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三维建筑模型快速简化关键技术研究

三维建筑模型快速简化关键技术研究

作者：李少卿北京建筑大学

学位级别：硕士

三维数字化模型复杂度和数据密度的日益增长给计算机存储、显示、传输和渲染等方面带来了巨大压力。构建三维城市的复杂场景往往需要海量多源异构的空间数据配合使用,三维建筑模型是其不可或缺的要素。为了获取适合多种场景使用的建筑模... 详细信息

三维数字化模型复杂度和数据密度的日益增长给计算机存储、显示、传输和渲染等方面带来了巨大压力。构建三维城市的复杂场景往往需要海量多源异构的空间数据配合使用,三维建筑模型是其不可或缺的要素。为了获取适合多种场景使用的建筑模型,需要对原始高分辨率网格模型建立不同的层次细节模型(Level Of Detail,LOD)。如何针对模型不同的复杂性,定量优化LOD模型的细节水平,自适应的保留重要特征并减少不必要的冗余,以符合人对其认知过程的层次性,是Web3D展示的重要技术内容。LOD模型的建立,首先面临网格简化的问题。网格简化方法即在保留模型的重要几何和视觉特征的前提下,有条件的精简次要细节,以降低复杂模型计算复杂度。常见的网格简化算法以简化机制分类,可以分为增量式简化算法(Incremental Decimation)、顶点聚类算法(Vertex Clustering)、采样算法(Sampling)和自适应细分算法(Adaptive Subdivision)。其中,边折叠(Edge collapse)算法属于增量式简化中的一种,该算法简化模型时计算速度快、鲁棒性好,但进行大幅度简化时可能会出现模型细节特征丢失问题。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,并在此基础上设计了城市三维建筑模型快速可视化系统。论文的主要内容如下:(1)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。该算法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,提高计算性能;在二次误差测度算法的基础上引入角度误差加权,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,更好的保留模型表面细部特征。(2)研究三维空间数据存储技术。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,设计了面向三维建筑模型的数据结构,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。(3)设计三维建筑模型实验演示系统。针对以上研究内容,基于B/S架构及WebGL三维渲染引擎开发了具有实用价值的三维城市场景统一表达系统,实验表明,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,适用于渲染大规模三维城市场景。

关键词：三维建筑模型模型简化边折叠算法误差度量城市三维场景多尺度表达

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顾及纹理特征的三维建筑模型简化技术研究

顾及纹理特征的三维建筑模型简化技术研究

作者：赵天铭北京建筑大学

学位级别：硕士

2019年自然资源部在《自然资源部信息化建设总体方案》中提出要“形成全覆盖的三维自然资源数据底板”和“推进三维实景数据库建设”。实景三维是国家重要的新型基础设施,为数字中国提供统一的空间定位框架与分析基础。实景三维模型可... 详细信息

