TW201333881A - 多層次精緻度三維房屋模型建置方法 - Google Patents

多層次精緻度三維房屋模型建置方法 Download PDF

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Abstract

一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，係先以單棟房屋模型為對象進行簡化程序處理，再以區域房屋模型為對象根據房屋間之幾何關係，將相鄰之房屋模型合併，以進一步減少房屋資料量。其中單棟房屋簡化流程先以結構分析設定房屋簡化參數並判斷屋頂結構形式，再經由正射投影產生投影面並在幾何上加以簡化，最後重組投影面得簡化後房屋模型；若房屋模型包含非平頂屋頂結構或其他特殊結構，則進一步以半自動特殊結構處理。而區域房屋簡化流程首先進行大型房屋群之三維幾何分析，將多個已簡化之單棟房屋模型劃分為多個房屋組，再經幾何交會計算得房屋連接線，最後偵測外圍輪廓線即為房屋組合併後之屋頂面，並建立對應牆面。經實驗證明，本發明在不同精緻度層級皆可有效降低整體房屋模型之總點數及總面數，不僅可提供更合理而順暢之模型顯示，並且還能保持房屋模型之重要特徵。

Description

多層次精緻度三維房屋模型建置方法
本發明係有關於一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，尤指涉及一種兩階段式簡化房屋模型之方法，特別係指針對以多面體模型建置之三維房屋模型簡化方法。
三維房屋模型為最重要之三維空間資料之一，但龐大之三維房屋模型資料會降低地理資訊瀏覽系統之應用效能。為了達成互動式之視覺模擬效果與即時顯像之功能，建置多層次精緻度房屋模型(Level of Detail,LOD)為常用之減少物件資料量之處理方法。經由建置不同精緻度之模型，視覺模擬系統可依據使用者不同之視覺條件或應用需求挑選最適合精緻度層級之模型顯像，加速整體系統處理效能。為減少房屋資料量，建置多層次精緻度房屋模型之方法可稱為房屋模型簡化，其房屋模型簡化方法依簡化對象可區分為單棟房屋模型簡化及區域房屋模型簡化兩類。其中單棟房屋模型簡化之方法，例如：1998年Mayer於文獻(Mayer,H.,1998. Three dimensional generalization of buildings based on scale-spaces,Technical Report,Technische Universitt Mnchen,Germany.)中提出應用形態學(Mathematical Morphology)及曲率空間理論(Curvature Space)等二維幾何運算理論於單棟房屋模型簡化上，雖為單一簡化門檻，惟其簡化成果會因選擇不同形態學運算子而有所不同，非一對一之簡化流程；2006年Rau等人於文獻(Rau,J.Y.,L.C. Chen,F. Tsai,K.H. Hsiao,and W.C. Hsu,2006. LOD generation for 3D polyhedral building model,Lecture Notes in Computer Science,Springer/Berlin Heidelberg,New York,Vol. 4319,pp. 44-53.)中提出定義一特徵解析度R作為不同精緻度層級之變數，並開發主結構分析之方法簡化單棟多面體房屋模型，惟其簡化後無法保存原有之圓曲特徵，且該法於實作時易使模型精緻度之變化產生跳躍效應(Popping Effect)；以及2002年Thiemann於文獻(Thiemann,F.,2002. Generalization of 3D building data,International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,9-12 July,Ottawa,Canada,Vol. 34,Part 4,unpaginated CD-ROM.)