基于点云的中国唐朝风格的古建筑建模方法研究

摘要

相对于我国古代先进的建筑技术成就,我国在古建筑的计算机建模还比较落后,急需利用现代信息技术手段,对古建筑的保护和开发进行探索和研究。本文选取唐朝风格的古建筑(简称古建筑)为研究对象,以激光扫描仪获取其表面的3D点云信息,研究了这种古建筑的3D重建的方法,并对其中的关键技术进行了探索,取得了一定的效果。论文取得的主要研究成果如下:
　　1、研究了古建筑3D点云模型的分割。古建筑的点云数据包括大量冗余的背景数据且结构复杂,难以直接用于三维重建。为此,本文在保持建筑物高度方向数据精度的前提下,利用古建筑的分层结构特点以及层内自身的相似性特点,在对数据分层的基础上,并对相似层进行聚类,如屋顶,地基和圆柱等等。最后得到组成古建筑物不同层的3D点云的子集,为古建筑的重建提供支撑。
　　2、研究了古建筑点云数据的补洞。由于扫描角度及精度造成了吉建筑点云数据的缺失,需对分割之后的各层的3D点云模型进行数据填补。本文利用古建筑几何对称性,通过Hough变换检测出相邻面相互对称的对称轴,分离出古建筑四面数据。在数据分层的基础上,对古建筑单侧的各层数据,求取相邻面关于此面对称的数据点以及与此面中心对称的数据点,从而完成此面各层数据点的填补。在这基础上,利用上述方法得到整个古建筑的数据点,完成古建筑点云的补洞,为其古建筑重建奠定基础。实验结果表明此方法效果赵好。
　　3、研究了古建筑3D模型的重建。古建筑结构比较复杂,很难进行整体重建,针对此间题,本文将其重建分为初等解析曲面重建和自由曲面重建。初等解析曲面一般是由平面和圆柱面等组成,例如古建筑中的地基、圆柱等。本文采用Hough变换识别线特征求取各个直线相交的交点,得到地基的网格模型,完成地基的重建;通过点之间的距离聚类分离出每个圆,利用最小二乘法拟合其圆,得到圆柱的网格模型完成圆柱的重建。对于重建比较复杂自由曲面(例如屋顶,门和窗户等),本文基于古建筑相邻面之间对称的对称轴,按照各层数据点斜率增长方向进行采样取点,形成四边形网格模型,从而完成重建。实验结果表明该方法能更好地重建出屋顶、屋顶之间的曲面和圆柱后面的门及其窗户。最后,基于各层3D点云模型的建模结果,利用各层之间的拓扑关系,通过组合的方式,得到了古建筑的整体建模结果。
　　4、完成了古建筑的真实感绘制。针对古建筑结构比较复杂,不能直接进行纹理映射,本文首先将纹理图像分解成各层3D点云模型所对应的子纹理图像,然后利用纹理映射技术,通过各层3D网格模型中的各个四边形的顶点坐标与纹理元素坐标一一对应,完成古建筑的纹理映射,实现各层3D点云模型的纹理映射。最后利用各层之间的拓扑关系,通过组合的方式,最终得到了古建筑的整体纹理映射结果,完成古建筑的真实感绘制。从实验结果观察得到,古建筑的重建效果比较真实。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2建筑物重建研究现状

1.3本文研究的主要内容与结构安排

1.4 本章小结

2 古建筑构件的分割与补洞

2.1 点集分割

2.2 补洞

2.3 本章小结

3 三维重建

3.1 初等解析曲面重建

3.2 自由曲面重建

3.3 自由曲面重建优化

3.4 本章小结

4真实感绘制

4.1 方法概述

4.2 纹理生成

4.3 纹理映射

4.4 实验结果

4.5 本章小结

5 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的科研成果