3d building model simple

1. 保持几何特征的
三维建筑物模型简化方法
答 辩 人： kekec
指导老师： zq dzq
学科专业： 计算机应用技术
研究方向： 三维地理信息系统
时 间： 2012年5月26日
Wuhan University, LIESMARS

2. 主要内容
一． 绪论
二． 三维建筑物几何特征提取
三． 特征保持与简化算法
四． 简化实验及结果分析
五． 总结与展望

3. 1.1 研究背景
现有城市三维建筑物模型的结构复杂，数据量大，
难以满足三维导航等轻量化移动终端实时计算的要
求。三维建筑物模型简化是基本途径之一。

4. 1.2 难点问题
模型中存在大量拓扑错误：非流形，退化三角形，
开放边界（不闭合），网格质量，现有表面网格拓
扑错误较多，现有多边形网格模型简化方法难以有
效处理
三维建筑物模型的特点：明显的垂直棱角特征，
FootPrint开放边界，人字形屋顶等。现有算法在简
化过程中，难以保持住这些特征

5. 2.1 几何特征度量
尺度
最小体积包围盒 三角形面积和边长
曲度
表面法线
二面角 二次误差测度（QEM）

6. 2.2 高度语义特征
将各部件按照Z值高度进行排序，对不同高度的部
件进行有针对性地简化。
部件名称 高度层级
屋顶 上
烟囱 上
屋顶窗 上
墙壁立面 中
窗户 中
外墙修饰 中
门廊 下
台阶 下

7. 2.3 多部件聚合特征
在建筑物模型的生产过程中，建模人员会对建筑物外部的各个
部件进行分别建模，然后将这些几何部件Attach在一起，聚合
成一个完整的三维建筑物。这些几何部件包括：墙壁立面、屋
顶、门廊、窗户、台阶、屋顶窗、烟囱和外墙修饰等。

8. 2.4 特征提取
凸壳点
开放边界
轮廓线
角点 凸壳点
开放边界 轮廓线 角点

9. 凸壳点提取
落在凸壳上的点，对于保持三维建筑物模型的整体外观非常重
要，是模型的重要几何特征。

10. 开放边界提取
开放边界是一种典型非流形的情况，在开放边界处，模型的表
面失去了连续性。建模过程中产生的裂缝和底面FootPrint边界
是两种常见类型的开放边界。FootPrint作为建筑物轮廓重要特
征，在简化过程中，通过约束该边界来保持模型的几何外观。

11. 轮廓线提取
轮廓线是构成三维模型的
外部几何的线条，被广泛
地用于图形识别和特征匹
配等。通过计算所有多边
形表面相邻的面元的二面
角，当二面角小于某个角
度阈值时，则将相邻面元
之间的边认为是一条轮廓
线。

12. 角点提取
角点是多边形网格曲率变化剧烈的顶点，通过“顶点邻面法
线差角之和”的顶点曲度描述方法来进行建筑物角点的提取
。当差角之和为大于某个角度阈值时，则将该顶点认为是
一个角点。

13. 3.1 保特征的三维建筑物模型简化算法流程

14. 3.2 几何部件级别简化
部件分离
小部件过滤

15. 3.3 保特征QEM加权简化

16. QEM简化算法
QEM简化算法使用二次误差测度(Quadric error metric)来定义边的折
叠代价。通过折叠点对代价堆中最小代价点对来逐步化简模型。
QEM简化过程：
（1）计算所有顶点的二次误差测度矩阵
（2）计算所有点对折叠代价，并逐个压入点对代价堆（小根堆）
（3）从堆顶取出最小折叠代价点对进行折叠简化，并更新和调整点对
代价堆
（4）迭代执行过程（3），直到模型三角形数等于简化目标数为止

17. 特征点提取
三维建筑物模型具有丰富的几何特征，如：凸壳点、开放边、轮
廓线和角点等。如果对这些特征都进行保留，就难以对模型实施
简化。因此，需要从提取到的特征中进一步筛选出关键特征点。

18. 特征点提取（续）
从建筑物几何部件的底部向顶部进行特
征点的搜索，将特征点集分成三类：
① FootPrint特征点；
② 与FootPrint向上相连的最高顶点
③ 顶部角点特征点

