专利名称：模型驱动3d几何建模系统的制作方法
技术领域：
本申请通常涉及可视化技术领域，尤其涉及一种用于产生三维几何模型的方法和 系统。
背景技术：
随着计算能力的提高(特别是GPU和PPU的来临)，基于3D的应用因其可视化的 沉浸性和直接性变得更加流行，并逐渐用于各种领域，例如，大型建筑物、校园和工业控制 的3D几何模型。例如大型建筑物的3D几何模型能够用于增强情景感知，如消防、建筑物安全和 HVAC(采暖、通风和空调)管理。另外，例如校园的3D几何模型能够向消防员展示关于着火 建筑物周围的直观图片，并帮助消防员找到校园上通向该着火建筑物的路线。还有，例如工 业控制的3D几何模型能够直观显示反应器的操作状态(例如，温度、压力、材料级别)、管道 的流动状态(例如，液体的流速、方向)，或泵/阀门的工作状态(例如，开启或者关闭)。但是，有效地为一领域创建3D几何模型和在运行期间有效地支持用户和3D几何 模型之间的交互是具有挑战性的工作。
在附图的图示中，一些实施例是以示例的方式而非限制的方式进行说明的，附图 为图1是根据实例实施例阐明示例性3D几何建模系统的框图；图2是根据实例实施例阐明示例性几何元素库的表；图3是根据实例实施例阐明示例性几何操作符库的表；图4是根据实例实施例阐明用于识别领域元素的示例性规则的表；图5是根据实例实施例阐明用于从所述领域元素生成3D几何模型的示例性规则 的表；图6是根据实例实施例阐明用于为领域生成3D几何模型的实例方法的流程图；图7A-7F是根据实例实施例阐明从文件生成建筑物中楼层的3D几何模型的实 例；图8A-8C是根据实例实施例阐明从地图生成校园的3D几何模型的实例；图9A-9B是根据实例实施例阐明从基于草图的工厂布局生成工厂的3D几何模型 的实例；图10的框图阐明示例性计算机系统形式的机器，在该机器中可以运行指令序列 集，该指令序列集使得该机器执行任一个在此所讨论的方法论。
具体实施例方式在下面的描述中，为便于解释，描述了多个特定细节以提供对实例实施例的全面理解。然而很明显对本领域技术人员来说，本申请的实施例可以不按这些特定细节实施。本申请描述了模型驱动3D几何建模系统和方法(如图1和6所示)，其抽象基本 几何元素和基本几何操作符(分别如图2和3中所示)。对于每个不同的领域，领域模型 (如图1所示)由领域专家基于所述基本几何元素和基本几何操作符定义和建立。每个领 域对应不同的类型或域，例如，大型建筑物、校园或工业控制。不同的领域可以具有不同的 领域元素。例如，大型建筑物领域可以具有的领域元素如楼层、地板、房间、中庭、门、窗、 墙、楼梯、传感器等。校园领域可以具有的领域元素如建筑物、街道、道路、广场、绿化带等。 工业控制领域可以具有的领域元素如反应器、管道、阀门、泵、分路器等。对于特定领域，该 领域的领域模型描述用于识别领域元素的规则(如图4所示)和用于从这些领域元素生成 3D几何模型的规则(如图5所示)。例如，为了对某领域生成3D几何模型，首先，通过已知的几何计算技术、数字图像 处理技术和图案识别技术，能够从输入源(例如，基于草图的绘图、基于图像的地图)提取 出基本几何元素。然后，根据用于识别领域元素的规则(如图4所示)将基本几何元素转 换为领域元素，所述用于识别领域元素的规则已经在领域模型中描述过。之后，根据用于生 成3D几何模型的规则(如图5所示)，几何操作符可被用于从所述领域元素构造该特定领 域的3D几何模型。3D几何模型可以包括多个3D几何对象。领域元素的语义信息(例如领域元素所属的类型或分类(例如，房间、门、窗)以 及领域元素对象之间的关系)都已经在领域模型中定义。因此，语义信息被保存在领域元 素中。相应地，所构造的包含在3D几何模型中的对象也保留这些语义信息。依据保留在3D 几何模型的对象中的语义信息，本申请的用户可以容易地对整个3D几何模型进行导航、可 视化或交互。