一种规则特征保持的建筑物Mesh模型简化方法

本发明涉及数据处理，尤其涉及一种规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法及相关设备。

背景技术：

1、建筑物三维模型是智慧城市建设不可或缺的数字底板，为城市管理、规划、仿真、安全、应急响应等诸多应用提供关键基础信息。现有摄影测量技术可由多视影像或激光点云生成城市场景建筑物mesh模型，并通过已有算法进行mesh模型的三角面片简化，得到面片数量较小的建筑物mesh模型，减小三维模型的数据存储量并提升模型传输及可视化效率。

2、然而，区别于一般几何体mesh模型，建筑物mesh模型具有明显的平面特征、直角特征和边缘尖锐特征，且受数据采集及处理技术的影响，建筑物mesh中三角面片尺度差异变化较大，采取通用mesh模型简化算法应用于建筑物场景时，往往存在建筑物尖锐特征退化、几何精度较低等问题，大大降低了建筑物模型的后续应用价值。

3、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法及相关设备，旨在解决现有技术中采取通用mesh模型简化算法应用于建筑物场景时，存在建筑物尖锐特征退化、几何精度较低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，所述规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法包括如下步骤：

3、获取原始单体建筑物mesh模型，计算所述原始单体建筑物mesh模型中每个原始平面三角面片的重心点坐标和第一法向量，以及相邻两阶原始平面三角面片的法向量平均值和方差，根据所述第一法向量与所述法向量平均值之间的差值对所述原始平面三角面片进行区域增长，得到所述原始单体建筑物mesh模型中的初始平面三角面片的集合，所述初始平面三角面片的集合为所述原始单体建筑物mesh模型中的平面基元；

4、计算平面基元的面积和法向量，根据所述平面基元的法向量之间的差异对所述平面基元进行规则化调整，得到规则化平面基元，获取所述平面基元中的第一方向角以及所述平面基元中初始平面三角面片对应的第二方向角，根据所述第一方向角和所述第二方向角之间的差值对所述第一方向角对应的线段进行调整，得到所述平面基元的规则化边界线段；

5、获取所述平面基元中原始平面三角面片的闭合边界线集合和所述规则化平面基元的边界线集合，获取所述边界线集合中符合预设条件的子集，根据所述子集中的线段长度之和与所述原始平面三角面片的中所有线段之和的比例判断所述平面基元是否相邻，若是，则两个平面基元为相邻平面基元；

6、获取所述相邻平面基元在当前平面基元中的投影，将所述投影作为所述当前平面基元的边界约束，根据所述边界约束抑制所述当前平面基元邻接方向的延伸，其余未抑制方向通过平面基元相交得到若干候选平面，形成候选基元池；

7、根据所述原始单体建筑物mesh模型中原始平面三角面片与所述候选基元池中的候选平面基元之间的拟合程度建立能量方程，根据二元标记法计算所述能量方程的最小能量解，并根据所述最小能量解对应的平面基元集合组成简化后的三维建筑物mesh模型。

8、可选地，所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，其中，所述获取原始单体建筑物mesh模型，计算所述原始单体建筑物mesh模型中每个原始平面三角面片的重心点坐标和第一法向量，以及相邻两阶原始平面三角面片的法向量平均值和方差，根据所述第一法向量与所述法向量平均值之间的差值对所述原始平面三角面片进行区域增长，得到所述原始单体建筑物mesh模型中的初始平面三角面片的集合，所述初始平面三角面片的集合为所述原始单体建筑物mesh模型中的平面基元，具体包括：

9、获取原始单体建筑物mesh模型，并对所述原始单体建筑物mesh模型进行剖分，使所述原始单体建筑物mesh模型中原始平面三角面片的面积相等；

10、计算所述原始单体建筑物mesh模型中每个原始平面三角面片的重心点坐标和第一法向量、每个原始平面三角面片一阶相邻的原始平面三角面片集合的第二法向量的平均值和第一角度差异之方差、以及每个原始平面三角面片二阶相邻的原始平面三角面片集合的第三法向量的平均值和第二角度差异之方差；

11、根据所述重心点坐标、第一法向量、第二法向量的平均值、第一角度差异之方差、第三法向量的平均值和第二角度差异之方差构建每个原始平面三角面片的多尺度特征描述符；

12、判断所述第一法向量、第二法向量和第三法向量相互之间的差值是否均小于第一预设阈值，若是，则将所述第一法向量、第二法向量和第三法向量对应的原始平面三角面片作为初始种子点，对所述原始平面三角面片进行区域增长，并将相邻且法向量差值小于所述第一预设阈值的原始平面三角面片进行合并，直至所有相邻的原始平面三角面片与增长后的原始平面三角面片集合之间的差值不小于所述第一预设阈值，得到所述目标单体建筑物mesh模型中的初始平面三角面片的集合，所述初始平面三角面片的集合为所述目标单体建筑物mesh模型中的平面基元。

