建築物三維模型構建方法及系統的製作方法

2023-05-24 19:59:46 3

專利名稱：建築物三維模型構建方法及系統的製作方法
建築物三維模型構建方法及系統
技術領域：
本發明 涉及計算機應用領域，尤其涉及一種建築物三維模型構建方法及系統。背景技術：
隨著遙感測量、雷射掃描、虛擬實境等技術的迅速發展，以及「數字地球」概念的提 出，「智慧城市」建設悄然興起。2009年溫家寶總理提出「感知中國」以來，「智慧城市」建設 在全國開展。建立城市場景的三維模型是「智慧城市」建設的重要內容與必要步驟，而城市場景 中的建築物三維建模則是「智慧城市」建設的關鍵環節。一直以來三維城市模型的數據獲 取是一項投資巨大、技術要求複雜的工程，其技術水平是影響三維城市模型建設與更新工 作效率的重要制約因素。最近幾年，雷射掃描系統在三維空間目標的獲取方面取得了較為廣泛的應用，根 據搭載平臺的不同，雷射掃描系統可以分為機載雷射掃描系統、車載雷射掃描系統和地面 雷射掃描系統。目前，對城市建立三維模型大多採用機載雷射掃描系統，利用掃描數據進行 構建，或者結合圖像和掃描數據進行構建。但是，由於機載雷射掃描系統獲取的掃描數據本身的限制，構建後的模板比較粗 糙，一般僅包含建築物的輪廓信息，缺乏牆面細節結構，構建效果較差。結合圖像和掃描數 據的構建，雖然可以部分恢復牆面細節結構，但是需要尋找圖像和三維掃描點的匹配，計算 繁瑣，工作量大，且計算精度不高，構建效率同樣低下，從而嚴重影響了「智慧城市」的建設。

發明內容有鑑於此，有必要針對上述建築物構建繁瑣、效率低下且精度差的問題，提供一種 快速便捷且精確的建築物三維模型構建方法。此外，有必要提供一種快速便捷且精確的建築物三維模型構建系統。一種建築物三維模型構建方法，包括如下步驟獲取建築物的三維點雲數據；對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面；檢測並提取平面點雲的邊界；構建建築物表面重複單元的模板；將重複單元的模板組合併對齊；結合用戶對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置；將模板自動拷貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲邊界對模板進 行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元。優選的，所述檢測並提取平面點雲的邊界的步驟具體為將平面點雲劃分為等間距的條帶；計算每個條帶內點的數目，得到點分布的直方根據點分布的直方圖計算點分布的梯度，梯度取極大值處為點雲邊界，提取所述 邊界。優選的，所述構建建築物表面重複單元的模板的步驟具體為根據重複單元幾何結構前表面上點雲的分布確定模板前表面在寬度和高度兩個 維度中的尺寸，模板深度由另一表面的點確定或者由用戶根據需要設定。優選的，所述將重複單元的模板組合併對齊的步驟具體為獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進行組合，標記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權平均位置，進行對 齊。優選的，所述結合用戶對單個或組合的模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在 位置的步驟具體為獲取用戶將模板由一個實例拖拽到下一個實例位置附近所產生的偏移量，將所述 偏移量作為基準，預測重複單元各個實例所在位置。優選的，所述將模板自動拷貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲 邊界對模板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元 的步驟具體為在預測的實例所在位置兩倍於模板包圍盒的範圍內檢測各個平面點雲的邊界；利用所述邊界對模板進行平移、縮放、旋轉中的一種或者兩種以上幾何變換；獲得幾何變換後的所有模板，並將其作為實例的候選對象；對候選對象進行打分篩選，選取得分最高者，作為實例的擬合和精確定位結果。