此外，为了获取高质量的3D几何模型，在不同的阶段，本申请的用户被允许通过 例如增加、删除或修改这些元素或对象来提炼例如几何元素、领域元素和/或3D几何对象， 由此可以在不同阶段修改或更新3D几何模型的语义信息。图1根据实例实施例阐明示例性3D几何建模系统100的框图。在一些实施例中， 用于生成领域的3D几何模型的3D几何建模系统100可以包括输入源10，几何元素提取 器20，领域元素提取器30，3D几何对象构造器40，几何元素库50，几何操作符库60，用于该 领域的领域模型70，用于加载领域模型70的领域模型加载器80，以及通用几何模型库90。图1的输入源10可以采用多种形式，例如，JPEG(联合图象专家组)文件，SVG(可 缩放的矢量图形)文件，如图7A所示的DXF(绘图交换格式)文件，如图8A所示的基于图 像的校园地图，如图9A所示的基于草图的工厂布局等。图1的几何元素提取器20是用于通过例如数字图像处理技术、几何计算技术和 图案识别技术从所述输入源10提取基本几何元素(例如，开曲线(open curve)、闭曲线 (closed curve)、表面等)的模块。这些基本几何元素在如图2所示的几何元素库中被定 义。图1的领域元素提取器30是用于根据该领域的领域模型70使用如图4所示的用 于识别领域元素的规则将基本几何元素转换为领域元素(例如地板、房间、中庭、门、窗等) 的模块。领域元素可以保存在领域模型80中定义的其属性和关系的语义信息。领域元素 的属性包括其分类、几何及材料特性。领域元素的关系包括其空间及层次关系。
图1的3D几何模型构造器40是用于根据领域模型80通过基本几何操作符(包 括在图3的几何操作符库中)构造该领域的3D几何模型(包括对象)的模块。3D几何对 象可以继承它们对应的领域元素的语义信息，由此包括相应领域元素的分类、几何和材料 信息、以及空间和层次关系信息。允许用户在不同阶段(例如，提取领域元素后，构造3D几 何对象后)定义或提炼(例如，修改、增加)领域元素和/或3D几何对象的语义信息。根 据实例实施例的3D几何对象的属性和关系，3D几何模型的用户可以在运行期间容易地与 3D几何模型交互。该示例性系统能够，例如，在3D建筑物模型中突出地显示所选地板的足 够细节，包括地板、房间、门、窗、传感器等之间的层次关系。该系统能够，例如，使用3D几何 对象的空间属性，在运行期间有效地帮助检索现场的优化路线。通过语义信息，该系统还可 以，例如，显示(或高亮)某些类型的对象和隐藏某些类型的对象以强调被显示的对象。图1的几何元素库50 (如图2详细所示)和几何操作符库60 (如图3详细所示) 可被用于定义领域模型80。通用几何模型库90可用于定义某些通用3D模型，通用3D模型 旨在用于在领域中共享。图2是根据实例实施例阐明示例性几何元素库的表(表1)。图2给出了几何元素 库的实例，其定义了如点、开曲线、闭曲线、曲线、表面等。图3是根据实例实施例阐明示例性几何操作符库的表(表2)。图3给出了几何操 作符库的实例，其定义了几何操作符，例如放样(loft)、扫描、旋转、偏置、布尔、细分、填 充、导入、转换等。几何元素库和几何操作符库在该系统中担任重要角色。图4是根据实例实施例阐明示例性的用于识别领域元素的规则的表(表3)。这些 用于识别领域元素的规则不仅仅为每个领域元素指定几何特征(例如位置、形状等)，而 且指定该领域元素之间的关系(例如，门或窗属于哪个房间，或者房间属于哪个地板)。几 何特征可进一步用于推导空间关系(例如房间邻近哪些房间)。根据用于识别领域元素 的这些规则，如图1所示的领域元素提取器30会自动辨认地板、房间、门和窗等。图5是根据实例实施例阐明示例性的用于根据领域元素生成3D几何模型的规则 的表(表4)。