專利名稱：基于建筑圖紙的中國(guó)古代建筑過程建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、過程建模技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于識(shí)別中國(guó)古代建筑圖
紙，自動(dòng)提取規(guī)則，生成三維建筑模型領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
建筑學(xué)家Stiny[Stiny72]首先提出形狀語法的概念。形狀語法成功用于建筑物 設(shè)計(jì)與分析、構(gòu)建。原始的形狀語法直接作用于線和點(diǎn)，決定他們的分布。推理規(guī)則可以表 示為畫線和點(diǎn)并命名它們。實(shí)際中，這將導(dǎo)致一個(gè)推導(dǎo)問題，因?yàn)樵诿恳徊酵茖?dǎo)中，將有許 多規(guī)則可以選擇，且有許多不同的變換。 為使形狀語法更加適用于圖形學(xué)，Wonka[Wonka03]和Muller [Muller06]等人引 進(jìn)了一個(gè)框架，其中的形狀可以被一個(gè)、兩個(gè)或更多個(gè)子形狀替換并引入了規(guī)則自動(dòng)推理 機(jī)制。只有自動(dòng)規(guī)則推導(dǎo)能進(jìn)行大規(guī)模的過程建模。Wonka等人設(shè)計(jì)的原始語法主要精力 集中在采用分裂操作使得規(guī)則之間的尺寸獨(dú)立。分裂操作可以沿分裂平面切分基本形狀 (例如立方體)。獨(dú)立于規(guī)則的尺寸允許設(shè)計(jì)者指定一個(gè)分裂平面位置在基本形狀改變時(shí) 怎么改變，以及多少分裂平面應(yīng)該用于一個(gè)確定大小的形狀。 Muller [Muller06]在分裂規(guī)則的基礎(chǔ)上，加入了一些其他功能，提出了 CGA語法。
首先，他引入了粗糙模型的形狀操作，建筑模型的粗糙模型由一些簡(jiǎn)單形狀的組合構(gòu)成。粗
糙模型使用起來非常直接，而且與建筑的實(shí)際設(shè)計(jì)過程一致。其次，他們引入了上下文相關(guān)
規(guī)則來控制模型的生成，使得大量不同的建筑模型可以基于規(guī)則自動(dòng)生成。 Lipp[Lipp08]引進(jìn)了交互語法編輯的方法，代替文本編輯規(guī)則，使得完全采用圖
形用戶接口設(shè)計(jì)、編輯規(guī)則成為可能。該文獻(xiàn)主要解決了模型編輯中的語義選擇和一致性
修改問題，該方法使過程建模更易被用戶所接受。 近來，將計(jì)算機(jī)視覺和過程建模的方法結(jié)合起來已經(jīng)取得了一定成功。 Muller[Muller07]等借助分裂規(guī)則的思想，設(shè)計(jì)了 一個(gè)針對(duì)建筑立面單幅圖像自頂 向下的分析方法，首先，找到圖像中重要的對(duì)稱重復(fù)結(jié)構(gòu)，然后規(guī)約得到不可再分子圖 (irreducible facade)。其用全局優(yōu)化用來尋找分裂線以確定建筑外立面的行和列。進(jìn)一 步的細(xì)分類似[Muller06]的分裂規(guī)則，最后的提取出形狀語法規(guī)則的參數(shù)。這使得重建生 成變化的建筑成為可能。 Aliaga[Aliaga07]提出一種Style Grammar,自動(dòng)從已經(jīng)分割并標(biāo)記的圖像中提 取規(guī)則，能夠快速生成同樣風(fēng)格的不同建筑。采用若干已獲取的模型，可以很快設(shè)計(jì)出新的 模型，他們具有類似的風(fēng)格，可以采用真實(shí)感或非真實(shí)感的方法繪制出來。此外，他還利用 多幅圖像解決遮擋問題并使用顏色方程算法使其適用于光線變化很大的情況。
目前的文獻(xiàn)中還沒有基于建筑圖紙生成建筑規(guī)則的研究成果報(bào)道，但是在建筑 圖紙識(shí)別方面已經(jīng)有了一些研究成果。基于圖紙的建筑建模已經(jīng)有了深入研究，Yin等 [Yin09]綜述了有關(guān)工作，針對(duì)建筑平面圖，通過識(shí)別特定符號(hào)和直線識(shí)別圖紙，主要解決 去除噪聲、文字提取、矢量化和符號(hào)識(shí)別等問題。Lu等[Lu07]設(shè)計(jì)了一個(gè)建筑平面圖紙識(shí)2/5頁
別系統(tǒng)，先識(shí)別平行線段對(duì)作為墻并移除，剩下圖形作為符號(hào)與預(yù)先定義的符號(hào)進(jìn)行模式 匹配，達(dá)到識(shí)別目的。但以上都是針對(duì)建筑平面圖紙，生成建筑內(nèi)部模型。Chen等[Chen08] 研究了基于草圖的建筑建模，使用基于MAP (Maximum APosteriori)的方法識(shí)別草圖，生成 粗糙模型，得到建筑物的基本平面，然后在樣例庫中檢索組件和紋理添加到每個(gè)基本平面 中，構(gòu)造出完整建筑物的三維模型。但是這個(gè)方法主要解決的問題是基于草圖的三維重建 和檢索，而不是直接識(shí)別圖紙。上述這些方法都是通過與事先定義的模式或符號(hào)進(jìn)行匹配， 實(shí)現(xiàn)建筑圖紙的自動(dòng)識(shí)別。但是，在過程建模中，為了自動(dòng)生成規(guī)則，需要識(shí)別建筑立面圖， 而這無法事先定義，因此從建筑圖紙自動(dòng)生成規(guī)則的難度很大。 [Stiny72] G. Stiny and J. Gips. Shape Grammars and the Generative Specification ofPainting and Sculpture. Proc. IFIP Congress 71， North-Holland, 1972 :1460-1465. [Wonka03] Wonka P. ， Wimmer M. ， Sillion F. ， Ribarsky W. Instant