優選的，所述候選對象為以下六種中任意一種或者兩種以上對模板無幾何變換，分布和幾何尺寸嚴格規則的候選對象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對齊所 獲得的候選對象；任取相互垂直的一對邊界，將模板平移至與該對邊界對齊所獲得的候選對象；任取一對與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在排列方向不 做縮放所獲得的候選對象；任取一對與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在垂直於排列 方向上不做縮放所獲得的候選對象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對，將模板縮放至與四條邊界均對齊所獲 得的候選對象。優選的，對所述候選對象打分具體包括數據擬合，檢測支持候選對象點的可信度和支持候選對象的邊的可信度；規則性，檢測候選對象與模板幾何尺寸的相似度和候選對象與相鄰實例的規則度。優選的，還包括對構建出的建築物表面重複單元進行布局優化的步驟；具體為 以點雲和建築物結構規則性作為約束對構建出的建築物重複單元進行布局優化。一種建築物三維模型構建系統，包括點雲獲取模塊，用於獲取建築物的三維點雲數據；
點雲數據處理模塊，用於對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面，檢測並提 取平面點雲的邊界；模板建立模塊，用於構建建築物表面重複單元的模板；模板處理模塊，用於將重複單元的模板組合併且對齊；重複單元 定位模塊，用於結合用戶對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單元各 個實例所在位置，將模板自動拷貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲邊界 對模板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元。優選的，所述點雲數據處理模塊將平面點雲劃分為等間距的條帶，計算每個條帶 內點的數目，得出點分布的直方圖，根據點分布的直方圖計算點分布的梯度，梯度取極大值 處為點雲邊界，提取所述邊界。優選的，所述模板建立模塊根據重複單元幾何結構前表面上點雲的分布確定模板 前表面在寬和高兩個維度中的尺寸，模板深度由另一表面的點確定或者由用戶根據需要設定。 優選的，所述模板處理模塊獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進行組合，標 記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權平均位置，進行對 齊。優選的，所述重複單元定位模塊獲取用戶將模板由一個實例拖拽到下一個實例位 置附近所產生的偏移量，將所述偏移量作為基準，預測重複單元各個實例所在位置；在預測的各個實例所在位置兩倍於模板包圍盒的範圍內檢測各個平面點雲的邊 界；利用所述邊界對模板進行平移、縮放、旋轉中的一種或者兩種以上幾何變換；獲得經幾何變換後的模板，並將其作為實例的候選對象；對候選對象進行打分篩選，選取得分最高者，作為實例的擬合和精確定位結果。優選的，所述候選對象包括以下六種中的任意一種或者兩種以上對模板無幾何變換，分布和幾何尺寸嚴格規則的候選對象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對齊所 獲得的候選對象；任取相互垂直的一對邊界，將模板平移至與該對邊界對齊所獲得的候選對象；任取一對與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在排列方向不 做縮放所獲得的候選對象；任取一對與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在垂直於排列 方向上不做縮放所獲得的候選對象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對，將模板縮放至與四條邊界均對齊所獲 得的候選對象。優選的，所述重複單元定位模塊對所述候選對象打分包括數據擬合，檢測支持候選對象點的可信度和支持候選對象的邊的可信度；規則性，檢測候選對象與模板幾何尺寸的相似度和候選對象與其相鄰實例的規則度。
優選的，還包括布局優化模塊，用於以點雲和建築物結構規則性作為約束對構建出的建築物表面 重複單元進行布局優化。上述建築物三維模型構建方法及系統，根據建築物表面具有重複單元的特點首先建立重複單元結構的模板，然後結合用戶對模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置， 自動將模板複製到該位置，利用提取的邊界對模板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和 精確定位，構建出建築物表面重複單元從而構建出建築物的三維模型。構建中，通過用戶簡 單的拖拽交互，大大減小了重建過程中的搜索範圍，實現了重複單元的自動重建，降低了重 建的工作量，提高了建築物構建的精度和速度，更加簡單快捷、有效、真實準確的實現對建 築物模型的構建和再現，大大節約了成本。