一旦获取某些基本领域元素(例如房间、窗、门等)，可以进一步定义更多其 它领域元素(例如楼梯、传感器、伪影等)。根据这些生成3D几何模型的规则，如图1所 示的3D几何对象构造器40能够自动将这些领域元素转换为3D几何对象。对于特定领域，输入文件格式可以是各种各样的。领域模型的大部分能够在不同 输入中重用，只有一小部分需要修改。例如，对于建筑物领域，地板设计图可以通过例如 JPGE格式而非DXF格式的图像显示。这种情况中，领域元素可以通过图案辨认技术根据其 外观或结构而被辨认(例如符号A、因和I分别被辨认为门、电梯和楼梯)。相对领域元 素，使用几何操作符的3D几何处理是相似的。不同的领域具有不同的领域模型，其将被分别定形。例如，对于校园领域，将被提 取并被3D建模的领域元素包括街道、道路、广场、绿化带、建筑物等。但是，对于工业控制 领域，将被提取并被3D建模的领域元素包括反应器、管道、阀门、泵、分路器等。图6是根据实例实施例阐明用于生成领域的3D几何模型的实例方法的流程图。步骤602，加载领域的领域模型。领域模型由领域专家基于几何元素库和几何操作 符库定义。步骤604，读取输入源。该输入源可以是各种形式，例如JPEG文件、SVG文件、DXF文件等。输入源可以是，例如扫描地板蓝图、基于图像的校园地图、基于草图的工厂布局 等。图7A示出了 DXF文件，其用作楼层的输入源。图8A示出了校园地像，其用作校园 的输入源。步骤606，通过使用数字图像处理技术、几何计算技术、图案辨认技术等从输入源 提取基本几何元素。图7B示出了从输入源(DXF文件)提取出的楼层的基本几何元素。步骤608，如果开发者不满意提取的基本几何元素，开发者可在610手动定义或提 炼这些基本几何元素。开发者能够重复提炼处理直到其对这些基本几何元素满意。步骤612，根据领域模型将基本几何元素转换为领域元素，其中领域元素保存在领 域模型中定义的其属性和关系的语义信息。在一实例实施例中，根据领域模型使用基于规 则的推理机制从基本几何元素辨认领域元素。图7C示出了建筑物中楼层的领域元素。图 8B示出了校园的领域元素，其是使用图像处理和图案辨认技术从基本几何元素转换而来。 图9A示出工厂的领域元素。步骤614，如果开发者不满意转换的领域元素，开发者能够在616例如通过增加、 删除或修改领域元素手动定义或提炼这些领域元素。图7D示出了如何向转换的楼层领域 元素增加楼梯和传感器。开发者能够选择重复提炼处理直到其对这些领域元素满意为止。步骤618，根据加载的领域模型通过几何操作符从领域元素构造3D几何模型(包 括3D几何对象)，其中3D几何对象保留领域元素的语义信息。图7E示出了建筑物中楼层 的渲染3D几何模型。图8C是校园的渲染3D几何模型。图9B是工厂的渲染3D几何模型。步骤620，如果开发者不满意构造的3D几何模型，开发者可以在622例如通过增 加、删除或修改3D几何对象的特征手动定义或提炼一个或多个3D几何对象。图7F示出了 通过向某些如图7E所示的构造的3D几何对象增加纹理和材料特征而提炼的3D几何模型。步骤624，输出带有语义信息的最终3D几何模型，根据该最终3D几何模型，终端用 户可在实际应用中容易地导航或操纵3D几何模型的对象。本申请提供实例示出了如何生成不同领域的不同3D几何模型。图7A-7F示出了 从DXF文件生成建筑物楼层的3D几何模型的实例。图8A-8C示出了从地图生成校园的3D 几何模型的另一实例。图9A-9B也示出从基于草图的工厂布局生成工厂3D几何模型的另
