快速简化3D建筑物模型的关键技术研究

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，针对三维建筑模型简化至低分辨率时模型网格质量降低、表面细节特征丢失等原因导致的视觉退化问题，提出了一种顾及角度误差的网格模型边折叠简化算法。首先对模型简化的基础概念进行简介，作为研究模型简化算法的理论基础。其次重点描述了其简化操作的流程和简化算子的选择对简化结果的影响。最后阐述了简化算法策略的设计及其质量评价。

 

  1.1 研究背景及意义
  城市是现代人类生活的核心空间，在城市信息化的大背景下，各地政府以数字城市、智慧城市为目标，开展城市数字化建设。三维城市模型作为关键性空间数据基础设施，得到了广泛应用。大规模三维场景渲染这一需求变得越来越强烈，尤其是在城市规划、道路交通、物业管理、地籍管理、水利电力等领域存在着更加迫切的应用需求。相比于城市场景中的其它类型数据（如道路矢量数据、背景影像数据），三维建筑物模型往往具有更大的数据量和更复杂的几何结构特征。三维建筑模型是虚拟三维城市场景不可或缺的要素，随着三维激光扫描技术的日趋成熟和三维数据采集设备的升级换代，人们获取到的三维数字化模型的数据密度日益增长。海量的高密度数据通过网络传输渲染大规模三维场景的效果还有待提高：大规模三维场景的实时绘制一方面要求渲染出高质量的图像，另一方面还要满足用户实时交互的操作要求。其次，虽然高分辨率网格模型能够提供逼真的视觉感受，但其过于复杂的细部结构会成为用户认知的负担。影响大规模三维场景实时渲染和传输的主要因素有：三维模型的数据量、计算机通信网络带宽和计算机图形卡硬件渲染能力。目前提高三维场景实时渲染和传输效率的主要手段为减少场景中需要渲染的模型数据，即多分辨率简化技术。多分辨率简化指通过特定算法将一个复杂模型转化为多个简单模型的过程。即在不影响画面视觉效果的条件下精简在几何上相对较小、远离视点或是不重要的区域达到简化景物的表面细节，保留景物的主体特征的目的，以减少模型的几何复杂性，把大规模数据集缩减到特定应用程序能够处理的规模，产生简单的近似模型。从地图载负量来讲，虽然高分辨率的三维城市模型能提供逼真的视觉感受，但在绘制复杂场景时，过多的细节对象会使地图难以阅读，简化地图中次要对象的细节可以突出地图重点表达的内容；从人的认知角度来讲，删除建筑物中的一些相对次要的细节，保留重要的结构特征，可以提高可视化和认知效率，减少人类认知识别模型过程中的负担，提高人类对空间对象的认知的正确性；从计算效率来讲，采用多分辨率三维地理空间模型来表达三维信息的方法，在满足可视化要求的前提下，可以有效的减少绘制三维场景的工作量，提高计算机的工作效率，降低对计算机硬件的要求。 
  1.2 研究内容与技术路线

  本文针对三维复杂模型简化至低分辨率时存在模型网格质量降低、表面细节特征丢失等原因导致的视觉退化问题，从多个维度分析几种具有代表性的三维网格模型简化算法优缺点，并对三维模型的数据基础进行了深入研究为后续研究做理论基础。其次，基于边折叠 QEM 简化算法，提出了一种顾及角度误差的边折叠简化算法，并对得到的多级 LOD 细节层次结果模型和其它基础数据进行组织和管理。最后设计并实现了实验演示系统以验证其渲染效果，该系统整合了本文的全部研究内容。本文主要研究内容如：（1）研究复杂三维建筑模型简化算法模型特征区域顶点的误差度量，以更好保留模型表面细部特征。通过分析复杂三维建筑模型简化至低分辨率时模型网格质量降低、表面细节特征丢失等原因导致的视觉退化问题，提出了一种顾及角度误差的网格模型边折叠简化算法。该算法在选取收缩边时预先加入了顶点约束处理，减少了需要进行边折叠的数据量，以提高计算效率；在二次误差测度算法的基础上引入顶点曲率、局部区域面积和角度误差加权，对新生成面片的旋转方向进行角度误差控制，以更好的保留模型的特征区域的几何特征。（2）研究多分辨率三维模型数据组织与管理方法的相关技术理论，明确多分辨率三维模型数据组织与管理方法的设计思路和技术路线。根据三维建筑模型数据特点和属性信息不同，分析三维建筑模型数据层次，设计面向三维建筑模型的数据结构，将不同作用范围的数据采用金字塔结构分层分块进行存储，以提高数据的索引效率和网络响应速度。（3）研究 Web GIS 系统架构，设计演示系统的整体架构和各个功能模块。对本文设计的简化算法生成的多分辨率三维建筑模型数据和其它基础数据进行集成和展示，以验证此算法保留场景中建筑模型重要几何特征的能力和渲染大规模城市三维场景的效率。首先从多分辨率表达的应用需求入手，分析制约城市三维场景实时传输、渲染的因素，确定优化实时传输、渲染效果的研究方向。接着研究多分辨率简化算法机理，从简化算子和简化流程两方面对其进行改进：其一在遍历模型表面网格时结合顶点曲率、局部区域面积加权以及角度误差参数，对简化算子进行改进；其二重新设计了执行简化操作的迭代流程，以平衡计算复杂度和时间复杂度。进而对执行简化操作生成的多分辨率的三维建筑结果模型和其它基础数据进行组织和管理，以提高模型数据的索引效率和网络调度速度。最后对多分辨率三维模型结果数据和其他基础数据进行集成及表达，设计并实现了一个实验演示系统以检验大规模三维城市场景的渲染效果。