圖1是一個實施例中建築物三維模型構建方法流程圖；圖2是一個實施例中檢測平面點雲邊界的方法流程圖；圖3是一個實施例中對重複單元進行布局優化的示意圖；圖4是一個實施例中的建築物三維模型構建系統結構示意圖。
具體實施方式下面結合附圖，通過對本發明的具體實施方式
詳細描述，將使本發明的技術方案 及其有益效果顯而易見。圖1是一個實施例中建築物三維模型構建方法流程圖，該方法包括如下步驟SlO 獲取建築物的三維點雲數據。該實施例中，利用車載雷射掃描系統對建築物進行掃描，獲取三維點雲數據。車載 雷射掃描系統能夠快速、高效的獲取建築物的三維點雲數據，且獲取的三維點雲數據中包 含建築物的更多細節信息。其他實施例中，也可採用其他方式(例如機載)掃描系統對建築物進行掃描，獲取 三維點雲數據。S20 對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面。對獲取的三維點雲數據，採用RANSAC技術提取三維點雲數據所包含的建築物幾 何機構中的所有平面，並對每個平面隨機分配一個顏色，便於在後續建模過程中更好的區 分各個平面。S30 檢測並提取平面點雲的邊界。圖2是一個實施例中檢測及提取平面點雲邊界的方法流程圖，該方法包括如下步 驟S31 將平面點雲劃分為等間距的條帶。S32 計算每個條帶內點的數目，得到點分布的直方圖。S33:根據點分布的直方圖計算點分布的梯度，梯度取極大值處為平面點雲邊界， 提取該邊界。S40 構建建築物表面重複單元的模板。
通常建築物表面有很多樓層，每個樓層上具有與其他樓層相同的重複出現的單 元，比如陽臺、窗戶、陽臺欄杆等，稱為重複單元。其中，某個樓層的某個陽臺、窗戶等稱為重 復單元的實例。在對建築物三維模型構建過程中，對重複單元建立模板，然後對建立的模板 進行拖拽(用戶進行拖拽)，由一個實例拷貝到其他實例所在位置，估測所有實例的位置， 對重複單元所有實例進行構建，大大提高構建效率。由於車載雷射掃描系統獲得的三維點雲數據在建築物重複單元幾何結構的前表 面包含較為密集的點，側面和背面基本沒有點，故可根據幾何結構前表面上點雲的分布確 定重複單元模板在寬和高兩個維度中的尺寸。該實施例中，根據距離使用者的遠近確定 幾何結構的前後表面，近者為前表面，遠者為後表面(也可以通過用戶的交互指定前後表 面)。利用前表面上檢測出的橫向和縱向的邊界確定模板(長方體)的寬度和高度。模板 的深度可由另一表面(側面或者牆表面)的點確定，也可由用戶根據需要指定。在其他實施方式中，建築物表面重複單元的模板也可由用戶根據需求或者根據建 築物表面重複單元的真實情況(由拍攝建築物的照片或者影像獲取)，通過自我設計來構 建。構建後，將用戶構建的模板導入到重複單元實例所在位置。S50 將重複單元的模板組合併對齊。為進一步實現建築物的快速構建，對重複單元建立模板後，根據實際情形將屬於 同一組合的重複單元模板組合併對齊，比如陽臺底面、陽臺窗戶以及陽臺欄杆在實際中通 常組合出現在一起。在構建中，將陽臺底面、陽臺窗戶以及陽臺欄杆等模板進行組合，標記 為一組。在此後的操作中，對該組合進行拖拽拷貝，同時完成對多個重複單元的構建。在該實施例中，將多個重複單元結構的模板組合的具體步驟為獲取用戶圈選 (利用OpenGL選擇機制)的所有模板，將選中的模板進行組合，標記為一組，作為一個整體。重複單元模板組合後，需要對組合中的各個模板按照實際的分布狀況和建築物的 布局特徵(對稱性和規則性)進行對齊，使其符合建築物的構建特徵。對齊的方法具體為 將組合中平行且距離接近的面片平移到這些面片的面積加權平均位置。S60 結合用戶對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置。該實施例中，獲取用戶將模板由一個實例拖拽到下一個實例位置附近所產生的偏 移量，並以此偏移量作為基準，預測重複單元各個實例所在位置，縮小構建過程中的搜索範 圍，提高效率。在其他實施方式中，也可由用戶將模板拖拽到重複單元所有實例位置；或者初始 設定偏移量，根據偏移量對模板進行拷貝。S70:將模板自動拷貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲邊界對模 板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元。預測各個實例所在位置後，模板會被自動複製到預測的各個實例所在位置。由於 建立的模板以及預測的重複單元實例所在位置可能與實例實際的結構和位置存在偏差，故 還需對各個實例進行準確的擬合以及精確定位。該實施例中，對各個實例進行擬合和精確定位，其方法具體為在預測的實例所在位置兩倍於模板包圍盒的範圍內檢測並提取各個平面點雲的 邊界，利用這些邊界對模板進行平移、縮放、旋轉等幾何變換，獲得經幾何變換後的模板，並 將其作為重複單元實例的候選對象。