中提出利用凹凸面判斷搭配基礎模型元件套合，切割出房屋主體與特徵結構，再透過布林運算子以建構實體幾何樹(CSG-Tree)形式建構結構間之關係，不同結構組合即可產生不同之簡化房屋模型；然而，其雖在簡化後可維持房屋特徵，惟房屋特徵之合理性仍待進一步評估討論。而區域房屋簡化之方法，則如：2005年Anders於文獻(Anders,K.H.,2005. Level of detail generation of 3D building groups by aggregation and typification,Proceedings of 22nd International Cartographic Conference,9-16 August,La Corua,Spain,unpaginated CD-ROM.)中提出產生鄰近房屋群之三視投影面，再以聚集(Aggregation)運算子對各投影面進行處理，最後以布林運算子重組為簡化房屋群模型，惟該法僅適用於房屋群具有一致性之情況，且當房屋模型包含非平頂之屋頂結構也無法處理；以及2008年Chang及2011年Yang各別於文獻(Chang,R.,T.,Butkiewicz,C.,Ziemkiewicz,Z.,Wartell,N.,Pollard,and W.,Ribarsky,2008. Legible simplification of textured urban models,IEEE Computer Graphics and Applications,28(3): 27-36.；及Yang,L.,L.,Zhang,J.,Ma,J.,Xie,and L,Liu,2011. Interactive visualization of multi-resolution urban building models considering spatial cognition,International Journal of Geographical Information Science,25(1): 5-24.)中提出將大範圍房屋模型經房屋幾何條件分類為多個群組後，進行群組合併，並簡化合併後之房屋模型。
由上述可知，目前建置多層次精緻度三維房屋模型多著眼於單棟房屋模型之簡化，但在大型城市模擬應用時僅進行單棟房屋簡化之處理，對於房屋密度高之區域並無法有效增進整體系統效能，而以大範圍區域所包含房屋群之處理僅有Mayer、Anders、Chang及Yang提出初步處理方式，但由於數碼城市中房屋模型之結構與型式十分多樣化，以房屋群為處理對象可能無法完全符合不同房屋模型單元之簡化需求，且易造成房屋模型可視特徵之遺失。
相較於已發表技術多以二維地圖簡化概念建置三維房屋模型簡化方法，當應用於三維瀏覽系統時，二維環境之認知差異將不利於實際運用，導致無法提供符合實際狀況之視覺效果。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，其為一兩階段三維房屋模型簡化方式，處理以多面體模型建置之三維房屋模型。
本發明之次要目的係在於，提供一種同時考慮房屋模型之二維平面幾何關係與三維幾何關係進行房屋簡化，所得成果應用於三維瀏覽系統係可更利於實際運用及提供更符合實際狀況之視覺效果者。
本發明之另一目的係在於，提供一種針對特殊房屋特徵結構進行額外處理，以半自動化方法簡化，並依據簡化後之平頂主結構進行微調，以保留其視覺上之辨識性及增加簡化後結構之合理性者。