2019年自然资源部在《自然资源部信息化建设总体方案》中提出要“形成全覆盖的三维自然资源数据底板”和“推进三维实景数据库建设”。实景三维是国家重要的新型基础设施,为数字中国提供统一的空间定位框架与分析基础。实景三维模型可以与基础地理信息数据相结合,服务于城市规划、建设、管理等方面。三维建筑模型作为实景三维模型的重要组成部分,伴随数据采集技术的飞速发展,呈现出精细和复杂的数据特征及更大的数据量,对现有的高分辨率三维建筑模型数据处理、存储和数据传输提出了新的挑战。目前学界的主要解决方案是使用多细节层次模型(Level Of Detail,LOD)来对三维建筑模型进行表达,再使用符合三维建筑模型结构的数据组织与管理方法来进行数据管理,以此来解决解决大范围的城市三维建筑模型数据的查询索引和计算效率低的问题。生成LOD的关键是对模型进行简化操作来降低模型复杂度,从而达到减少模型数据量的目的,但是现有三维建筑模型简化方法往往忽略了纹理因素,导致简化后的模型出现纹理失真和细节特征丢失的问题。在大范围城市场景下,如何高效地对多分辨率三维建筑模型数据进行存储、管理、查询和计算,也是面临的难题之一。针对上述问题,本文开展了顾及纹理特征的三维建筑模型简化技术研究,重点研究模型的简化和模型数据的组织管理,具体包含一种基于“局部-顶点”纹理特征的三维建筑模型网格简化算法和基于全球位置网格的多分辨率三维建筑模型数据组织与管理方法。在三维建筑模型简化过程中引入纹理要素,发展了一种顾及纹理特征的模型简化方法,在尽可能减少模型的数据量和复杂度的前提下,保留模型的重要几何和视觉特征。在此基础上,聚焦三维建筑模型的数据组织与管理需求,本文进一步引入GeoSOT(Geographic Coordinate Subdividing Grid with One-Dimension Integer Coding on 2n Tree)全球位置网格来对多分辨率三维建筑模型进行组织与管理,从而实现多分辨率三维建筑模型数据的层次化管理,以此提升对建筑物模型的查询检索和计算效率。本文的主要研究进展如下:(1)提出一种顾及纹理特征的三维建筑模型简化算法。针对现有三维建筑模型简化算法不能很好的保留模型细节特征和容易造成纹理失真的问题,提出了一种基于“局部-顶点”纹理特征的三维建筑模型网格简化算法。该算法使用几何因子和纹理因子优化二次误差度量,能够最大程度地保留原始三维建筑模型的外观,并使得三维建筑模型纹理信息丰富区域得到更加完整的保留,从而达到更好的可视化效果。(2)设计一种基于全球位置网格的多分辨率三维建筑模型数据组织与管理方法。利用GeoSOT网格编码的递归性和全球唯一性,建立城市要素集、区域要素集、独立要素的三层结构,从而实现大范围的三维建筑模型的组织管理,并以此方法为基础,使用关系型数据库Postgre SQL建立三维建筑模型数据库来进行实验验证。(3)构建基于全球位置网格的Web GIS可视化实验系统。以基于GeoSOT网格的多分辨率三维建筑模型数据组织管理方法为基础,设计一个用于三维建筑模型查询检索、测量、分析的Web GIS可视化系统,为大范围的三维城市场景可视化提供支撑。本文提出的高质量的三维建筑模型简化算法和多分辨率三维建筑模型组织与管理方法,能够满足不同规模和复杂度的实景三维建设需求,可以为多源异构数据的协同更新和城市三维模型数据的系统性管理提供解决方案,为管理、存储、集成、可视化地理空间数据提供支持。

关键词：模型简化三维建筑模型纹理特征 GeoSOT网格数据组织与管理

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网格化三维建筑模型数据组织及管理技术研究

网格化三维建筑模型数据组织及管理技术研究

作者：丁晗东南大学

学位级别：硕士

随着移动通信技术、三维图形渲染技术和地理信息系统的发展,移动三维技术逐渐成为GIS研究中的热点。由于移动设备存储和运算能力有限,很多移动三维应用都采用了客户端/服务器模式,并且三维移动GIS服务器端研究都是基于市场上各大平台库... 详细信息

随着移动通信技术、三维图形渲染技术和地理信息系统的发展,移动三维技术逐渐成为GIS研究中的热点。由于移动设备存储和运算能力有限,很多移动三维应用都采用了客户端/服务器模式,并且三维移动GIS服务器端研究都是基于市场上各大平台库进行的二次开发,可移植性和灵活性不好。因此,本文基于B/S架构,依赖Web服务器平台无关性,建立面向移动客户端的三维建筑模型服务器体系,实现三维建筑模型服务器端的数据存储及调度。本文的研究内容如下:(1)研究三维建筑物数据模型及多分辨率生成算法。研究现有三维数据模型理论,提出面向对象的三维建筑物数据模型,利用已有二维矢量数据,结合SketchUp和ArcGIS,构建三维建筑物数据模型。分析各种多分辨率生成算法优缺点,基于obj文件存储三角网格模型数据的特点,采用半边折叠算法,实现三维建筑模型几何数据的简化,并且不对顶点索引号进行更新,使得多分辨率三维建筑模型共用一套顶点索引数据,更便于数据的存储和调度。(2)设计面向三维建筑模型数据的数据库系统。研究三维空间数据存储技术,针对“去IOE化”的时代需求及地域范围广的特性,提出了网格划分城市范围的方法,根据城市三维建筑模型文件的特点,将不同作用范围的数据分开存储,设计三维建筑物模型数据库表结构,实现三维建筑模型数据的网格化存储。(3)研究服务器端数据调度技术。研究国内外空间索引方法,针对建筑模型的空间立体特点,构建基于模型平面MBR中心点的KD树,提出了网格索引与KD树索引相结合的索引策略,提高了模型数据索引效率。基于三维建筑模型数据库存储结构,设计了服务器端内存缓存和磁盘缓存相结合的缓存方式,设计适用于本文数据库服务器系统的数据调度算法,提高了模型数据调度效率,实现三维建筑模型已检索数据的重复利用以及目标模型数据的高效调度。(4)设计三维建筑模型Web服务器架构。结合软件系统体系结构,基于Java Web架构及MVC模式,设计三维建筑模型Web服务器端架构,针对JavaEE框架维持数据库连接带来的内存开销问题,开发适合本文的轻量级数据库访问框架,简化数据库操作。研究http通信技术,针对B/S架构只面向浏览器客户端的问题,设计Web服务器通信模块,完成对移动客户端数据请求的响应,通过响应耗时的实验分析,验证本文Web服务器架构下的调度策略及缓存技术能够减少一半的响应时间。本文实现了移动三维GIS下的服务器端网格化三维建筑模型数据存储及管理的关键技术研究,设计开发了基于B/S架构的服务端体系,数据存储及调度效率高,功能运行良好。