對候選對象進行打分篩選，選取得分最高者作為實例的擬合和精確定位結果，構 建出重複單元各個實例，從而構建出建築物表面重複單元。所有重複單元構建出後即構建 出建築物的三維模型。由於利用所有獲取的邊界對模板進行幾何變化，每個實例的候選對象比較多，優 選的考慮以下六類候選對象(1)對模板無幾何變換，分布和幾何尺寸嚴格規則的候選對象。此類候選對象與已 經定位好的前一實例(或者模板)尺寸相等且等間距排列。(2)任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對 齊所獲得的候選對象。此類候選對象與已經定位好的前一實例尺寸相等、嚴格對齊但間距不等。(3)任取相互垂直的一對邊界，將模板至與該對邊界對齊所獲得的候選對象。(4)任取一對與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在排列方 向不做縮放所獲得的候選對象。(5)任取一對與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在垂直於 排列方向上不做縮放所獲得的候選對象。(6)任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對，將模板縮放至與四條邊界均對齊 所獲得的候選對象。在獲取大量候選對象後，需要對候選對象進行打分篩選，選取得分最高者作為實 例的擬合和精確定位結果。在優選的實施方式中，對候選對象進行打分採用如下方法，該方法由兩部分組 成1、數據擬合(a)支持該候選對象點的可信度。該實施方式中，採用位於該候選對象幾何結構前 表面單位面積內點的數目來判斷，數目越大，可信度越高。(b)支持該候選對象的邊的可信度，即點雲中支持該候選對象的所有邊和該候選 對象中相應邊長度比(若大於1則取其倒數)之和。和越大，可信度越高。2、規則性(a)該候選對象與模板幾何尺寸的相似度。該實施方式中，採用該候選對象與模板 對應邊長度之比(大於1則取其倒數)的和來度量。和越大則相似度越高。(b)該候選對象與相鄰實例的規則性。該實施方式中，採用與相鄰實例的間距、對 齊程度來衡量。在對候選對象進行數據擬合和規則性兩部分打分之後，將每一項的得分進行歸一 化處理，計算候選對象的加權平均分。其中，權重可由用戶根據具體的情況調整。將加權平 均分最高的候選對象作為實例的擬合和精確定位結果(將加權平均分最高的候選對象作 為實例的準確結構)。S80 對構建出的建築物表面重複單元進行布局優化。建築物重複單元所有實例擬合和精確定位後，建築物重複單元即構建出來。但各 個實例之間會存在間距或者對齊不規則的狀況，故根據建築物表面結構的布局特點(如對 齊排列、等間距排列)，還需以點雲和建築物結構規則性作為約束對重複單元的布局進行優化，以更大程度的提高精度。圖3是一個實施例中對重複單元進行布局優化的示意圖。圖中每個矩形代表實例 結構中的一個長方體結構，Pi和P」分別代表相鄰兩個實例對應平面的中心位置，是這組 平面的法向量，(；和。分別是從點雲中估算得到的平面中心位置。為了使得這組平面對齊， 只需將Pi和Pj沿方向調整即可，在調整過程中要兼顧新位置對點雲的擬合。其中，優化過程中涉及兩個位置約束，分別為位置約束(點雲擬合)Pi = Ci對齊約束 = 0綜合以上兩個約束，可以得到待求解的目標函數為 式中Wd和W。分別是點雲擬合和對齊約束的權重。通過最小化該函數，可以得到各 重複單元新的空間位置。最小化過程可以轉化為一個線性方程組進行求解，轉化後的方程 組如下 此外，還提供一種建築物三維模型構建系統。圖4是一個實施例中的建築物三維模型構建系統結構示意圖。該系統包括點雲獲 取模塊410、點雲數據處理模塊420、模板建立模塊430、模板處理模塊440、重複單元定位模 塊450以及布局優化模塊460。點雲獲取模塊410用於獲取建築物的三維點雲數據。該實施例中，點雲獲取模塊410利用車載雷射掃描系統對建築物進行掃描，獲取 三維點雲數據。車載雷射掃描系統能夠快速、高效的獲取建築物的三維點雲數據，且獲取的 三維點雲數據中包含建築物的更多細節信息。