為達以上之目的，本發明係一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，係整合單棟房屋模型簡化及區域房屋模型簡化之兩階段流程。當運用時，係將高細緻度房屋模型先以單棟房屋模型為對象進行簡化程序處理，再以區域房屋模型為對象根據房屋間之幾何關係，將相鄰之房屋模型合併，以進一步減少房屋資料量。其中該單棟房屋簡化之流程係先以結構分析設定房屋簡化參數並判斷屋頂結構形式，再經由正射投影產生投影面並在幾何上加以簡化，最後重組投影面取得簡化後房屋模型；若房屋模型包含非平頂屋頂結構或其他特殊結構，則進一步以半自動特殊結構處理。而該區域房屋簡化之流程首先進行大型房屋群之三維幾何分析，將多個已簡化之單棟房屋模型劃分為多個房屋組，再經幾何交會計算得房屋連接線，最後偵測外圍輪廓線即為房屋組合併後之屋頂面，並建立對應牆面，進而獲得低細緻度房屋模型。
請參閱『第1圖～第8圖』所示，係分別為本發明之房屋簡化流程示意圖、本發明之單棟房屋模型簡化流程示意圖、本發明之投影面簡化示意圖、本發明之投影面重組示意圖、本發明之特徵結構處理範例示意圖、本發明之區域房屋模型簡化流程示意圖、本發明之平面分析示意圖及本發明之高差分析示意圖。如圖所示：本發明係一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，係針對以多面體模型建置之三維房屋模型提出之半自動簡化方法，為整合單棟房屋模型簡化10及區域房屋模型簡化20之兩階段流程，可二次減少房屋資料量，其中該單棟房屋模型簡化10之流程係包含下列步驟(如第2圖所示)：
(A)結構分析11：將高細緻度房屋模型進行結構分析，包含房屋複雜度之計算及屋頂結構之判別，其中該房屋複雜度係引入計算幾何中包絡凸多邊形(Convex Hull)概念估計房屋模型在平面及高程之複雜度，供後續設定房屋簡化參數參考，而該屋頂結構則以房屋模型之屋頂面是否為水平面做判別，並對非平頂房屋模型進行屋頂面切割，以避免房屋簡化過程中遺失其屋頂特徵；
(B)投影面產生12：係使用正射投影將房屋模型投影至人工選定之兩垂直面及一水平面，並透過平面幾何計算產生多方向投影面外圍輪廓；
(C)投影面簡化13：如第3圖所示，係對投影面外圍輪廓進行短邊結構正規化及凹凸結構簡化，其中該短邊結構正規化係將欲簡化之短邊結構31，即小於長度門檻值且與房屋主軸非正交之線段移除並將原結構簡化為正交結構，而該凹凸結構簡化則係將欲簡化之凹結構32及凸結構33房屋中面積較小之正交結構移除；
(D)投影面重組14：將布林運算子概念應用於三維多面體房屋模型重建上，如第4圖所示。對已簡化後各投影面，首先以前視面及側視面之延伸線交會俯視面線段得切點，即重組後之屋頂角點，依此將俯視面切割儲存為簡化後之屋頂面，再經由前視面與側視面計算各屋頂面之高程，最後建立各屋頂面對應之牆面，即完成三維簡化房屋模型之重建；
(E)特徵結構處理15：係依簡化後之房屋主體對屋頂結構進行形狀及體積之微調，如第5圖所示，包含非平頂屋頂結構、中庭結構及非平面牆面結構之處理，其中該非平頂屋頂結構係以臺灣地區常見之山形屋及圓弧頂為對象；該中庭結構及非平面牆面結構則由人工判識為特例處理；該區域房屋模型簡化20之流程係包含下列步驟(如第6圖所示)：
(F)平面分析21：如第7圖所示，係輸入一區塊房屋模型並將房屋屋頂面網格化，再使用形態學運算子之膨脹(Dilation)及侵蝕(Erosion)計算網格化之影像，最後使用區域生長法判斷並記錄符合距離門檻之多個房屋組；
(G)高差分析22：係輸入前述平面分析記錄之多個房屋組，計算房屋組中各棟房屋之面積及平均高程，並使用者定義兩判斷高差門檻，其中若兩棟房屋高差小於第一級高差門檻則合併，合併後之房屋高程使用房屋群內最大房屋面積者之高程；若高差大於第一級高差門檻且小於第二級高差門檻，則進一步使用面積比例門檻判斷，若面積小於面積比例門檻房屋群內最大房屋面積者則進行合併，反之則不合併；若高差大於第二級高差門檻，亦不合併，如第8圖所示；經上述分析後更新房屋組資訊；以及
