；
S4，比较所述距离与所述观察半径的大小，并根据比较结果将所述像素点进行分类；
S5，根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标，基于所述投影坐标组合成三角面，基于所述三角面组成完整的观察半球面；
S6，根据每个所述三角面的特征形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域；
S7，根据所述可见区域与不可见区域，获得所述开敞度分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，所述相机为透视投影相机。
3.根据权利要求1所述的一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，所述S2包括：
S21，使用相机对所述观察点的四个水平方位和一个垂直向上方位的视线区域进行实时绘制；
S22，将读取的像素点组合成不重复的三角网格面。
4.根据权利要求3所述的一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，所述S3包括：
S31，读取每个所述三角网格面的顶点的像素深度；
S32，通过相机观察矩阵和投影矩阵，计算出每个像素对应的三维空间坐标；
S33，计算所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离。
5.根据权利要求4所述的一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，所述S4包括：
S41，比较所述距离与所述观察半径的大小；
S42，如果所述距离大于所述观察半径，则将所述像素点标记为不可见；如果所述距离小于所述观察半径，则将所述像素点标记为可见。
6.根据权利要求5所述的一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，所述S5包括：
S51，根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标；
S52，确定五个分析面并连结五个分析面边界处相邻的投影坐标点组合成三角面；
S53，由三角面组成完整的所述观察半球面。
7.根据权利要求6所述的一种三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，所述S6包括：
S61，根据每个所述三角面中顶点的可见或不可见点的数量，将所述三角面划分为可见组与不可见组；
S62，将所述可见组与所述不可见组分别绘制成不同颜色，从而形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域。
8.一种三维场景开敞度分析的系统，用于实施如权利要求1-7任一所述的三维场景开敞度分析的方法，其特征在于，包括：
预处理模块（101），用于指定三维场景中的观察点与观察半径；
第一绘制模块（102），用于使用相机对所述观察点的相应视线区域进行实时绘制，并将读取的像素点组合成不重复的三角网格面；
计算模块（103），用于基于每个所述三角网格面的顶点的像素深度、相机观察矩阵和投影矩阵，计算每个像素对应的三维空间坐标以及所述三维空间坐标与所述观察点的坐标之间的距离；
比较模块（104），用于比较所述距离与所述观察半径的大小，并根据比较结果将所述像素点进行分类；
构型模块（105），用于根据所述观察半径计算出每个三角网格面的顶点的世界坐标在观察半球面上的投影坐标，基于所述投影坐标组合成三角面，基于所述三角面组成完整的观察半球面；
第二绘制模块（106），用于根据每个所述三角面的特征形成所述观察半球面上的可见区域与不可见区域；
开敞度分析模块（107），用于根据所述可见区域与不可见区域，获得所述开敞度分析结果。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-7任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1-7任一所述的方法。
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