其他實施例中，點雲獲取模塊410也可採用其他方式(例如機載)掃描系統對建 築物進行掃描，獲取三維點雲數據。點雲數據處理模塊420用於對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面，檢測並提取平面點雲的邊界。該實施例中，點雲數據處理模塊420採用RANSAC技術提取建築物三維點雲中的所 有平面，然後對每個平面隨機分配一個顏色，便於在後續建模過程中區別於其他平面。點雲數據處理模塊420將平面點雲劃分為等間距的條帶，計算每個條帶內點的數 目，得出點分布的直方圖，然後根據點分布的直方圖計算點分布的梯度，梯度取極大值處為 平面點雲邊界，最後提取這些邊界。模板建立模塊430用於構建建築物表面重複單元的模板。建築物表面通常具有很多樓層，每個樓層上具有與其他樓層相同的重複出現的單 元，比如陽臺、窗戶、陽臺欄杆等，稱為重複單元。其中，某個樓層的陽臺、窗戶稱為重複單 元的實例。在構建過程中，對重複單元建立模板然後對建立的模板進行拖拽(用戶進行拖 拽)，由一個實例拷貝到其他實例所在位置，估測所有實例的位置，對重複單元所有實例進 行構建，大大提高構建效率。由於車載雷射掃描系統獲得的三維點雲數據在建築物重複單元幾何結構的前表 面包含較為密集的點，側面和背面基本沒有點，故模板建立模塊430根據幾何結構前表面 上點雲的分布確定重複單元模板在寬和高兩個維度中的尺寸。該實施例中，模板建立模塊 430根據距離使用者的遠近確定幾何結構的前後表面，近者為前表面，遠者為後表面(也可 以通過用戶的交互指定前後表面)。利用前表面上檢測出的橫向和縱向的邊界確定建築物 幾何結構模塊(長方體)的寬度和高度。模板的深度可由另一表面(側面或者牆表面)的 點確定，也可由用戶根據需要指定。在其他實施方式中，建築物表面重複單元的模板也可由用戶根據需求或者根據建 築物表面重複單元的真實情況(由拍攝建築物的照片或者影像獲取)，通過自我設計來構 建。構建中，將用戶構建的模板導入到重複單元實例所在位置。模板處理模塊440用於將重複單元的模板組合併對齊。為進一步實現建築物的快速構建，對重複單元建立模板後，根據實際情形將屬於 同一組合的重複單元模板組合併對齊，比如陽臺底面、陽臺窗戶以及陽臺欄杆等模板進行 組合，標記為一組。在構建中，將陽臺底面、陽臺窗戶以及陽臺欄杆等模板進行組合，標記為 一組。在此後的操作中，對該組合進行拖拽拷貝，同時完成對多個重複單元的構建。在該實施例中，模板處理模塊440獲取用戶圖選(利用OpenGL選擇機制)的所有 模板，將選中的模板進行組合，標記為一組，作為一個整體。重複單元組合後，需要對組合中的模板按照實際的分布狀況和建築物的布局特徵 (對稱性和規則性)進行對齊，使其符合建築物的構建特徵。模板處理模塊440將組合中平 行且距離接近的面片平移到這些面片的面積加權平均位置進行對齊。重複單元定位模塊450用於結合使用者對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單 元各個實例所在位置，將模板拷貝到預測的各個實例所在位置並在該位置利用提取的平面 點雲邊界對模板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位。該實施例中，重複單元定位模塊450獲取用戶將模板由一個實例拖拽到下一個實 例位置附近所產生的偏移量，並以此偏移量作為基準，預測重複單元各個實例所在位置，縮 小構建過程中的搜索範圍，提高效率。在其他實施方式中，重複單元定位模塊450也可根據初始設定偏移量，對模板進行拷貝。預測各個實例所在位置後，模板會被自動複製到預測的各個實例所在位置。由於建立的模板以及預測的實例所在位置可能與實例實際的結構和位置存在偏差，故還需對各 個實例進行擬合以及精確定位。重複單元定位模塊450在預測的實例所在位置兩倍於模板包圍盒的範圍內檢測 並提取各個平面點雲的邊界，利用這些邊界對模板進行平移、縮放、旋轉等幾何變換，獲得 經幾何變換後的模板，並將其作為重複單元實例的候選對象。然後對候選對象進行打分篩 選，選取得分最高者作為實例的擬合和精確定位結果，構建出重複單元各個實例，從而構建 出建築物表面重複單元。由於利用所有獲取的邊界對模板進行幾何變換，每個實例的候選對象比較多，優 選的考慮以下六類候選對象(1)對模板無幾何變換，分布和幾何尺寸嚴格規則的候選對象。此類候選對象與已 經定位好的前一實例(或者模板)尺寸相等且間距排列。(2)任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對 齊所獲得的候選對象。此類候選對象與已經定位好的前一實例尺寸相等、嚴格對齊但間距不等。