19. 加权策略
用三角形面积对各顶点进行Q值加权：
Q(M) = SABM*Q(ABM) + SBCM*Q(BCM)
+ SCDM*Q(CDM) + SDEM*Q(DEM)
+ SEFM*Q(EFM) + SFAM*Q(FAM)
开发边界约束与加权：
其中， L为开放边的长度，为约束平面的Q值，w为约束加权值
裂缝开放边界：w=1.0；FootPrint开放边界：w=1000.0
点对折叠代价长度加权

20. 特征约束下的边折叠策略
输入点对(vi，vj) ：
vi 顶点类型 vj 顶点类型 折叠策略
非特征点 非特征点 最优放置策略计算折叠后顶点位置
非特征点 特征点 vi 折向 vj
特征点 非特征点 vj 折向 vi
特征点 特征点 不进行折叠

21. 4.1 单一建筑物简化实验
【简单】 【流形】三维建筑物模型 【复杂流形平顶】三维建筑物模型
简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度
简化前 1 34 64 100%
小部件剔除后 1 34 64 100%
保特征简化后 1 10 16 25%
简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度
简化前 13 400 748 100%
小部件剔除后 2 247 486 65.0%
保特征简化后 2 80 152 20.3%

22. 单一建筑物简化实验（续）
【复杂流形人字形屋顶】三维建筑物模型 【简单非流形】三维建筑物模型
简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度
简化前 3 48 69 100%
小部件剔除后 1 32 53 76.8%
保特征简化后 1 16 21 30.4%
简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度
简化前 58 1064 1896 100%
小部件剔除后 6 259 494 26.1%
保特征简化后 6 122 220 11.6%

23. 单一建筑物简化实验（续）
【复杂、非流形平顶】三维建筑物模型 【复杂、非流形人字形屋顶】三维建筑物模型
简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度 简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度
简化前 20 560 805 100% 简化前 31 673 911 100%
小部件剔除后 1 379 605 75.2% 小部件剔除后 3 229 322 35.3%
保特征简化后 1 119 177 22.0% 保特征简化后 3 94 101 11.1%

24. 4.2 批量建筑物简化实验
简化步骤 部件数 顶点数 三角形数 △简化程度
简化前 2376 48703 57450 100%
小部件剔除后 106 22670 31711 55.2%
保特征简化后 106 7447 9130 15.9%

25. 4.3 实验结论
简化方法对流形和非流形表面网格的平顶和人字形
屋顶的建筑物模型均有较好地适应性。经过两个层级的
简化之后，三维建筑物几何数据量为原来的10%-30%，
但模型的整体几何形态却保持良好。

26. 4.4 对比分析
原始模型 原始QEM简化后模型 本文方法简化后模型
本文方法在保持垂直棱角特征方面要优于原始QEM算法
与原始QEM算法相比，本文方法简化的轮廓边缘较整齐，碎面较少

27. 对比分析（续）
原始模型 原始QEM简化后模型 本文方法简化后模型
与原始QEM算法相比，本文方法将人字形屋顶整齐地由双层面简化成单层面
与原始QEM算法相比，将长度在阈值范围内的短棱边进行简化

28. 5.1 全文总结
1）针对三维城市建筑物模型的数据特点，本文提出一种保持几何特征的三维
建筑物模型简化方法。整个简化过程分成两个层级：首先，将模型的各个
部件提取出来，然后删除小体积的部件，实现第一层级的简化；其次，对
剩余的几何部件，进行关键特征点的提取，在QEM加权简化的过程中，使
用这些特征点对部件的整体形状进行约束，实现第二层级的简化。
2）使用多种三维建筑物模型进行简化实验，原始QEM算法进行对比分析，实
验结果表明：本文方法能大幅度提高简化的鲁棒性，降低对模型拓扑关系
约束的要求，能较好地适应模型的数据质量好坏情况，输出质量较高的简
化模型。

29. 5.2 研究展望
◆顾及颜色、材质和纹理等信息对三维建筑物模型进行保几何特征
简化。
◆顾及几何、语义与拓扑一致性的三维建筑物模型保几何特征简
化。

30. 感谢各位老师、同学！
请大家批评指正！
Wuhan University, LIESMARS