一种用于建筑场景的三维构建方法与流程

本发明涉及三维构建领域，尤其涉及一种用于建筑场景的三维构建方法。

背景技术：

1、随着技术的不断进步和市场的扩大，三维重建技术预计将在未来发挥更加重要的作用，为建筑和其他相关行业带来革命性的发展。

2、中国专利申请公开号为cn101290222a，公开了一种通过真正射影像快速构建三维建筑物场景的方法，该方法包括：（1)通过真正射影像提取建筑物顶面，得到平面矢量图形，同时得到矢量的平面坐标；（2)对步骤（1)中得到的平面矢量图形分别进行建筑物顶面多边形三角化处理和地面多边形三角化处理，并结合数字表面模型数据和数字高程模型数据进行高程读取，生成建筑物模型和地面模型；（3)将建筑物模型和地面模型组合生成三维场景模型（4)将三维建筑物模型与真正射影像进行纹理映射叠加，生成三维建筑物场景效果图。

3、在现有技术中通过对数字表面模型数据和数字高程模型数据进行高程读取，生成建筑物模型和地面模型并将其组合生成三维场景模型，并未对场景进行具体分析与处理，导致建筑模型不够精确、清晰。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种用于建筑场景的三维构建方法，可以解决建筑场景时，面临着计算量大、渲染速度慢的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于建筑场景的渲染方法，包括：

3、将建筑场景转换为可处理的点云数据，对点云数据进行分析，根据分析结果提取建筑场景的关键点和法线信息；

4、以所述关键点作为中心点运用全息投影摄取所述建筑场景，以获取建筑映射场景，基于所述关键点和所述法线信息，利用高斯散射函数对所述建筑映射场景进行处理，用以模糊映射细节，保留映射中的场景轮廓；

5、根据所述建筑场景中的每个建筑构件的中心点和环境光照，并利用所述高斯散射函数和所述环境光照计算所述每个建筑构件的高斯基元，通过最小体积单元将建筑构件的映射以高斯分布的形式构建连续三维空间，并且每个高斯基元均包含参数信息，且每个高斯基元的参数信息与所述建筑构件的参数信息满足等比例对应关系；

6、利用3d平滑滤波器和2d mip技术对所述每个建筑构件的高斯基元进行优化，以消除高斯基元的失真部分；

7、基于优化后的高斯基元构建与所述建筑场景相同的3d模型；

8、将所述3d模型中的高斯基元利用光栅化处理，以确定哪些像素是可见的，对可见像素进行分析，根据分析结果对每个可见像素进行着色，以得到渲染场景。

9、进一步地，根据分析结果提取建筑场景的关键点和法线信息的步骤包括：

10、对点云数据进行去噪、滤波和清洗处理；

11、根据所述对点云数据的处理，识别点云数据中的特征点，所述特征点包括角点、边缘点或平面区域；

12、根据所述点云数据中的特征点构建建筑场景的三维网格模型；

13、根据所述三维网格模型检测关键点，对所述每个关键点进行局部平面拟合和计算法线信息。

14、进一步地，所述高斯散射函数的计算过程包括：

15、利用光学模拟软件工具中内置的多种散射模型和算法，计算高斯分布的标准差；并根据所述关键点在三维网格模型中的空间位置，通过所述高斯散射函数，计算所述关键点的高斯散射值，高斯散射函数为：

16、

17、其中，为高斯分布的标准差，x为所述关键点在三维网格模型中的横坐标，y为所述关键点在三维网格模型中的纵坐标，z为所述关键点在三维网格模型中的竖直坐标。

18、进一步地，利用所述高斯散射函数和所述环境光照计算所述每个建筑构件的高斯基元的步骤包括：

19、利用计算机视觉技术分析建筑场景中的光照环境，以确定入射光的强度，基于所述入射光的强度、每个建筑构件的中心点所在平面的法线信息和高斯散射函数，计算所述每个建筑构件的高斯基元：

20、

21、其中，为第i个建筑构件中心点的高斯基元，为第i个建筑构件中心点的高斯散射值，为第i个建筑构件的中心点所在平面的法线，为入射光的强度，为第i个建筑构件中心点的坐标位置。