  2.1  引言
  第1 章详细阐述了当前复杂建筑模型边折叠简化算法的发展和应用现状，并分析了各类简化方法存在的局限性，明确了复杂建筑模型快速简化的技术路线。本章从理论上介绍三维模型的数据基础，对.OBJ格式文件和其同名.MTL文件的数据结构进行了分析，阐述其特点，为后续对三维建筑模型简化提供理论支持。

  第 3 章 顾及角度误差的 QEM 模型简化算法

  3.6  简化结果及质量评价

  3.7  本章小结

  4.1引言

  4.2三维城市模型数据基础

  4.3三维城市模型数据划分及 LOD

  4.4城市空间数据组织

  4.5本章小结

  5.1 引言

  5.2 演示系统平台设计

  5.3 大规模城市场景渲染效果

  5.4 本章小结

  近年来，三维可视化技术渗透于社会生活的各个领域，应用范围越来越广，极大促进了数字城市和智慧城市的发展。获取城市空间数据进而建立城市三维地图是数字城市和智慧城市建设的基础。而三维建筑模型是城市空间数据的重要内容，随着测绘技术的进步测绘仪器愈发精密，所获取得到的三维建筑模型数据愈加精细和庞大，目前有限的计算机图形卡渲染能力和网络传输带宽还难以负载大规模城市场景的绘制带来的负担。在保证一定视觉效果的前提下，有必要对三维建筑模型进行不同程度的简化降低其计算机硬件和网络传输要求，以适应各种实际应用场景。本文在研究目前主流多分辨率绘制和三维模型边折叠简化算法等相关技术的基础上，针对三维复杂三维建筑物模型简化至低分辨率时存在模型网格质量降低、表面细节特征丢失等原因导致的视觉退化问题。提出了一种顾及角度误差的三维复杂模型边折叠简化算法，使简化后的模型具有良好的视觉效果。并在此基础上设计了城市三维建筑模型快速可视化系统。论文的主要创新点如下：（1）设计了一种顾及角度误差的网格模型边折叠简化算法。该算法针对三维建筑模型简化至低分辨率时模型网格质量降低、表面细节特征丢失等原因导致的视觉退化问题，在选取收缩边时预先加入了顶点约束处理，以减少需要折叠操作的边的数量；在二次误差测度算法的基础上引入顶点曲率、局部区域面积和角度误差加权，对生成新面片的旋转方向进行角度误差控制，以提高模型特征区域顶点的误差度量。对比实验表明，该算法有效减少了三维模型的数据量，且得到的简化建筑模型在窗户、门、墙面等特征区域保留了更多的细节特征，同等简化程度下相似度高于QEM算法，视觉效果上更加接近原始模型。（2）在上述工作内容的基础上，设计了面向城市空间数据的数据结构，并搭建实验演示系统进行大规模三维城市场景渲染实验。根据三维建筑模型数据特点和属性信息不同，分析三维建筑模型数据层次，对本文算法生成的三维建筑LOD模型进行组织管理；通过等经纬差网格划分建筑模型中心坐标的方法，实现三维建筑模型数据网格化存储，将不同作用范围的数据采用金字塔结构分层分块进行存储，以提高数据的索引效率和网络响应速度；基于B/S架构及Web GL三维渲染引擎，应用Com GIS技术开发了面向实际应用场景的三维城市场景基础资料系统。多组大规模三维城市场景渲染实验结果表明，该算法在保留场景中建筑模型重要几何特征的前提下，有效减少了系统绘制的图元数目，减轻了客户端的渲染压力，适用于渲染大规模三维城市场景。本文针对三维复杂三维建筑物模型简化至低分辨率时存在模型网格质量降低、表面细节特征丢失等原因导致的视觉退化问题。提出了一种顾及角度误差的三维复杂模型边折叠简化算法，使简化后的模型具有良好的视觉效果。并在此基础上设计了城市三维建筑模型快速可视化系统，后续的研究方向包括并不局限于以下：（1）简化算法对三维建筑网格模型的适用性较好。不同多分辨率简化算法的特点和适用范围不同，需要结合实际情况运用不同的简化算法，每种多分辨率简化算法本身存在对模型的适应性问题。（2）简化算法有必要对纹理贴图等视觉信息进行综合考虑。人眼对颜色比对形状更敏感，因为颜色变化剧烈的位置通常包含重要的视觉信息。除基于几何属性外，该算法还可以考虑如颜色、纹理等信息。考虑其他视觉信息如语义结构、颜色、纹理等信息的简化算法，其简化模型的视觉效果往往更加真实。