基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法及系统，其中该方法包括：分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数、顶层轮廓曲线函数和建筑物侧面变化曲线；将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数；再基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标；根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标；根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

说明书

技术领域

本发明属于建筑物模型设计领域，尤其涉及一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法及系统。

背景技术

建筑是一门艺术，是一个复杂的综合体，是“城市的雕塑”，它反映了人类文明的历史与科学技术的进步。随着时代的发展，建筑材料的多样化，现代建筑的造型不再是规则的长方体，而越来越趋向于多变造型，利用了曲面、非对称等多种造型手法，通过点、线、面、体彰显了现代建筑的特点。

现有的建筑物的三维模型构建方法都是采用规则形状来仿真的，但是这种使规则形状来仿真建筑物已经不能满足对多变造型的建筑物的建模仿真，缺乏真实感。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法。

本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数f(x,y)、顶层轮廓曲线函数g(x,y)和建筑物侧面变化曲线；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数k(t)；

再基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标(x,y)，其满足公式：F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)；

其中，A(x,y)为预设的中轴函数；R(x,y)为预设的旋转偏转函数；t为同伦映射函数的参数；k(t)和t取值范围均为[0,1]；k₁与k₂均为常系数，只取0或1；

根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标z；

根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值(x,y,z)，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

进一步的，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数的过程包括：

从获取的建筑物的底层平面图像和顶层平面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标；

根据建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标，分别进行曲线拟合，得到建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用曲线拟合，比如：多边形模拟，得到建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

进一步的，得到同伦映射函数的过程包括：

对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

进一步的，同伦映射函数k(t)满足：k(t)＝t。

这样使得同伦映射函数k(t)更加标准统一化，能够适用于各种形状的建筑物的三维模型的构建。

本发明的第二目的是提供一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统。

本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

轮廓曲线构建模块，其用于分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数f(x,y)、顶层轮廓曲线函数g(x,y)和建筑物侧面变化曲线；

同伦映射函数获取模块，其用于将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数k(t)；

控制点坐标计算模块，其用于基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标(x,y)，其满足公式：

F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)；

其中，A(x,y)为预设的中轴函数；R(x,y)为预设的旋转偏转函数；t为同伦映射函数的参数；k(t)和t取值范围均为[0,1]；k₁与k₂均为常系数，只取0或1；

根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标z；

三维模型获取模块，其用于根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值(x,y,z)，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

进一步的，在所述轮廓曲线构建模块中，从获取的建筑物的底层平面图像和顶层平面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标；

根据建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标，分别进行曲线拟合，得到建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用曲线拟合，比如：多边形模拟，得到建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

进一步的，在同伦映射函数获取模块中，对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

进一步的，在同伦映射函数获取模块中，同伦映射函数k(t)满足：k(t)＝t。

这样使得同伦映射函数k(t)更加标准统一化，能够适用于各种形状的建筑物的三维模型的构建。

本发明还提供了另一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统。

本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

图像采集装置，其被配置为：

获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像；

服务器，其被配置为：

接收建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数f(x,y)、顶层轮廓曲线函数g(x,y)和建筑物侧面变化曲线；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数k(t)；

再基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标(x,y)，其满足公式：F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)；

其中，A(x,y)为预设的中轴函数；R(x,y)为预设的旋转偏转函数；t为同伦映射函数的参数；k(t)和t取值范围均为[0,1]；k₁与k₂均为常系数，只取0或1；

根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标z；

根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值(x,y,z)，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

进一步的，所述服务器还被配置为：

从获取的建筑物的底层平面图像和顶层平面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标；

根据建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标，分别进行曲线拟合，得到建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

或所述服务器还被配置为：

对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明的有益效果为：

(1)利用改进同伦映射的算法对已有建筑物进行三维仿真建模，可以实现对非规则建筑物的仿真，解决了现有三维模型构建方法中不能对此类建筑物进行有效的仿真的问题，本发明利用同伦映射函数、建筑物底层轮廓曲线函数、顶层轮廓曲线函数、中轴函数和旋转函数，来绘制建筑物各个层轮廓曲线，这样更符合建筑物本身的结构特点，不仅加快了仿真建模的速度，还提高了三维仿真场景的真实感。