(3)任取相互垂直的一對邊界，將模板平移至與該對邊界對齊所獲得的候選對象。(4)任取一對與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在排列方 向不做縮放所獲得的候選對象。(5)任取一對與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在垂直於 排列方向上不做縮放所獲得的候選對象。(6)任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對，將模板縮放至與四條邊界均對齊 所獲得的候選對象。在獲取大量候選對象後，重複單元定位模塊450對候選對象進行打分篩選，獲取 得分最高者作為實例的擬合和精確定位結果。在優選的實施方式中，重複單元定位模塊450對候選對象進行打分由兩部分組 成1、數據擬合(a)支持該候選對象點的可信度。該實施方式中，重複單元定位模塊450根據位於 該候選對象幾何結構前表面單位面積內點的數目來判斷，數目越大，可信度越高。(b)支持該候選對象的邊的可信度，即點雲中支持該候選對象的所有邊和該候選 對象中相應邊長度比(若大於1則取其倒數)之和。和越大，可信度越高。2、規則性(a)該候選對象與模板幾何尺寸的相似度。該實施方式中，採用該候選對象與模板 對應邊長度之比(大於1則取其倒數)的和來度量。和越大則相似度越高。(b)該候選對象與相鄰實例的規則性。該實施方式中，採用與相鄰實例的間距、對 齊程度來衡量。在對候選對象進行數據擬合和規則性兩部分打分之後，將每一項的得分進行歸一 化處理，計算候選對象的加權平均分。其中，權重可由用戶根據具體的情況調整。將加權平均分最高的候選對象作為實例的擬合和精確定位結果。(將加權平均分最高的候選對象所 在位置為實例準確位置，完成對實例的擬合和精確定位)。布局優化模塊460用於對構建出的建築物表面重複單元進行布局優化。建築物重複單元精確定位後，各個實例之間會存在間距或者對齊不規則的狀況， 布局優化模塊460根據建築物表面結構的布局特點(如對齊排列、等間距排列)，以點雲和 建築物結構規則性作為約束對重複單元的布局進行優化，以更大程度的提高精度。如圖3所示，圖中每個矩形代表實例結構中一個長方體結構，Pi和P」分別代表相 鄰兩個實例中對應平面的中心位置，是這組平面的法向量,Ci和&分別是從點雲中估算 得到的平面中心位置。為了使得這組平面對齊，布局優化模塊460將Pi和P」沿方向調 整，且在調整過程中要兼顧新位置對點雲的擬合。其中，布局優化模塊460調整過程中涉及兩個位置約束，分別為位置約束(點雲擬合)Pi = Ci對齊約束 = 0綜合以上兩個約束，可以得到待求解的目標函數為 式中Wd和W。分別是點雲擬合和對齊約束的權重。通過最小化該函數，可以得到重 復單元實例新的空間位置。最小化過程可以轉化為一個線性方程組進行求解，轉化後的方 程組如下 上述建築物三維模型構建方法及系統，根據建築物表面具有重複單元的特點首先 建立重複單元結構的模板，然後結合用戶對模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置， 自動將模板複製到該位置，利用提取的邊界對模板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和 精確定位，構建出建築物表面重複單元從而構建出建築物的三維模型。構建中，通過用戶簡單的拖拽交互，大大減小了重建過程中的搜索範圍，實現了重複單元的自動重建，降低了重 建的工作量，提高了建築物構建的精度和速度，更加簡單快捷、有效、真實準確的實現對建 築物模型的構建和再現，大大節約了成本。 以上所述實施例僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能 因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範 圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
一種建築物三維模型構建方法，其特徵在於，包括如下步驟獲取建築物的三維點雲數據；對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面；檢測並提取平面點雲的邊界；構建建築物表面重複單元的模板；將重複單元的模板組合併對齊；結合用戶對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置；將模板自動拷貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲邊界對模板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元。
