基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法。方法包含以下步骤：确定和计算被折叠边选择的折叠代价；对折叠边进行初步排序；计算边的局部二次误差测量度；获取折叠边相关面最大曲率值，获得QEM惩罚项，确定折叠边的最终折叠代价；依次计算直至所有均计算完毕；调整惩罚项的系数，判断化简模型与原模型的相似率，评价系数可用性；对系数进行训练，获取最优系数，并应用于最终地物化简中。本发明在三维GIS领域中具有重要的实际应用价值，该方法从海量地物特征中训练最优化简结果，在有效减小化简后三角形数量的同时保证三维模型最优显示，不仅适用于桌面三维GIS网格化简，也适合移动端三维GIS网格化简，具有广阔的应用前景。
【专利说明】基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及渐进网格化简模型和三维格网化简技术在地理空间物理三维表达领域。尤其涉及一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，硬件计算能力越来越高，同时人对图像拟真度的要求越来越严格。随着云计算的发展，利用大规模集群对三维模型进行离线处理成为游戏、视频甚至是电影工业的重要的场景渲染方式。移动设备随着计算机工业的发展也得到长足的进步，但是由于电池等原因，移动设备上的大场景渲染依旧困难，业界主流的方式都是通过过度化简以减少移动设备三角形计算消耗或者将渲染完全放在服务端运行，以视频的形式提供给终端用户。前者虽然很大程度减少了移动设备的计算负担，但过度失真导致所渲染场景与真实场景相差过大，后者能够提供与桌面渲染媲美的场景渲染、光影特效等，但是受限于移动网络的传输带宽，在网络状况欠佳的情况下会造成跳帧、卡顿等状况，同时也不适合交互性较高的移动三维地图。
[0003]目前对三维场景显示采用细节层次、遮挡裁剪的方式减少额外的计算消耗。细节层次的主要技术通过网络化简对三维模型进行化简分层，常见的网格简化算法一般分顶点操作和边操作。目前对于网格简化算法有:顶点删除算法、网格重新划分算法、区域合并算法、小波分解算法、顶点聚类算法、包络网格算法、边折叠算法等。顶点删除操作涉及的面较多，一般对网格形状变化比较大。网格重新划分、区域合并、小波分解、顶点聚类、包络网格等算法都比边折叠需要的计算量更大，因此在近几年的网格简化算法研究主要针对边折叠算法展开。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服现有技术存在的问题，提供一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法。
[0005]基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法包括如下步骤:
[0006]I)利用渐进网格算法对精细网格进行化简，确定被折叠边选择的折叠代价，根据顶点的边与边相关面的夹角以及边长度获取折叠代价；
[0007]2)对折叠边按照折叠代价从低到高进行初步排序；
[0008]3)从已排序的队列中，依次获取折叠边，得到边的局部二次误差测量度；
[0009]4)获取顶点曲率值及相关面最大曲率值，选取最大曲率值与调整系数，获得QEM的惩罚项，根据该惩罚项，确定折叠边的最终折叠代价；
[0010]5)从队列中取出未确定最终折叠代价的边,依次确定直至所有边的折叠代价确定完毕；
[0011]6)调整惩罚项的系数，利用正交投影判断不同系数下化简模型与原模型的相似率，评价系数可用性；
[0012]7)利用地物模型对系数进行训练，获取最优系数，并应用于最终地物化简中。
[0013]所述的步骤I)包括:根据渐进网格算法对地物网格进行化简，优化全局能量函数:
_4]E(M) = Edist (M) +Espring (M) +Escalar (M) +Edisc (M) (I)
[0015]网格化简中判断一条边是否可以折叠，取决于它的边长与曲率值的乘积，从模型中选取一条边(U，V)，代价公式:
[0016]
【权利要求】
1.一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于包括如下步骤: 1)利用渐进网格算法对精细网格进行化简，确定被折叠边选择的折叠代价，根据顶点的边与边相关面的夹角以及边长度获取折叠代价； 2)对折叠边按照折叠代价从低到高进行初步排序； 3)从已排序的队列中，依次获取折叠边，得到边的局部二次误差测量度； 4)获取顶点曲率值及相关面最大曲率值，选取最大曲率值与调整系数，获得QEM的惩罚项，根据该惩罚项，确定折叠边的最终折叠代价； 5)从队列中取出未确定最终折叠代价的边，依次确定直至所有边的折叠代价确定完毕； 6)调整惩罚项的系数，利用正交投影判断不同系数下化简模型与原模型的相似率，评价系数可用性； 7)利用地物模型对系数进行训练，获取最优系数，并应用于最终地物化简中。
