[发明专利]一种拓扑关系保持的三维建筑物简化方法及系统

说明书

为解决现有三维模型简化方法在简化建筑物模型时容易导致的组件脱离以及建筑物拓扑关系的破坏等问题，本发明提出了一种拓扑关系保持的建筑物简化方法及系统。首先将建筑物划分为不同的组件，再基于相交检测方法进行顶点识别，分为边界点、孔洞点和普通点；在考虑顶点类型的同时，引入边折叠夹角定义一种新的误差度量，以限制组件边界的简化；最后根据新的误差度量计算边折叠耗费并依次执行边折叠操作以完成简化过程。与传统方法相比，本发明在保持建筑物外观的同时能够有效避免拓扑关系的破坏，使得不同LOD层次间的通视分析具有比较好的一致性。

技术领域

本发明属于计算机图形学与虚拟地理环境领域，具体涉及一种拓扑关系保持的三维建筑物简化方法及系统。

背景技术

三维城市场景因其能够提供易于感知和理解的真实场景，在城市应用中日益突出。建筑物模型是三维城市场景的重要组成部分之一，能否在交互过程中实现建筑物高效的渲染直接影响着用户的最终体验。随着三维建模手段的多样化，特别是激光雷达和航空摄影测量技术的快速发展，三维建筑模型的数据量急剧增加。虽然现代计算机硬件的计算能力提升巨大，但仍无法满足数据爆炸式增长引发的需求，给三维模型的实时渲染带来了极大的困难。这个问题的主要解决方案是使用细节层次模型，即LOD(Level of Details)。使用多细节层次的三维模型能有效减少渲染所需的数据量，提高渲染效率。此外，在许多空间分析应用中，多细节层次模型也具有不可替代的作用，如在大规模城市场景下进行通视分析时，使用LOD模型能够有效提升空间分析的效率，因此保持不同LOD层次空间分析的一致性是必要的。

生成不同层次LOD的核心是简化算法。三维模型的简化算法一直是计算机图形学领域的研究热点，目前已发展出许多经典的简化算法，但这些算法大多针对的是自由曲面模型。由于三维建筑物本身特有的几何约束关系(垂直、平行和共面关系)，学者们也提出了一系列专门针对三维建筑物的简化算法，能够较好的保持建筑物的外观特征。由近年来在建筑设计领域得到广泛应用的程序建模过程可知，建筑物模型大多是利用组件逐步建立的，其中每一个组件都是独立的格网(图1的(b))。然而现有算法在简化上述多组件模型时未考虑组件的拓扑连接关系，容易导致相邻组件脱离，产生裂缝(图1的(c))，致使建筑物不同LOD层级间拓扑关系不一致，在此基础上进行的三维通视分析也可能会结论不一致。虽然也有一些方法考虑到了建筑物的拓扑关系，但主要用于三维建筑物模型重构，且对数据集有较为严格的要求。总体而言，针对多组件建筑物考虑拓扑关系的简化研究还有待深入。

发明内容

发明目的：针对现有三维建筑物模型简化方法在可视化效果以及空间分析方面的缺陷，本发明公开了一种考虑建筑物组件拓扑关系的建筑物简化方法及系统，在保持建筑物外观的同时有效避免了简化过程中不同LOD层次间的拓扑不一致问题，使得在此之上进行的三维通视分析具有比较好的一致性。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种拓扑关系保持的三维建筑物简化方法，包含以下步骤：

(1)按照建筑物格网是否连通将建筑物划分为不同的组件；

(2)基于相交检测方法对建筑物顶点进行分类与识别，分为边界点、孔洞点以及普通点；所述边界点是指与相邻组件相交的边中位于相交组件内部的顶点；所述孔洞点是指仅有一个邻域三角形的边的两个顶点；除边界点和孔洞点之外的点均为普通点；

(3)引入边折叠夹角定义新的边折叠误差度量公式，对于边界点折叠，在QEM算法的基础上增加代价倍数，所述代价倍数为基础耗费倍率与边折叠夹角余弦值的比值；所述边折叠夹角为边界边与相交三角形的夹角；

(4)根据误差度量计算边折叠耗费并依次执行边折叠操作以完成简化过程。

进一步地，步骤(1)中具体包括：

(1.1)遍历建筑物所有格网，生成点集合P并将所有顶点标记为未访问；