2.根據權利要求1所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，所述檢測並提取平面 點雲的邊界的步驟具體為將平面點雲劃分為等間距的條帶；計算每個條帶內點的數目，得到點分布的直方圖；根據點分布的直方圖計算點分布的梯度，梯度取極大值處為點雲邊界，提取所述邊界。
3.根據權利要求1所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，所述構建建築物表面 重複單元的模板的步驟具體為根據重複單元幾何結構前表面上點雲的分布確定模板前表面在寬度和高度兩個維度 中的尺寸，模板深度由另一表面的點確定或者由用戶根據需要設定。
4.根據權利要求1所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，所述將重複單元的模 板組合併對齊的步驟具體為獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進行組合，標記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權平均位置，進行對齊。
5.根據權利要求1所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，所述結合用戶對單個 或組合的模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置的步驟具體為獲取用戶將模板由一個實例拖拽到下一個實例位置附近所產生的偏移量，將所述偏移 量作為基準，預測重複單元各個實例所在位置。
6.根據權利要求1或5所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，所述將模板自動拷 貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲邊界對模板進行幾何變換，對各個實 例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元的步驟具體為在預測的實例所在位置兩倍於模板包圍盒的範圍內檢測各個平面點雲的邊界； 利用所述邊界對模板進行平移、縮放、旋轉中的一種或者兩種以上幾何變換； 獲得幾何變換後的所有模板，並將其作為實例的候選對象； 對候選對象進行打分篩選，選取得分最高者，作為實例的擬合和精確定位結果。
7.根據權利要求6所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，所述候選對象為以下 六種中任意一種或者兩種以上對模板無幾何變換，分布和幾何尺寸嚴格規則的候選對象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對齊所獲得 的候選對象；任取相互垂直的一對邊界，將模板平移至與該對邊界對齊所獲得的候選對象；任取一對與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在排列方向不做縮 放所獲得的候選對象；任取一對與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在垂直於排列方向 上不做縮放所獲得的候選對象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對，將模板縮放至與四條邊界均對齊所獲得的 候選對象。
8.根據權利要求6所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，對所述候選對象打分 具體包括數據擬合，檢測支持候選對象點的可信度和支持候選對象的邊的可信度； 規則性，檢測候選對象與模板幾何尺寸的相似度和候選對象與相鄰實例的規則度。
9.根據權利要求1所述建築物三維模型構建方法，其特徵在於，還包括對構建出的建 築物表面重複單元進行布局優化的步驟；具體為以點雲和建築物結構規則性作為約束對 構建出的建築物重複單元進行布局優化。