关键词：三维建筑模型网格多分辨率算法数据库系统浏览器/服务器

基于Cesium的多尺度城市三维建筑模型可视化

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北京测绘 2021年第3期35卷 312-316页

作者：陈浩艾廷华武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430079

城市空间信息平台的建设既要考虑宏观上的大区域空间格局分析,也要有微观层上的细节化信息分析,因此产生多尺度空间表达的需要。三维空间数据的多尺度表达,不同于二维数据,不仅要顾及输入数据的粒度特征,还要顾及可视化渲染软件平台的... 详细信息

城市空间信息平台的建设既要考虑宏观上的大区域空间格局分析,也要有微观层上的细节化信息分析,因此产生多尺度空间表达的需要。三维空间数据的多尺度表达,不同于二维数据,不仅要顾及输入数据的粒度特征,还要顾及可视化渲染软件平台的技术特征。鉴于Cesium成为三维空间数据可视化表达的重要平台,本研究基于Cesium系统平台及其三维可视化空间数据渲染基础功能,提出一种城市建筑物三维地图综合及多尺度可视化的方法,基于空间邻近、形状细节特征构建多层次二维数据基础,然后在多分辨率三维视觉感知条件下,实现三维建筑物的多粒度可视化渲染。

关键词：三维建筑模型三维制图综合 Cesium

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三维建筑模型的规则化重构方法

小型微型计算机系统 2021年第3期42卷 550-555页

作者：陈佳舟陆鹏飞徐阳辉王宇航金灵枫李凯勇秦绪佳浙江工业大学计算机科学与技术学院杭州310012 东南数字经济发展研究院数字空间技术研发中心浙江衢州324000 青海民族大学物理与电子信息工程学院青海西宁810007

基于无人机照片的倾斜摄影测量技术能够快速重建大量三维建筑模型;但这些模型数据量大、噪声多,极大阻碍了在智慧城市中的应用.针对倾斜摄影测量重建的三维建筑模型屋顶重建精度较高的特点,提出一种基于屋顶轮廓线的三维建筑模型规则化... 详细信息

基于无人机照片的倾斜摄影测量技术能够快速重建大量三维建筑模型;但这些模型数据量大、噪声多,极大阻碍了在智慧城市中的应用.针对倾斜摄影测量重建的三维建筑模型屋顶重建精度较高的特点,提出一种基于屋顶轮廓线的三维建筑模型规则化重构方法.首先分割屋顶并提取屋顶的外轮廓线;接着通过改进的平面拟合提取屋顶的内轮廓线;然后由屋顶内外轮廓线进一步拟合出屋顶平面几何基元;最后,针对屋顶中太阳能、烟囱等的非平面部分,进行补充规则化处理,重构出数据小、噪声少的三维建筑模型.本文方法能够将三维建筑模型自动地重构为规则的建筑体,不依赖用户交互和先验信息.大量实验证明了本文方法的有效性、高效性和鲁棒性.