22、进一步地，利用3d平滑滤波器和2d mip技术对所述每个建筑构件的高斯基元进行优化的步骤包括：

23、通过快速傅里叶变换的算法确定建筑场景的关键点在各个轴向上所映射的最大频率，根据所述最大频率计算约束高斯基元的大小，以避免所述建筑场景中建筑构件的混叠，计算所述约束高斯基元的大小的公式为：

24、

25、其中，分别为所述关键点的三个坐标轴上的采样频率，

26、根据2d mip滤波器优化所述建筑构件的高斯基元的纹理映射，利用2d mip滤波器选择纹理分辨率，平滑地过渡不同级别之间的纹理，以形成高斯基元。

27、进一步地，通过快速傅里叶变换的算法确定建筑场景的关键点在各个轴向上所映射的最大频率的步骤包括：

28、将建筑场景的3d模型数字化，确保每个关键点都有坐标数据；

29、根据采样定理对所述关键点在各个轴向上所映射的频率进行采样，以获得离散的数据点；

30、对所述每个关键点在坐标轴上的映射的频率，应用快速傅里叶变换，将其转化到频率域进行幅度计算，所述幅度计算为：

31、

32、其中，x[k]是快速傅里叶变换的第k个复数元素，、分别是所述关键点的实部和虚部，对所述每个关键点计算幅度值，确定最大的幅度值及其对应的频率，所述频率为最大频率。

33、进一步地，基于优化后的高斯基元构建与所述建筑场景相同的3d模型的步骤包括；

34、对优化后均包含位置、尺度和方向参数信息的高斯基元进行叠加，叠加公式为：

35、

36、其中，n是高斯基元的数量，将叠加后的高斯基元进行重叠处理从而构建3d模型。

37、进一步地，将所述3d模型中的高斯基元采用渲染算法进行场景渲染的步骤包括：

38、通过设置建筑场景的光照条件进行光照模拟，以确保光照与高斯基元的属性相匹配；

39、基于所述光照条件，利用光栅化处理将所述高斯基元转换为2d像素网格，光栅化器会将3d顶点转换为屏幕空间中的像素；

40、在光栅化过程中进行深度测试和模板测试，以确定哪些像素是可见的；

41、根据可见像素进行光照计算、纹理映射和视觉效果检测，利用片段着色器的输出计算最终颜色，对所述每个像素进行渲染操作。

42、进一步地，在光栅化过程中进行深度测试和模板测试，以确定哪些像素是可见的步骤包括：

43、在渲染开始前，初始化深度缓冲区，为场景中的每个像素存储一个深度值；

44、对于光栅化过程中生成的每个片段，计算其深度值；

45、基于所述片段的深度值与所述深度缓冲区中对应的深度值进行比较，根据比较结果，决定片段是否可见，如果片段的深度值小于或等于深度缓冲区中的值，则保留片段，否则，丢弃片段；

46、对于所述保留片段，执行模板测试，以确定哪些像素是可见的。

47、进一步地，对每个可见像素进行着色，以得到渲染场景的步骤包括：

48、通过所述可见像素执行着色器程序，计算光照和材质属性；

49、根据片段的纹理坐标，从纹理图像中采样颜色和表面属性；

50、基于所述纹理映射和着色器程序对于透明或半透明材质应用混合模式计算可见像素的最终颜色，对于可见像素通过颜色值编码进行着色，以得到渲染场景。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过软件将建筑场景转换为可处理的点云数据，通过对点云数据进行分析，提供了建筑场景的精确空间位置信息，有助于提高后续分析和处理的精度；以关键点作为中心点运用全息投影摄取建筑场景，确保投影内容与实际建筑场景的精确对准，提高了视觉效果的真实性，以获取所述与关键点相同法线的建筑映射场景，基于所述建筑场景的关键点和所述法线信息，利用高斯散射函数对所述建筑映射场景进行处理，用以模糊所述映射细节，保留映射中的场景轮廓，突出建筑特征，减少映射噪声，以提高映射质量；根据所述建筑场景中的每个建筑构件的中心点和环境光照，并利用所述高斯散射函数计算所述每个建筑构件的高斯基元，通过最小体积单元将建筑场景的映射以高斯分布的形式构建连续的三维空间，所述高斯分布可以有效地压缩数据，减少存储和计算需求，便于进行各种空间分析和处理，利用3d平滑滤波器和2d mip技术对所述每个关键点的高斯基元进行优化，以消除高斯基元的失真部分，改善视觉效果，使渲染的视觉效果更加平滑和连贯，提高整体的视觉质量，优化后的高斯基元构建与所述建筑场景相同的3d模型，简化了从建筑场景到数字模型的转换过程，将所述3d模型中的高斯基元采用渲染算法进行场景渲染减少不必要的计算，提高渲染效率，同时保持渲染质量。