一实例。图10是阐明示例性计算机系统形式的机器的框图，在该机器中可以运行指令序 列集，该指令序列集使得该机器执行任一个在此所讨论的方法论。在一些实施例中，该机器 可以是服务器计算机、客户端计算机、个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助 理(PDA)、手机、web应用、网络路由器、网络交换机或网桥，或任何能够运行指令集(其指定 机器所进行的动作)的机器。此外，虽然只阐明了单个机器，术语“机器”也可以被认为包 括单独或共同运行指令集以执行任一个或多个在此所讨论的方法论的机器的任意集合。实例计算机系统1000包括处理器1002 (例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元 (GPU)或两者)，主存储器1004和静态存储器1006，它们彼此之间通过总线1008进行通信。 计算机系统1000可以进一步包括视频显示单元1010 (例如，液晶显示器(LCD)或阴极射线 管(CRT))。计算机系统1000还包括字母数字输入设备1012 (例如键盘)、光标控制设备 1014(例如鼠标)，盘驱动单元1016，信号生成设备1018(例如扬声器)和网络接口设备 1020。
盘驱动单元1016包括机器可读介质1022，其上存储有一个或多个指令集(例如 软件1024)，该指令集体现任一个或多个这里所描述的方法论或功能。软件1024在其由计 算机系统1000运行期间可以完全地或至少部分地贮留在主存储器1004和/或在处理器 1002中，主存储器1004和处理器1002也构成机器可读介质。软件1024可以进一步通过网络接口设备1020在网络1026上进行发送或接收。虽然在实例实施例中所示的机器可读介质1022是单个介质，但术语“机器可读介 质”可以被认为包括存储一个或多个指令集的单个介质或多个介质(例如集中或分布式 数据库，和/或相关联的缓存和服务器)。术语“机器可读介质”还可以被认为包括任何能 够存储、编码或承载指令集(其由机器运行并且使得机器执行任何一个或多个本发明的方 法论)的介质。术语“机器可读介质”相应地可以被认为包括但不限于固态存储器、光学或 磁性介质和电磁信号。如上所述的步骤可以使用标准编程技术实现。如上所述实施例的新颖性不在于特 定的编程技术，而在于采用所描述的方法实现所描述的结果。体现本申请的软件编程代码 通常存储在永久存储器中。在客户端/服务器环境中，这样的软件编程代码可以存储在与 服务器相关联的存储设备中。软件编程代码可以包含在任何用于数据处理系统的各种已知 介质上，例如磁盘、或者硬驱动或CDR0M。代码可以分布在这样的介质上，或者可以通过某种 类型的网络从一个计算机系统的存储器或存储设备向其它计算机系统分发给用户以供该 其他计算机系统的用户使用。用于在物理介质上包含软件程序代码和/或通过网络分发软 件代码的技术和方法都是已知的，这里不再进一步讨论。应该理解的是，说明的每一个元素和说明的元素的组合，可以由执行指定的功能 或步骤的通用和/或专用目的的基于硬件的系统实现，或通过通用和/或专用目的的硬件 和计算机指令的组合实现。为处理器提供这些程序指令以产生机器，因此运行在处理器上的指令创建用于实 现所说明的指定功能的装置。处理器可以运行计算机程序指令以使得处理器执行一系列的 操作步骤产生计算机实现的处理，以使处理器上运行的指令提供用于实现所说明的指定功 能的步骤。因此，附图支持用于执行指定功能的装置的组合，用于执行指定功能的步骤的组 合，用于执行指定功能的程序指令装置。虽然这里已经描述了本申请的原理，本领域技术人员可以理解该描述只是示例性 的，而非对本申请的范围进行限制。相应的，附加的权利要求试图覆盖落入本申请的精神和 范围内的所有修改。
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权利要求
一种用于为领域生成3D几何对象模型的方法，包括从输入源提取基本几何元素；根据领域模型将所述基本几何元素转换为领域元素，其中所述领域元素保存由所述领域模型所定义的他们的关于属性和关系的语义信息；以及根据所述领域模型通过几何操作符从所述领域元素构造3D几何模型，所述3D几何模型包括3D几何对象，其中所述3D几何对象保留所述领域元素的语义信息，并且所述语义信息被允许以对象级别提炼。