关键词：模型重构三维建筑模型建筑屋顶聚类规则化

基于3DS MAX上网络仿真课题三维建筑模型及场景建设

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太原城市职业技术学院学报 2010年第6期 174-175页

作者：薛媛媛山西交通职业技术学院山西太原030031

文章主要讨论了基于3DSMAX虚拟现实技术上在网络仿真课题中,如何创建建筑模型、室内空间场景和相关动画,以及在创建建筑模型和动画的过程中产生的主要问题。最终通过对3DSMAX仿真场景在虚拟现实中的应用,创建一个虚拟的网络实训基地。

关键词： 3DSMAX 三维建筑模型虚拟网络空间

基于Sketchup利用大比例尺地形图制作城市三维建筑模型的方法

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城市勘测 2013年第2期 58-61页

作者：李想李海亭刘扬张春奎中国人民解放军61363部队武汉市测绘研究院西安市勘察测绘院

目前,三维模型数据快速生产是三维GIS建设面临的主要问题。而Sketchup作为一款方便易用的三维建模软,在构建大区域三维建模工程时,能够有效提高建模速度和建模质量,避免同类设计制作软件的复杂性,提高建模工作效率。本文通过实例,探讨... 详细信息

目前,三维模型数据快速生产是三维GIS建设面临的主要问题。而Sketchup作为一款方便易用的三维建模软,在构建大区域三维建模工程时,能够有效提高建模速度和建模质量,避免同类设计制作软件的复杂性,提高建模工作效率。本文通过实例,探讨了基于Sketchup利用大比例尺地形图制作三维建筑模型的技术方法和流程,为从事三维GIS模型数据生产者提供些许参考。

关键词：三维GIS Sketchup 大比例尺地形图三维建筑模型

基于AutoCAD的快速生成三维建筑模型技术研究

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新技术新工艺 2022年第6期414卷 51-54页

作者：杨波樊超群中国电子科技集团第二十八研究所江苏南京210004

为满足消防和公安等实时精确三维建筑模型的需求,研究快速生成精确三维建筑模型的方法,采取AutoCAD图样与AutoCAD的.NET二次开发技术相结合的方式,通过导入楼层图样,提取图层信息,对图层进行要素分类,输出所有楼层信息生成包含三维建筑... 详细信息

为满足消防和公安等实时精确三维建筑模型的需求,研究快速生成精确三维建筑模型的方法,采取AutoCAD图样与AutoCAD的.NET二次开发技术相结合的方式,通过导入楼层图样,提取图层信息,对图层进行要素分类,输出所有楼层信息生成包含三维建筑模型要素的中间文件,再通过三维软件导入中间文件,解析模型要素后自动生成精确的三维建筑模型。该技术需要二维和三维2种软件相结合,操作界面简单,容易快速上手,能够满足现场需要快速依据电子图样生成三维模型的需求。

关键词：三维建筑模型 AutoCAD图样二次开发模型要素

基于Maya和Virtools虚拟现实三维建筑模型建模技术

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信息与电脑 2022年第21期34卷 82-84页

作者：何梦雪江苏财经职业技术学院江苏淮安223003

为创建三维建筑动态视景以及为用户提供沉浸式虚拟环境体验,现以Maya和Virtools两种设计软件应用为例,设计一套行之有效的虚拟现实三维建筑模型建模方案。首先,结合虚拟现实技术、三维建模技术等相关技术,从数据采集、数据优化处理、模... 详细信息

为创建三维建筑动态视景以及为用户提供沉浸式虚拟环境体验,现以Maya和Virtools两种设计软件应用为例,设计一套行之有效的虚拟现实三维建筑模型建模方案。首先,结合虚拟现实技术、三维建模技术等相关技术,从数据采集、数据优化处理、模型创建和材质贴图4个方面入手,使用Maya设计软件创建虚拟现实三维建筑模型。其次,从Virtools简介、Virtools导入模型、模型控制与整合等方面入手,使用Virtools设计软件控制三维建筑模型。最后,进行对比实验。结果表明:在以上两种设计软件的应用背景下,所设计的虚拟现实三维建筑模型建模方案具有较高的可靠性和可行性,完成了对三维建筑模型的科学构建,为人们提供身临其境的感觉,完全符合实际应用需求。希望通过这次研究,为技术人员提供有效的借鉴和参考。

关键词： Maya Virtools 三维建筑模型建模技术