[发明专利]基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法

说明书

技术领域

本发明是一种三维建筑物模型的自动修复算法，其主要应用于三维城市、虚拟现实、数字城市以及智慧城市等领域。

背景技术

由于三维城市模型能够完备的表达现实城市环境，因此在智慧城市、智能交通、无人驾驶、基于位置的服务、地籍管理、基础设施规划和管理等诸多领域都有着重要的应用。近十年来，三维城市的建设成为了全球的热点，针对其几何、拓扑和语义信息的表达也已制订了国际标准，如《城市地理标记语言》(CityGML) 和《ISO16739工业基础类》(IFC)。据不完全统计，我国各大城市已完成或者在建三维城市项目近百个，投资规模超百亿，在世界上规模居领先。

但与此同时，当前规范化的三维城市建模细则还不完善，建模手段多样，人工、自动方式并存，且缺乏对建成模型有效的质量检查，导致当前多数三维城市建设仍仅以满足可视效果为主，无法保证模型数据内在的正确性。视觉效果逼真的三维城市模型在计算机看来仅仅是一堆无序的面片，这样的模型数据无法被用来支持进一步的空间分析和计算。因此，当前多数三维建筑物模型缺乏对正确三维空间信息的把握，制约后续的定量精细化应用，需要研究对其进行自动修复的算法。

发明内容

本发明提出一种基于启发式的包络侵蚀的三维建筑物模型修复方法。该方法区别于传统的三维模型自动修复的方法，即通过检测模型中的几何以及拓扑错误，如洞、相交、非流形等，针对特定的错误进行局部修复，而是利用带有约束的四面体剖分，对三维建筑物模型整体进行空间剖分，而后利用侵蚀将模型外围的四面体进行逐步删减，最终达到对正确三维建筑物模型的二维流形边界的表达。该方法避免了局部修复广泛存在的稳定性差的问题，并且避免了传统基于体素的全局修复带来的表达失真的问题。而且利用启发式算法和几何、拓扑正确性约束，能够保证在侵蚀的过程中优先对最佳四面体候选对象进行处理，效率高且修复成功率大。

本发明所采用的技术方案是：

基于启发式包络侵蚀的三维建筑物模型自动修复方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对输入的三维建筑物模型进行几何剖分，保证图元的拓扑正确性；

步骤2、对剖分后的三维建筑物模型进行约束的四面体剖分，实现对三维模型的空间的完整表达；

步骤3、提取三维模型空间的边界四面体，设计对四面体的逐步侵蚀和保持算法；

步骤4、设计启发式侵蚀策略以及对四面体侵蚀的正确性约束；

步骤5、实现对侵蚀结果四面体的边界提取以及对语义信息的保持和修复。

(步骤3、步骤4为本发明技术方案体现创造性的关键步骤)

本发明的特点是：

1、算法鲁棒，不会在修复的过程中引入新的错误；

2、能够对任意三维(建筑物)模型进行修复，得到二维流形的表面；

3、能够对三维建筑物模型的几何、拓扑和语义进行统一的修复，最终得到标准的CityGML模型。

附图说明

图1为本发明方法技术方案流程示意图

图2三维建筑物模型剖分和预处理示意

图3三维模型三角形剖分算法流程示意图

图4三维模型约束四面体剖分示意

图5四面体数据结构示意

图6四面体侵蚀修复算法流程图

图7四面体侵蚀与保持示意

图8面片的拓扑约束示意

图9边的拓扑约束示意

图10顶点的拓扑约束示意

图11语义信息推断方法示意

图12为利用法线朝向进行语义信息推断示意图

具体实施方式

基于本发明技术方案，以下结合附图对本发明技术方案做更为详细的介绍。

图2三维建筑物模型剖分和预处理示意，a)输入模型几何；b)三角化结果； c)相交面片剖分；d)三角形质量优化。

图4三维模型约束四面体剖分示意，a)输入模型；b)约束四面体化结果表面；c)约束四面体化内部四面体。

图7四面体侵蚀与保持示意a)当前候选四面体；b)侵蚀候选四面体；c)保持当前候选四面体。

图8面片的拓扑约束示意a)当前候选四面体；b)对候选四面体侵蚀后导致锚三角形成为悬挂面。