(H)合併運算23：根據步驟(G)所得之區域房屋分類成果，將分析所得之子房屋群資訊進行房屋群合併運算，交會子房屋群中各房屋屋頂面線段得鄰近房屋間之連結線，並將連接線加入子房屋群中一併計算外圍輪廓，即子房屋群合併後之屋頂面，再將合併後之屋頂面搭配高差分析所得之合併後高程，並建立對應牆面，即完成房屋群合併，獲得低細緻度房屋模型。
上述步驟(G)所提之「若兩棟房屋高差小於第一級高差門檻則合併」中之「第一級高差門檻」為第8圖右側圖示箭頭所示之高差門檻，於一較佳實作案例為5公尺，惟並不以此為限，可由使用者依需求設定；而所提之「若高差大於第一級高差門檻且小於第二級高差門檻」中之「第二級高差門檻」為第8圖中間圖示箭頭所示之高差門檻，於一較佳實作案例為10公尺，惟並不以此為限，同樣可由使用者依需求設定。
當運用時，本發明係將高細緻度房屋模型先以單棟房屋模型為對象進行簡化程序處理，再以區域房屋模型為對象根據房屋間之幾何關係，將相鄰之房屋模型合併，以進一步減少房屋資料量。其中該單棟房屋簡化之流程係先以結構分析設定房屋簡化參數並判斷屋頂結構形式，再經由正射投影產生投影面並在幾何上加以簡化，最後重組投影面取得簡化後房屋模型；若房屋模型包含非平頂屋頂結構或其他特殊結構，則進一步以半自動特殊結構處理。而該區域房屋簡化之流程首先進行大型房屋群之三維幾何分析，將多個已簡化之單棟房屋模型劃分為多個房屋組，再經幾何交會計算得房屋連接線，最後偵測外圍輪廓線即為房屋組合併後之屋頂面，並建立對應牆面，進而獲得低細緻度房屋模型。經實驗證明，本發明在不同精緻度層級皆可有效降低整體房屋模型之總點數及總面數。單次簡化至少可減少60%之房屋資料量，經三次簡化後，最低精緻度層級則可減少75%之資料量。與僅進行單棟房屋簡化相比，可額外降低5%之資料量，不僅可提供更合理而順暢之模型顯示，並且還能保持房屋模型之重要特徵。
本發明提出一種兩階段三維房屋模型簡化方式，處理以多面體模型建置之三維房屋模型。係將一區域房屋模型先以單棟房屋模型為對象依序簡化後，再計算鄰近房屋模型間之相對位置關係，以進一步經由區域房屋模型簡化方式二次減少資料量，達到有效減少房屋資料量並增進系統顯示之效能。與既有之技術比較，本發明在房屋簡化方法上，除了考慮房屋模型之二維平面幾何關係外，亦考慮房屋模型之三維幾何關係，經由加入三維高程關係之判斷進行房屋簡化，將所得成果應用於三維瀏覽系統係可更利於實際運用及提供更符合實際狀況之視覺效果；此外，本發明更針對特殊房屋特徵結構(如：山形屋、圓弧頂、圓頂、中庭結構及圓弧牆面等)進行額外處理，以半自動化方法簡化，並依據簡化後之平頂主結構進行微調，以保留其視覺上之辨識性及增加簡化後結構之合理性。
綜上所述，本發明係一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，可有效改善習用之種種缺點，係將一區域房屋模型先以單棟房屋模型為對象依序簡化後，再計算鄰近房屋模型間之相對位置關係，以進一步經由區域房屋模型簡化方式二次減少資料量，達到有效減少房屋資料量並增進系統顯示之效能，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10．．．流程一：單棟房屋模型簡化
11．．．步驟(A)結構分析
12．．．步驟(B)投影面產生
13．．．步驟(C)投影面簡化
14．．．步驟(D)投影面重組
15．．．步驟(E)特徵結構處理
20．．．流程二：區域房屋模型簡化
21．．．步驟(F)平面分析
22．．．步驟(G)高差分析
23．．．步驟(H)合併運算
31．．．短邊結構
32．．．凹結構
33．．．凸結構
第1圖，係本發明之房屋簡化流程示意圖。
第2圖，係本發明之單棟房屋模型簡化流程示意圖。
第3圖，係本發明之投影面簡化示意圖。
第4圖，係本發明之投影面重組示意圖。
第5圖，係本發明之特徵結構處理範例示意圖。
第6圖，係本發明之區域房屋模型簡化流程示意圖。
第7圖，係本發明之平面分析示意圖。
第8圖，係本發明之高差分析示意圖。