2.如权利要求1的所述方法，进一步包括 加载所述领域的领域模型。
3.如权利要求1的所述方法，进一步包括 输出带有所述语义信息的3D几何模型。
4.如权利要求1的所述方法，其中所述领域模型基于几何元素库和几何操作符库被定义。
5.如权利要求1的所述方法，进一步包括 提炼至少一个所提取的基本几何元素。
6.如权利要求1的所述方法，进一步包括 提炼至少一个所提取的基本几何元素。
7.如权利要求1的所述方法，进一步包括提炼所构造的3D几何模型中的至少一个3D几何对象，在此期间允许加入额外的语义fn息ο
8.如权利要求1的所述方法，其中所述领域元素的属性包括其类别、几何及材料特性，所述领域元素的所述几何特 性表明其位置及形状。
9.如权利要求1的所述方法，其中所述领域元素的关系包括其空间关系。
10.如权利要求1的所述方法，其中所述领域元素的关系包括其层次关系。
11.一种用于生成领域的3D几何模型的系统，包括 几何元素提取器，用于从输入源提取基本几何元素；领域元素提取器，用于根据该领域的领域模型将所述基本几何元素转换成领域元素， 其中所述领域元素保存在所述领域模型中定义的其属性和关系的语义信息；以及3D几何对象构造器，用于根据所述领域模型通过基本几何操作符从所述领域元素构造 3D几何模型，该3D几何模型包括3D几何对象，其中所述语义信息被允许在对象级别上被提 太东。
12.权利要求11的所述系统，进一步包括几何元素库和几何操作符库，所述领域模型根据该几何元素库和该几何操作库定义；以及领域模型加载器，用于加载所述领域模型。
13.如权利要求11的所述系统，进一步包括通用几何模型库，用于定义在所述领域中共享的通用3D模型。
14.如权利要求11的所述系统，进一步包括输出设备，用于导出所构造的带有所述语义信息的3D几何模型。
15.如权利要求11的所述系统，其中所述领域元素的属性包括其类别、几何及材料特性。
16.如权利要求11的所述系统，其中所述领域元素的关系包括其空间及层次关系。
17.一种计算机可读介质，包括由系统中计算机执行的指令，该指令使得该计算机 为领域加载领域模型；读取输入源；从所述输入源提取基本几何元素；根据所述加载的领域模型将所述基本几何元素转换成领域元素，其中所述领域元素保 存关于其几何属性和关系的语义信息；以及根据所述加载的领域模型，通过几何操作符从所述领域元素构造3D几何模型，所述几 何操作符包括在几何操作符库中，其中所述3D几何模型包括带有所述语义信息的3D几何对象。
18.如权利要求17的所述计算机可读介质，进一步包括使得该计算机进行下述操作的 指令输出带有所述语义信息的3D几何模型。
19.如权利要求17的所述计算机可读介质，其中所述领域元素的属性包括其类别、几 何及材料特性。
20.如权利要求17的所述计算机可读介质，其中所述领域元素的关系包括其空间及层 次关系。
全文摘要
一种为一领域生成3D几何对象模型的方法和系统。该方法包括从一输入源提取基本几何元素；根据一领域模型将所述基本几何元素转换为领域元素，其中所述领域元素保留由所述领域模型定义其属性和关系的语义信息；以及根据所述领域模型通过几何操作符从所述领域元素创建3D几何模型，所述3D几何模型包括3D几何对象，其中所述3D几何对象保留所述领域元素的语义信息，并且所述语义信息允许在对象级别细分。
文档编号G06T17/00GK101965589SQ200880127808
公开日2011年2月2日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者C·B·博利厄, C·李, H·陈, T·普罗彻尔 申请人:霍尼韦尔国际公司