(2)本发明的基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法适用于单体各类高层建筑物设计。

附图说明

图1是本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法流程图；

图2(a)是本发明中实施例一建筑物的顶层轮廓示意图；

图2(b)是本发明中实施例一建筑物的底层轮廓示意图；

图3是本发明中根据给定曲线轮廓求出同伦映射函数的示意图；

图4是本发明中轮廓中心点的确定示意图；

图5是本发明中旋转偏移函数的获取示意图；

图6是本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

根据现有建筑物的特征及同伦映射的特点，发现影响建筑物的三维模型特征的主要有下面四个因素：S(shape形状)、A(Aixs中轴)、R(Rotate旋转)、M(Mapping Function)。

其中，轮廓形状：包括底层轮廓形状与顶层轮廓形状；

中轴线：建筑物的中轴线，可进行适当的平移等变换；

旋转：建筑物的中间轮廓可绕中轴线进行一定的旋转；

同伦映射函数：控制建筑物中间部分的轮廓变化趋势。

因此考虑到四个因素对建筑物的影响，将同伦映射方程设置为如式(1)所示

F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)>

其中f(x,y)为底层轮廓曲线函数，g(x,y)为顶层轮廓曲线函数，A(x,y)为中轴线函数，R(x,y)为旋转函数，k(t)为同伦映射函数，x,y为生成建筑物的底面在xy坐标平面上的坐标，z坐标方向表示建筑物的高度。t为同伦映射函数的参数，其取值范围为[0，1]。k₁与k₂为系数，只取0或1。分解为二维空间x,y坐标，则其方程如式(2)所示

图1是本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法流程图。

如图1所示，本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建方法，该方法在处理器或服务器内完成，具体包括：

S101：分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数f(x,y)、顶层轮廓曲线函数g(x,y)和建筑物侧面变化曲线。

其中，构建出建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数的过程包括：

从获取的建筑物的底层平面图像，如图2(a)所示；顶层平面图像，如图2(b)所示；，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标；

根据建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标，分别进行曲线拟合，得到建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用曲线拟合，比如：多边形模拟，得到建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

S102：将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数k(t)。如图3所示。

具体地，得到同伦映射函数的过程包括：

对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

优选地，同伦映射函数k(t)满足：k(t)＝t。

这样使得同伦映射函数k(t)更加标准统一化，能够适用于各种形状的建筑物的三维模型的构建。

S103：再基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标(x,y)，其满足公式：F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)；

其中，A(x,y)为预设的中轴函数；R(x,y)为预设的旋转偏转函数；t为同伦映射函数的参数；k(t)和t取值范围均为[0,1]；k₁与k₂均为常系数，只取0或1。

A(x,y)和R(x,y)均为已知的函数。其中，中轴线函数A(x,y)为：

其中A(x),A(y)求出的是每层的各点平移量。如图4所示，建筑物各层中心点的(x_i,y_i)坐标，如式(3)其中t_i＝i/n，i为第i层，n为整个建筑物的总楼层数，x方向的函数z_x(t_i)与y方向的函数z_y(t_i)可相同，也可不同。中心点(x_i,y_i)的位置移动，导致整个轮廓上的各控制点都要根据中心点的位移进行移动，因此各点的位置量如式(4)所示

一般情况下，k₂为0：

设旋转角度为θ，逆时针旋转为正。则每一层的旋转角度为α＝θ/n，n为整个建筑物的总楼层数。则旋转偏移函数R(x,y)如式(7)所示。

如图5所示，已知前一层的坐标为(x,y)，中心点的坐标为(x_c,y_c)。则根据二维变换的知识，按式(4)可求出(x',y')如式(6)，则偏移函数如式(7)所示。

S104：根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标z；

根据层高h，得到第i层曲线的z坐标值，z_i＝h*i。

S105：根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值(x,y,z)，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