2.根据权利要求1所述的一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于所述的步骤I)包括:根据渐进网格算法对地物网格进行化简，优化全局能量函数:
E (M) = Edist (M) +Espring (M) +Escalar (M) +Edisc (M) (I) 网格化简中判断一条边是否可以折叠，取决于它的边长与曲率值的乘积，从模型中选取一条边(U，V)，代价公式:, 、(ft-normal f*worm?L\ I |(? cost(u, v) = rnaxf€Tu\mins€Tm [-j-- J] x IIm - v|J (2) 其中，Tu为顶点包含u的三角形的集合，TuvS边包含(V，V)的三角形的集合，即Tuv E Tu,normalj和normal,为平面f和S的法向量，计算得到边折叠代价，写入边(U，V)缓存中，循环步骤I)直到所有边代价计算完毕。
3.根据权利要求1所述的一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于所述的步骤2)包括:在确定折叠边折叠代价之后，利用优先队列，以折叠代价作为条件因子进行升序排序，利用R*树索引对空间进行索引，分割空间，形成多优先队列。
4.根据权利要求1所述的一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于所述的步骤3)包括:从步骤2)得到的多优先队列中获取最小折叠代价边，取其端点，计算端点到边相关面的距离平方和作为该顶点的二次误差测量度，公式: A(U) = HfeTu df(u) = Hferu Wr (%)? = Mr(--? ^f)u⑶ 其中if (U)为顶点u到平面f的距离平方，u = [UxUyUx 1]T，f表示的空间中的平面: ax+by+cz+d = 0，(a2+b2+c2 = I) (4)
因此基于局部二次误差测量的折叠边代价定义为:
其中，QOO 二 Σ/Μ1/，为顶点U的二次误差测量的4X4对称矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于所述的步骤4)包括: 5.1获取顶点曲率值及相关面最大曲率值 从选取点V点获取相邻边Vi,其中i e [O, pv), pv为V的邻点个数,若Vi未标记,否则对Vi进行标记，获取Vi相关面集合Tv，对于f e Tv,其依次计算折叠边相关面之间曲率值c，获取最大曲率值Cv ;若Vi已标记，则选取vi+1，重复本步骤，直至所有的相邻边都被标记； 5.2获取折叠边代价计算方式
为式(6)添加惩罚项 Ksharp = K sharp(1-normaIf.normaIs),其中 normaIf.normaIs 为点u邻接边曲率，K sharp为调整系数,并改进QEM折叠边代价计算公式为:
5.3简化惩罚项计算 建立调整系数加权函数:
因此调整系数值域为[0.2，I]； 由式(5)得知Q(U)为4X4矩阵，因此Kshaip可表示为:
.5.4确定顶点训练前最终折叠代价 以随机的方式在[0.2,1]区间选取起始调整参数，将调整参数作为属性赋予顶点，并根据式(7)确定折叠边训练前的最终折叠代价，并将折叠代价作为键值放入最小优先队列Qmin 中。
6.根据权利要求1所述的一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于所述的步骤5)包括: 6.1选取下一步计算顶点 根据步骤2)得到的队列，选取未被标记折叠边，选取其中一个顶点，若该顶点已被标记，则选取另一顶点； 6.2计算顶点初始折叠代价 利用步骤4)所得的初始调整参数区间，随机选取并关联顶点，根据式(7)确定折叠代价，将折叠代价作为键值放入最小优先队列Qmin中； 6.3逐一计算完成所有顶点计算 重复本步骤，直至步骤2)所得队列全部计算完毕。
7.根据权利要求1所述的一种基于带惩罚项的局部二次误差测量的地物网格化简方法，其特征在于所述的步骤6)为:调整惩罚项的系数，利用正交投影判断不同系数下化简模型与原模型的相似率，正交投影计算三个坐标面的二维投影，相似率计算根据三维模型二维图像的边缘轮廓越长，对二维投影图像相似率贡献越大的原则。
【文档编号】G06T17/30GK104183020SQ201410323958
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】杜震洪, 张丰, 刘仁义, 杨家芳, 赖冬林 申请人:浙江大学