10．．．流程一：單棟房屋模型簡化
步驟11　結構分析
步驟12　投影面產生
步驟13　投影面簡化
步驟14　投影面重組
步驟15　特徵結構處理
20．．．流程二：區域房屋模型簡化
步驟21　平面分析
步驟22　高差分析
步驟23　合併運算

Claims (6)

  1. 一種多層次精緻度三維房屋模型建置方法，係整合單棟房屋模型簡化流程及區域房屋模型簡化流程，其至少包含下列步驟：(A)結構分析：包含房屋複雜度之計算及屋頂結構之判別，其中該房屋複雜度係估計房屋模型在平面及高程之複雜度，供後續設定房屋簡化參數參考，而該屋頂結構則以房屋模型之屋頂面是否為水平面做判別，並對非平頂房屋模型進行屋頂面切割；(B)投影面產生：係使用正射投影將房屋模型投影至人工選定之兩垂直面及一水平面，並透過平面幾何計算產生多方向投影面外圍輪廓；(C)投影面簡化：係對投影面外圍輪廓進行短邊結構正規化及凹凸結構簡化，其中該短邊結構正規化係將小於長度門檻值且與房屋主軸非正交之線段移除並將原結構簡化為正交結構，而該凹凸結構簡化則係將房屋中面積較小之正交結構移除；(D)投影面重組：對已簡化後各投影面，首先以前視面及側視面之延伸線交會俯視面線段得切點，即重組後之屋頂角點，依此將俯視面切割儲存為簡化後之屋頂面，再經由前視面與側視面計算各屋頂面之高程，最後建立各屋頂面對應之牆面，即完成三維簡化房屋模型之重建；(E)特徵結構處理：係依簡化後之房屋主體對屋頂結構進行形狀及體積之微調，至此，完成單棟房屋模型簡化流程；(F)平面分析：係輸入一區塊房屋模型並將房屋屋頂面網格化，再使用形態學運算子之膨脹(Dilation)及侵蝕(Erosion)計算網格化之影像，最後使用區域生長法判斷並記錄符合距離門檻之多個房屋組；(G)高差分析：係輸入前述平面分析記錄之多個房屋組，計算房屋組中各棟房屋之面積及平均高程，並由使用者定義兩判斷高差門檻，其中若兩棟房屋高差小於第一級高差門檻則合併，合併後之房屋高程使用房屋群內最大房屋面積者之高程；若高差大於第一級高差門檻且小於第二級高差門檻，則進一步使用面積比例門檻判斷，若面積小於面積比例門檻房屋群內最大房屋面積者則進行合併，反之則不合併；若高差大於第二級高差門檻，亦不合併；經上述分析後更新房屋組資訊；以及(H)合併運算：根據步驟(G)所得之區域房屋分類成果，將分析所得之子房屋群資訊進行房屋群合併運算，交會子房屋群中各房屋屋頂面線段得鄰近房屋間之連結線，並將連接線加入子房屋群中一併計算外圍輪廓，即子房屋群合併後之屋頂面，再將合併後之屋頂面搭配高差分析所得之合併後高程，並建立對應牆面，即完成區域房屋模型簡化流程。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之多層次精緻度三維房屋模型建置方法，其中，該步驟(A)係以包絡凸多邊形(Convex Hull)估計房屋模型在平面及高程之複雜度。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之多層次精緻度三維房屋模型建置方法，其中，該步驟(D)係應用布林運算子進行投影面重組為簡化後之三維房屋模型。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之多層次精緻度三維房屋模型建置方法，其中，該步驟(E)特徵結構處理包含非平頂屋頂結構、中庭結構及非平面牆面結構之處理。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之多層次精緻度三維房屋模型建置方法，其中，該非平頂屋頂結構係以山形屋及圓弧頂為對象。
  6. 依申請專利範圍第4項所述之多層次精緻度三維房屋模型建置方法，其中，該中庭結構及非平面牆面結構係由人工判識為特例處理。
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