13、可选地，所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，其中，所述计算平面基元的面积和法向量，根据所述平面基元的法向量之间的差异对所述平面基元进行规则化调整，得到规则化平面基元，获取所述平面基元中的第一方向角以及所述平面基元中初始平面三角面片对应的第二方向角，根据所述第一方向角和所述第二方向角之间的差值对所述第一方向角对应的线段进行调整，得到所述平面基元的规则化边界线段，具体包括：

14、计算所述平面基元的面积和法向量，按照所述面积从大到小的顺序，从面积最大的平面基元开始，判断所述面积最大的平面基元的法向量与其余平面基元中的法向量的差值是否处于第一预设范围或第二预设范围，若是，则将与所述面积最大的平面基元对比的平面基元围绕自身中心旋转至与所述面积最大的平面基元的法向量方向一致或垂直，直至所有平面基元都进行一次判断及调整，得到规则化平面基元；

15、从面积最大的平面基元开始，获取透过所述平面基元中的初始平面三角面片的三角顶点，并将与所述平面基元非平行的平面基元进行投影，通过所述三角顶点和投影结果，得到方向角集合；

16、获取所述平面基元中初始平面三角面片的边界线，采用道格拉斯普客法对所述边界线进行简化，得到简化后的线段；

17、计算所述线段的方向角，并判断所述线段的方向角与所述方向角集合中的方向角的差值是否低于预设第二预设阈值，若是，则将与所述方向角集合中与所述线段的方向角对比的对应的线段围绕自身旋转至与所述简化后的线段角度一致，得到规则化边界线段。

18、可选地，所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，其中，所述采用道格拉斯普客法对所述边界线进行简化，具体包括：

19、获取多个三角面片中边界线起止点对应的的多个坐标点，并将所述多个坐标点组成折线；

20、将所述折线的起止点进行连接，得到一条直线；

21、判断所述折线上的点到所述直线的距离，若所述距离大于第三预设阈值，则将当前比较的所述折线上的点进行保留，反之，则进行舍弃。

22、可选地，所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，其中，所述获取所述平面基元中原始平面三角面片的闭合边界线集合和所述规则化平面基元的边界线集合，获取所述边界线集合中符合预设条件的子集，根据所述子集中的线段长度之和与所述原始平面三角面片的中所有线段之和的比例判断所述平面基元是否相邻，若是，则两个平面基元为相邻平面基元，具体包括：

23、获取两个平面基元中原始平面三角面片的闭合边界线集合和所述规则化平面基元的边界线集合；

24、提取所述规则化平面基元的边界线集合中相互平行且直线方程最小距离小于第四预设阈值的线段，得到两个子集；

25、计算所述两个子集中线段长度之和分别与所述原始平面三角面片的闭合边界线集合中所有线段长度之和的比值，分别得到第一比例和第二比例；

26、若所述原始平面三角面片的闭合边界线集合中两个基元的交集不为空集或第一比例大于第五预设阈值或第二比例大于第五预设阈值，则两个基元相邻，否则不相邻。

27、可选地，所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，其中，所述获取所述相邻平面基元在当前平面基元中的投影，将所述投影作为所述当前平面基元的边界约束，根据所述边界约束抑制所述当前平面基元邻接方向的延伸，其余未抑制方向通过平面基元相交得到若干候选平面，形成候选基元池，具体包括：

28、获取当前平面基元以及与所述当前平面基元相邻的平面基元，并计算所述相邻的平面基元在平面中的投影；

29、将所述投影作为当前平面基元的边界约束，根据所述边界约束抑制所述当前平面基元邻接方向的延伸，其余没有所述边界约束的方向继续延伸；

30、通过平面基元之间延伸的相交部分得到若干候选平面，所述平面基元和所述若干候选平面共同组成候选基元池。

31、可选地，所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法，其中，所述根据所述原始单体建筑物mesh模型中原始平面三角面片与所述候选基元池中的候选平面基元之间的拟合程度建立能量方程，根据二元标记法计算所述能量方程的最小能量解，并根据所述最小能量解对应的平面基元集合组成简化后的三维建筑物mesh模型，具体包括：

32、获取所述候选基元池中的候选平面基元，并提取所述候选平面基元中包含的原始平面三角面片，通过计算所述原始平面三角面片到所述候选平面基元的平均距离、投影覆盖比例、法向量差异来获得所述候选平面基元中的平面三角面片与所述原始平面三角面片的拟合程度；

33、获取所述候选平面基元的相交线的第一直线方程以及所述相交线在所述原始平面三角面片中的投影，得到所述投影经过所述原始平面三角面片的集合，根据所述集合中原始平面三角面片的重心点得到第二直线方程，通过所述第一直线方程和所述第二直线方程判断简化后的模型与目标单体建筑物mesh模型的线特征拟合性；

34、通过二元整数规划方程确定同一交线连接的基元数量，得到所述候选平面基元与交线之间的拓扑约束关系；

35、计算所述原始平面三角面片在所述候选平面基元中的平面三角面片的对应的面积比例，得到比例值域，通过所述比例值域来获得简化后的模型与目标单体建筑物mesh模型拟合的完整度；