52、尤其，通过点云数据的分析结果提取包含建筑模型表面的所有关键点和法线信息减少人工干预，提高自动化处理流程的效率，并且法线信息对于计算光照效果至关重要，直接影响渲染的真实性。

53、尤其，通过计算所述关键点的高斯散射函数值用以模糊所述映射细节，保留映射中的重要结构信息，突出建筑的特征，减少映射噪声，以提高映射质量。

54、尤其，通过利用所述高斯散射函数和所述环境光照计算所述每个建筑构件的高斯基元，有助于清晰地表达场景的结构和元素，使场景更加立体和生动。

55、尤其，通过利用3d平滑滤波器可以有效地减少数据集中的噪声和失真，并利用2dmip滤波器优化所述建筑构件的高斯基元的纹理映射，利用2d mip滤波器选择纹理分辨率，平滑地过渡不同级别之间的纹理，以形成高斯基元减少纹理映射混叠、走样和膨胀的问题。

56、尤其，通过快速傅里叶变换的算法确定建筑场景的关键点在各个轴向上所映射的最大频率通过突出主要频率成分，有助于增强信号的有用信息，同时抑制不重要的信号部分。

57、尤其，通过将优化后的高斯基元叠加在一起，确保所有元素正确地覆盖整个区域，处理重叠部分确保更精确地近似建筑模型。

58、尤其，通过将优化后的高斯基元采用渲染算法进行场景渲染有效提高渲染效率，同时保持渲染质量，以生成逼真的建筑场景。

59、尤其，通过深度测试可以有效地实现隐藏面消除，从而避免像素覆盖问题，通过提前剔除不可见的像素，可以减少后续渲染步骤的工作量，提高渲染效率。

60、尤其，通过根据所述可见像素进行纹理映射和视觉效果检测，利用片段着色器的输出计算最终颜色，对所述每个像素执行场景渲染操作，有效提高渲染效率，同时保持渲染质量。

技术特征：

1.一种用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，根据分析结果提取建筑场景的关键点和法线信息的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，所述高斯散射函数的计算过程包括：

4.根据权利要求3所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，利用所述高斯散射函数和所述环境光照计算所述每个建筑构件的高斯基元的步骤包括：

5.根据权利要求4所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，利用3d平滑滤波器和2d mip技术对所述每个建筑构件的高斯基元进行优化的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，通过快速傅里叶变换的算法确定建筑场景的关键点在各个轴向上所映射的最大频率的步骤包括：

7.根据权利要求6所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，基于优化后的高斯基元构建与所述建筑场景相同的3d模型的步骤包括；

8.根据权利要求7所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，将所述3d模型中的高斯基元采用渲染算法进行场景渲染的步骤包括：

9.根据权利要求8所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，在光栅化过程中进行深度测试和模板测试，以确定哪些像素是可见的步骤包括：

10.根据权利要求9所述的用于建筑场景的三维构建方法，其特征在于，对每个可见像素进行着色，以得到渲染场景的步骤包括：

技术总结
本发明涉及三维构建领域，尤其涉及一种用于建筑场景的三维构建方法，该方法包括：将建筑场景转换点云数据，对点云数据提取建筑场景关键点和法线信息；以关键点为中心点摄取建筑映射场景，利用高斯散射函数对建筑映射场景处理，用以模糊细节，保留场景轮廓；根据建筑场景中每个建筑构件的中心点和环境光照，并利用高斯散射函数计算每个建筑构件的高斯基元，通过最小体积单元将建筑构件映射以高斯分布的形式构建连续的三维空间；利用3D平滑滤波器和2D Mip技术对每个建筑构件的高斯基元进行优化，消除高斯基元失真部分并构建与建筑场景相同的3D模型；将3D模型的高斯基元采用光栅化处理得到渲染场景。该方法提高精确的建筑模型的同时保持渲染质量。

技术研发人员：陈奕昆,李枫,张良,李灵锋,唐灵衡
受保护的技术使用者：广东智云城建科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5