10.一種建築物三維模型構建系統，其特徵在於，包括 點雲獲取模塊，用於獲取建築物的三維點雲數據；點雲數據處理模塊，用於對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面，檢測並提取平 面點雲的邊界；模板建立模塊，用於構建建築物表面重複單元的模板； 模板處理模塊，用於將重複單元的模板組合併且對齊；重複單元定位模塊，用於結合用戶對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單元各個實 例所在位置，將模板自動拷貝到預測的各個實例所在位置，利用提取的平面點雲邊界對模 板進行幾何變換，對各個實例進行擬合和精確定位，構建出建築物表面重複單元。
11.根據權利要求10所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，所述點雲數據處理 模塊將平面點雲劃分為等間距的條帶，計算每個條帶內點的數目，得出點分布的直方圖，根 據點分布的直方圖計算點分布的梯度，梯度取極大值處為點雲邊界，提取所述邊界。
12.根據權利要求10所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，所述模板建立模塊 根據重複單元幾何結構前表面上點雲的分布確定模板前表面在寬和高兩個維度中的尺寸， 模板深度由另一表面的點確定或者由用戶根據需要設定。
13.根據權利要求10所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，所述模板處理模塊 獲取用戶圈選的所有模板，將選中的模板進行組合，標記為一組；將組合中平行且距離接近的面片平移到所述面片的面積加權平均位置，進行對齊。
14.根據權利要求10所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，所述重複單元定位 模塊獲取用戶將模板由一個實例拖拽到下一個實例位置附近所產生的偏移量，將所述偏移 量作為基準，預測重複單元各個實例所在位置；在預測的實例所在位置兩倍於模板包圍盒的範圍內檢測各個平面點雲的邊界； 利用所述邊界對模板進行平移、縮放、旋轉中的一種或者兩種以上幾何變換； 獲得經幾何變換後的模板，並將其作為實例的候選對象； 對候選對象進行打分篩選，選取得分最高者，作為實例的擬合和精確定位結果。
15.根據權利要求14所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，所述候選對象包括以下六種中的任意一種或者兩種以上對模板無幾何變換，分布和幾何尺寸嚴格規則的候選對象；任取一條與排列方向垂直的邊界，將模板在排列方向上平移至與該條邊界對齊所獲得 的候選對象；任取相互垂直的一對邊界，將模板平移至與該對邊界對齊所獲得的候選對象；任取一對與排列方向平行的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在排列方向不做縮 放所獲得的候選對象；任取一對與排列方向垂直的邊界，將模板縮放至與該對邊界對齊但在垂直於排列方向 上不做縮放所獲得的候選對象；任取與排列方向垂直和平行的邊界各一對，將模板縮放至與四條邊界均對齊所獲得的 候選對象。
16.根據權利要求14所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，所述重複單元定位 模塊對所述候選對象打分包括數據擬合，檢測支持候選對象點的可信度和支持候選對象的邊的可信度；規則性，檢測候選對象與模板幾何尺寸的相似度和候選對象與其相鄰實例的規則度。
17.根據權利要求10所述建築物三維模型構建系統，其特徵在於，還包括布局優化模塊，用於以點雲和建築物結構規則性作為約束對構建出的建築物表面重複 單元進行布局優化。
全文摘要
本發明涉及一種建築物三維模型構建方法及系統，該方法包括獲取建築物的三維點雲數據；對三維點雲數據進行處理，提取點雲中的平面；檢測並提取平面點雲的邊界；構建建築物表面重複單元的模板；將重複單元模板組合併對齊；結合用戶對單個或者組合模板的拖拽，預測重複單元各個實例所在位置；將模板自動拷貝到所在位置，利用提取的邊界對模板進行幾何變換，對實例進行擬合和精確定位，構建出重複單元。本發明建築物三維模型構建中，通過用戶簡單的拖拽交互，大大減小了重建過程的搜索範圍，實現了重複單元的自動重建，降低了重建的工作量，提高了建築物構建的精度和速度，更加簡單快捷、有效、真實準確的實現對建築物模型的構建，大大節約了成本。
文檔編號G06T17/00GK101887597SQ201010220298
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者南亮亮, 程章林, 陳寶權 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院