本发明利用改进同伦映射的算法对已有建筑物进行三维仿真建模，可以实现对非规则建筑物的仿真，解决了现有三维模型构建方法中不能对此类建筑物进行有效的仿真的问题，本发明利用同伦映射函数、建筑物底层轮廓曲线函数、顶层轮廓曲线函数、中轴函数和旋转函数，来绘制建筑物各个层轮廓曲线，这样更符合建筑物本身的结构特点，不仅加快了仿真建模的速度，还提高了三维仿真场景的真实感。

图6是本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统结构示意图。

如图6所示，本发明的一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

轮廓曲线构建模块，其用于分别获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数f(x,y)、顶层轮廓曲线函数g(x,y)和建筑物侧面变化曲线；

同伦映射函数获取模块，其用于将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数k(t)；

控制点坐标计算模块，其用于基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标(x,y)，其满足公式：

F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)；

其中，A(x,y)为预设的中轴函数；R(x,y)为预设的旋转偏转函数；t为同伦映射函数的参数；k(t)和t取值范围均为[0,1]；k₁与k₂均为常系数，只取0或1；

根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标z；

三维模型获取模块，其用于根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值(x,y,z)，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

其中，在所述轮廓曲线构建模块中，从获取的建筑物的底层平面图像和顶层平面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标；

根据建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标，分别进行曲线拟合，得到建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数。

其中，顶层曲线的点列个数应与底层轮廓的点列个数完全相同。本发明利用曲线拟合，比如：多边形模拟，得到建筑物底层轮廓和建筑物顶层轮廓，得到更接近实际情况的轮廓曲线函数。

具体地，在同伦映射函数获取模块中，对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明利用同伦映射函数，将建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数映射到建筑物的各个层，这样更符合建筑物本身的结构特点，使得建立出的建筑物三维模型更具有真实感。

具体地，在同伦映射函数获取模块中，同伦映射函数k(t)满足：k(t)＝t。

这样使得同伦映射函数k(t)更加标准统一化，能够适用于各种形状的建筑物的三维模型的构建。

本发明的另一种基于改进同伦映射算法的建筑物三维模型构建系统，包括：

图像采集装置，其被配置为：

获取建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像；

服务器，其被配置为：

接收建筑物的底层平面图像、顶层平面图像和侧面图像，进而构建出建筑物底层轮廓曲线函数f(x,y)、顶层轮廓曲线函数g(x,y)和建筑物侧面变化曲线；

将建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行标准化，再进行曲线拟合得到同伦映射函数k(t)；

再基于改进同伦映射算法，得到建筑物的各层轮廓曲线上控制点的水平面二维坐标(x,y)，其满足公式：F(t,x,y)＝f(x,y)(1-k(t))+g(x,y)k(t)+k₁A(x,y)+k₂R(x,y)；

其中，A(x,y)为预设的中轴函数；R(x,y)为预设的旋转偏转函数；t为同伦映射函数的参数；k(t)和t取值范围均为[0,1]；k₁与k₂均为常系数，只取0或1；

根据建筑物的层数以及层高，得到建筑物的各个层轮廓曲线上的控制点的竖直坐标z；

根据建筑物的各个层轮廓线上控制点坐标值(x,y,z)，依次生成各层轮廓曲线，最终得到出整个建筑物的三维模型。

进一步的，所述服务器还被配置为：

从获取的建筑物的底层平面图像和顶层平面图像，进而确定出建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标；

根据建筑物底层轮廓的控制点坐标和顶层轮廓的控制点坐标，分别进行曲线拟合，得到建筑物底层轮廓曲线函数和顶层轮廓曲线函数；

或所述服务器还被配置为：

对标准化后的建筑物侧面变化曲线的控制点坐标进行指数拟合或傅立叶拟合或高斯拟合或插值拟合或多项式拟合，得到同伦映射函数。

本发明利用改进同伦映射的算法对已有建筑物进行三维仿真建模，可以实现对非规则建筑物的仿真，解决了现有三维模型构建方法中不能对此类建筑物进行有效的仿真的问题，本发明利用同伦映射函数、建筑物底层轮廓曲线函数、顶层轮廓曲线函数、中轴函数和旋转函数，来绘制建筑物各个层轮廓曲线，这样更符合建筑物本身的结构特点，不仅加快了仿真建模的速度，还提高了三维仿真场景的真实感。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。