[发明专利]一种基于实例的大规模场景合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于实例的大规模场景合成方法，属于计算机软件和计算机图形学技术领域，具体地说，是一种运用计算机进行模型分析、推理建模和优化组合等过程扩展实例模型的规模以生成更大规模的场景模型的方法。

背景技术

在数字娱乐、虚拟现实等领域中，构建大规模复杂几何模型如城市、山地已经成为丰富用户体验的必要手段，工业领域、数字遗产保护等领域对三维模型的需求也日益增强。现有建模方法往往采用标准CAD建模工具，其操作流程复杂导致用户需要经过大量时间的培训，且在构建复杂模型时建模效率低下因而难以满足实际应用领域的需要。因此，在复杂几何建模过程引入自动或半自动机制可以简化用户交互负担成为一种新的技术趋势。

已有的自动化建模方法包括基于扫描数据的重建方法和过程化建模方法。基于扫描数据的重建方法包括文献1：Nan L.L.,Andrei S.,Zhang H.,Cohen-Or D.,Chen B.Q.,SmartBoxes for Interactive Urban Reconstruction,Proceedings SIGGRAPH2010,Article93等，这类方法需要昂贵的设备进行数据的捕获，且大规模点云数据的处理对计算机硬件有很高的要求，三维点云数据固有的歧义性和噪音也对重建模型的质量有较强的影响，因而此类方法不适合直接进行交互式的场景建模；过程化建模方法如文献2：MullerP.,Wonka P.,Haegler,S.,Ulmer,A.,and Gool L.V.,Procedural modeling of buildings.ACM Transaction of Graphics,25(3)614–623,2006.等方法根据手工定义的模型构造规则采用推理方法自动创建复杂的模型，这类方法对用户交互负担小，且无需昂贵的捕获和计算设备，因而成为创建复杂场景的强有力工具。然而，其构造规则定义的复杂性和抽象性使得用户难以直观控制过程化建模结果。

近年来，过程化建模方法采用模型分析技术自动的构造模型构造规则，从而避免了繁琐的手工定义过程。文献3：Merrell P.Example-based model synthesis.Proceedings ofthe2007symposium on Interactive3D Graphics and Games.2007,105-112提出了模型合成方法，其可利用离散的三维实例模型自身结构相似性生成大规模三维场景模型。这种方法仅需用户提供小的场景模型即可完成任意大场景的自动合成，为大规模复杂场景建模提供了一种便捷的途径。已有模型合成方法仅满足于寻找符合实例模型邻接约束的一个可行解，无法完整体现实例模型的其他构造特点。本专利在现有模型合成方法的基础上，引入全局优化组合机制以保证建模结果满足用户所提供实例的结构特征。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于实例的模型合成方法，该方法能根据用户提供的实例模型自动合成更大规模的模型或场景。

技术方案：本发明公开了一种基于实例的大规模场景合成方法，包括以下步骤：

步骤一，实例分析：给定一个实例场景模型，计算实例场景模型的构造单元集合及构造单元之间的约束关系；

步骤二，目标模型构造过程的参数化建模：给定目标模型的规模，生成Petri网结构表示目标模型构造单元的组合过程，并描述建模过程；

步骤三，基于人工免疫的组合优化：使用人工免疫算法对参数化的构造过程进行优化以得到与实例场景模型的结构特征最为相似的模型。

本发明步骤一中，包括以下步骤：

使用对称单元检测算法提取实例场景模型的自相似单元，根据自相似单元的大小和位置信息构造等间隔的三组正交平面组以分割实例场景模型，各组平面分别以X轴、Y轴和Z轴方向为法方向，其平面数目分别为N_x,N_y和N_z，由此建立实例场景模型的构造单元集合{M_[i,j,k]|1≤i≤N_x,1≤j≤N_y,1≤k≤N_z}，其中，M_[i,j,k]为一个构造单元，i，j和k分别表示该构造单元沿X轴、Y轴和Z轴的序数；