36、通过所述候选平面基元中的平面三角面片对与所述原始平面三角面片的拟合程度、简化后的模型与目标单体建筑物mesh模型的线特征拟合性、所述候选平面基元与交线之间的拓扑约束关系、以及简化后的模型与目标单体建筑物mesh模型拟合的完整度计算拟合度，得到与原始单体建筑物mesh模型拟合度的最小能量解，并将所述最小能量解对应的候选平面基元提取，组合得到简化后的三维建筑物mesh模型。

37、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种规则特征保持的建筑物mesh模型简化系统，其中，所述规则特征保持的建筑物mesh模型简化系统包括：

38、平面基元提取模块，用于获取原始单体建筑物mesh模型，计算所述原始单体建筑物mesh模型中每个原始平面三角面片的重心点坐标和第一法向量，以及相邻两阶原始平面三角面片的法向量平均值和方差，根据所述第一法向量与所述法向量平均值之间的差值对所述原始平面三角面片进行区域增长，得到所述原始单体建筑物mesh模型中的初始平面三角面片的集合，所述初始平面三角面片的集合为所述原始单体建筑物mesh模型中的平面基元；

39、平面基元规则调整模块，用于计算平面基元的面积和法向量，根据所述平面基元的法向量之间的差异对所述平面基元进行规则化调整，得到规则化平面基元，获取所述平面基元中的第一方向角以及所述平面基元中初始平面三角面片对应的第二方向角，根据所述第一方向角和所述第二方向角之间的差值对所述第一方向角对应的线段进行调整，得到所述平面基元的规则化边界线段；

40、平面基元关系判断模块，用于获取所述平面基元中原始平面三角面片的闭合边界线集合和所述规则化平面基元的边界线集合，获取所述边界线集合中符合预设条件的子集，根据所述子集中的线段长度之和与所述原始平面三角面片的中所有线段之和的比例判断所述平面基元是否相邻，若是，则两个平面基元为相邻平面基元；

41、候选平面生成模块，用于获取所述相邻平面基元在当前平面基元中的投影，将所述投影作为所述当前平面基元的边界约束，根据所述边界约束抑制所述当前平面基元邻接方向的延伸，其余未抑制方向通过平面基元相交得到若干候选平面，形成候选基元池；

42、候选平面优选模块，用于根据所述原始单体建筑物mesh模型中原始平面三角面片与所述候选基元池中的候选平面基元之间的拟合程度建立能量方程，根据二元标记法计算所述能量方程的最小能量解，并根据所述最小能量解对应的平面基元集合组成简化后的三维建筑物mesh模型。

43、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种终端，其中，所述终端包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的规则特征保持的建筑物mesh模型简化程序，所述规则特征保持的建筑物mesh模型简化程序被所述处理器执行时实现如上所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法的步骤。

44、此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有规则特征保持的建筑物mesh模型简化程序，所述规则特征保持的建筑物mesh模型简化程序被处理器执行时实现如上所述的规则特征保持的建筑物mesh模型简化方法的步骤。

45、本发明中，获取原始单体建筑物mesh模型，计算所述原始单体建筑物mesh模型中每个原始平面三角面片的重心点坐标和第一法向量，以及相邻两阶原始平面三角面片的法向量平均值和方差，根据所述第一法向量与所述法向量平均值之间的差值对所述原始平面三角面片进行区域增长，得到所述原始单体建筑物mesh模型中的初始平面三角面片的集合，所述初始平面三角面片的集合为所述原始单体建筑物mesh模型中的平面基元；计算平面基元的面积和法向量，根据所述平面基元的法向量之间的差异对所述平面基元进行规则化调整，得到规则化平面基元，获取所述平面基元中的第一方向角以及所述平面基元中初始平面三角面片对应的第二方向角，根据所述第一方向角和所述第二方向角之间的差值对所述第一方向角对应的线段进行调整，得到所述平面基元的规则化边界线段；获取所述平面基元中原始平面三角面片的闭合边界线集合和所述规则化平面基元的边界线集合，获取所述边界线集合中符合预设条件的子集，根据所述子集中的线段长度之和与所述原始平面三角面片的中所有线段之和的比例判断所述平面基元是否相邻，若是，则两个平面基元为相邻平面基元；获取所述相邻平面基元在当前平面基元中的投影，将所述投影作为所述当前平面基元的边界约束，根据所述边界约束抑制所述当前平面基元邻接方向的延伸，其余未抑制方向通过平面基元相交得到若干候选平面，形成候选基元池；根据所述原始单体建筑物mesh模型中原始平面三角面片与所述候选基元池中的候选平面基元之间的拟合程度建立能量方程，根据二元标记法计算所述能量方程的最小能量解，并根据所述最小能量解对应的平面基元集合组成简化后的三维建筑物mesh模型。本发明通过对建筑物mesh面片中的平整区域进行多尺度特征提取，得到建筑物平面基元，并恢复建筑物平面基元之间的平行、垂直关系，作为简化过程中重点保持的建筑物特征，同时，通过平面基元之间的规则性、邻接性来恢复部分建筑物平面基元之间的拓扑关系，提升了简化后mesh模型的几何精度和拓扑正确性，更好地保持了建筑物的尖锐特征。