基于视点索引的三维模型快速可视化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种城市三维模型的在线可视化方法，具体涉及一种基于视点索引的 三维模型快速可视化方法，该方法能够降低三维城市模型在街景层次上的数据量，在保持 街景三维模型可视化效果的同时提高其在移动终端中的可视化速度。
【背景技术】
[0002] 作为地球表面人口、经济、技术、基础设施和信息最密集的地区，城市是人口与资 源和社会经济要素高度密集的地理综合体，也是地球上最为复杂与活跃，人际交流强度最 高的组成部分。随着城市的急剧膨胀，城市建设和管理的难题日益尖锐起来。就城市的建设 者和决策者来说，城市建设需要解决问题的复杂性和需要处理信息的广义性，都是前所未 有的。在城市建设一些重要的应用领域，虽然也关注于社会经济与发展问题，但已更多地关 注于能够表征局部环境的美学、功能和感知的一些主题。与此相适应，城市逼真的三维数字 表示由于其在城市基础设施管理、无线通讯网络规划、城市开发决策支持、污染分布仿真、 土木工程与军事行动支持等众多领域显现出巨大的应用潜力，已经成为普遍关注的热点问 题。城市的三维逼真描述--三维城市模型（3D City Models，3DCM)不仅具有传统虚拟现 实表现的高度真实感，而且具有3DGIS数据库管理与分析应用等功能并能与其他社会经济 信息互联，因而在城市空间信息科学领域受到了越来越多的关注。
[0003] 三维城市模型通过虚拟现实技术在逼真感知方面给用户更多的自由度。三维城市 集成二维地图和三维模型的可视化空间数据模型，支持多种类型、多种分辨率的海量空间 数据库的一体化管理。支持多重细节层次概念LOD (Levels of Detail)，具有层次建模和实 时模型简化能力；支持交互式三维动态可视化，与沉浸式的双目立体显示；支持三维空间 分析与空间决策、时空模拟，网络环境下的信息共享与地理协同等。
[0004] 城市模型包含海量信息，通常当用户使用相关软件系统，例如使用街景地图载入 精细的三维城市模型时，系统会对大量的城市数据进行处理分析来满足用户的需求。此时， 反馈到软件系统用户的时间不仅仅包括处理数据的时间，还很大程度上依赖于网络数据传 输、用户设备等因素。然而，移动设备计算和存储能力较弱、无线网络带宽较小，难以满足精 细三维城市模型需要处理大规模数据的需求，并且由于数据传输和计算量过大导致的响应 迟缓、显示效果降低、死机等状况普遍存在，使得用户体验较差。
[0005] 如何快速实现三维城市模型的可视化，尤其是在移动终端实现流畅显示精细三维 城市模型的用户体验是目前亟待解决的问题。基于地图综合简化技术，本发明在降低模型 复杂度，减少传输数据的同时，保留原模型的视觉特征，从而在提高用户体验的同时，满足 用户的需求。
[0006] 综合简化，是制图学中的一个重要研究方向，用于从大比例尺地图生成小比例尺 地图，包括化简，合并，选择，典型化等基本操作。
[0007] 在三维模型综合简化中，化简主要是利用外壳模型来表示复杂三维建筑模型，其 在保持视觉相似度的同时，极大的压缩三维数据量。因此对于高精度建筑模型，首先需要将 其转换为外壳模型，然后将所有的面投影到水平面，再对其合并，以自动生成建筑平面图。 在投影过程中，记录三维模型的最高点与最低点信息从而获取其高度。
[0008] 建筑群简化的方法是合并与典型化。合并就是将邻近的三维模型组合成为一个模 型，从而降低整体的复杂度。合并算法通过对建筑物的吸附和扩展来提高原模型与合并后 模型之间的相似度。典型化就是在三维城市建模的过程中保留权值较大的建筑节点，尽可 能地保留原模型之间的面积比例关系，同时保留合并后模型与其他模型间的拓扑关系，对 合并后的模型再进行多边形简化算法从而更进一步的减少了数据量。
【发明内容】
[0009] 发明目的：本发明为了解决目前街景三维可视化中存在的模型数据量过大，载入 时间过长等问题，提出了一种基于视点索引的快速三维可视化方法，可在移动终端设备上 实现快速加载三维街景数据。
[0010] 技术方案：本发明所述的一种基于视点索引的快速三维可视化方法，其包括以下 步骤：
[0011] 通过对三维城市模型道路数据的分析，获取城市三维模型的街道分布，并采用图 数据结构进行描述，边表示街道，节点表示交叉路口，在服务器端构建可见模型的视点索 引；
[0012] 在模型初始化时，基于街道分布建立视点索引结构，该索引包括视点、视角以及可 见城市三维模型要素集合三个部分，其中视点选取街道的交叉口以及沿街道每隔一定距离 的点，视角选取各个路口方向以及沿街道正反两个方向，可见要素为位于视点，以视角为中 心，180度范围内的可见城市三维模型要素，建立各视点索引的三维视场；
[0013] 用户在访问三维模型时，通过终端获取用户GPS位置数据信息，计算出用户当前 视点位置、视角方向，并发送至服务器端，服务器端返回位于其前后的视点索引结构，并将 其对应的可见城市三维模型要素集合进行合并，查看是否已经载入合并后的集合中的模 型，如果有则不需载入，如果未载入，则载入并渲染该三维模型。
[0014] 作为优化，通过空间分析，对索引进行排序优化，使得排好序后的索引能以较少的 数量显示较为丰富的细节，具体排序方法为，对于道路索引，沿道路在同一方向上从一端到 另一端进行顺序排序，对于路口索引，基于视角顺时针或逆时针顺序依次排序，不同道路或 路口之间不进行排序。在同一个序列内，定义索引3 1是位于某一视点的索引，则S1的视角 应该介于前一视角S1 i与后一视角S 1+1之间，对于每个交叉路口与每个道路，都会产生相应 的排序，在排序的基础上，对每个索引序列进行动态的修改，其修改方法为，如果索引 城市三维模型要素集合包含于S1 i与S 1+1之中，则删除S i，否则在51与S i i沿道路中间位置 添加新的索引，并重新开始计算，直到该序列索引没有任何改变，通过对索引的修改，实现 了适应于城市特征的索引动态分布。
[0015] 有益效果：本发明所述的基于视点索引的三维模型快速可视化方法，通过视点索 弓丨，减少移动终端街景三维模型数据载入；根据三维城市模型视觉特征，实现视点索引的自 动调节，即增加或删除部分索引，从而提高可视化的准确度或减少场景中视点索引数量，改 善可视化效果；预定义视点索引有效范围，在移动终端街景三维模型可视化过程中，以用户 当前的位置和视角作为输入，基于预定义的索引范围，自动获取相应索引；并根据其视点位 置、视角方向，在索引序列中，选择位于其前后的视点索引，并将其对应的可见城市三维模 型要素集合进行合并，查看是否已经载入合并后的集合中的模型，如果有则不需载入，如果 未载入，则载入并渲染该三维模型，从而实现降低模型复杂度，提高可视化速度。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的流程不意图；
[0017] 图2是本发明中视场计算的示意图。
【具体实施方式】
[0018] 为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该 实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
[0019] 本发明所提出的街景三维可视化方法在图1中给出，它包括两个阶段：预处理和 实时可视化。在第一阶段中（预处理），首先读入三维模型，并基于模型中街道的分布，构建 索引；对于每个索引，通过三维可视化分析