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題將過程建模技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺結(jié)合起來，自動(dòng)從建筑
圖紙中提取規(guī)則，生成三維建筑模型。
本發(fā)明采用的解決方案，涉及主要技術(shù)如下 (1)基于建筑組件重復(fù)特點(diǎn)，分割圖紙，得到建筑組件。
(2)自頂向下分割圖紙，得到建筑的層次樹結(jié)構(gòu)，基于該層次結(jié)構(gòu)，采用BeliefPropagation方法識(shí)別建筑組件類型，得到建筑模型語義。
(3)基于模型語義，歸納規(guī)則，結(jié)合模型組件庫，生成建筑模型。


圖l為輸入的圖紙圖像； 圖2為填充得到的區(qū)域組模型，同一區(qū)域組用同一種顏色表示； 圖3為區(qū)域組1的變換； 圖4為區(qū)域組1的RPT; 圖5為區(qū)域組2的變換； 圖6為區(qū)域組2的RPT; 圖7為模式匹配后的結(jié)果； 圖8為區(qū)域生長(zhǎng)后得到的組件分割結(jié)果； 圖9為按水平方向分割得到的層次模型； 圖10為一個(gè)抽象的建筑立面圖； 圖11為建筑立面的層次樹，其中數(shù)字表示結(jié)點(diǎn)編號(hào)，英文字母表示葉子結(jié)點(diǎn)類 型； 圖12a和圖12b為生成的三維建筑模型。
具體實(shí)施例方式(1)基于建筑組件重復(fù)特點(diǎn)，分割圖紙，得到建筑組件
輸入的中國(guó)古代建筑圖紙的圖像如圖1所示， 注意到模型組件，如門、窗、柱、瓦、斗拱等，在圖中都具有重復(fù)性，所以利用這種重 復(fù)特點(diǎn)從數(shù)據(jù)中分割出重復(fù)單元。主要解決不同重復(fù)單元的組合問題。
首先，用洪泛濫(Flood Fill)方法填充圖像，得到基本區(qū)域，并在水平方向上匹配 形狀大小相同區(qū)域，組合到一起得到區(qū)域組，填上相同的顏色，如圖2所示。這是六個(gè)門。區(qū) 域組1和區(qū)域組2代表兩個(gè)不同的區(qū)域組。 為了將具有同樣重復(fù)模式的區(qū)域組組合到一起，得到建筑組件，我們?cè)O(shè)計(jì)了重復(fù) 模式樹(R印etitive Pattern Tree, RPT)來表示每個(gè)區(qū)域組所有可能的重復(fù)模式，并用來 匹配不同的區(qū)域組。 一個(gè)區(qū)域組的所有可能重復(fù)模式都被編碼在它的RPT中。RPT的構(gòu)造 方式如下首先將構(gòu)造每個(gè)區(qū)域組的變換表，每個(gè)頂點(diǎn)表示一個(gè)區(qū)域，每條邊表示相鄰兩區(qū) 域之間的變換，對(duì)于區(qū)域組l，其變換表如圖3所示，相同的變換被標(biāo)記上相同的字母，在區(qū) 域組1中共有ABC三類不同的變換。 得到變換表后，用它來構(gòu)造RPT。首先刪除變換表中重復(fù)次數(shù)最少的邊，如果剩下 的連同分量是相同的，則完成一次分裂，得到RPT的一層。然后繼續(xù)刪除重復(fù)次數(shù)最少的 邊，如此循環(huán)下去，直到?jīng)]有連接邊為止。在上例中，首先刪除邊C，發(fā)現(xiàn)剩下的連同分量為 ABA， ABA， ABA，因此生成RPT的第一層，第二步刪除邊B，剩下的連同分量為A， A， A， A， A， A， 因此生成PRT的第二層，最后，刪除邊A，得到RPT的最后一層，生成的RPT如圖4所示。RPT 的每一層表示該區(qū)域組的一種重復(fù)模式。區(qū)域組2變換表和RPT分別如圖5圖6所示。
兩棵RPT的匹配如果兩棵RPT的第n層匹配，那么它們的第O，l，…，n層都匹
5配。針對(duì)兩棵RPT，我們從第O層開始逐層匹配(第O層是根節(jié)點(diǎn)，任何兩個(gè)RPT的第O層 都匹配)，直到不能匹配為止，得到匹配層數(shù)m。如果m > 0，則認(rèn)為兩棵樹匹配，否則不匹 配。 在上例中區(qū)域組1和區(qū)域組2的第0， 1，2層均匹配，因而得到區(qū)域組1按兩兩重 復(fù)，區(qū)域組2按三三重復(fù)可以匹配到一起，也可以得到門組件的重復(fù)模式。在圖紙中，我們 求得每個(gè)區(qū)域組的RPT，并匹配它們，將相匹配的區(qū)域組合并，得到結(jié)果如圖7所示。
基于RPT的匹配是嚴(yán)格的匹配方法，它可以將嚴(yán)格匹配的區(qū)域組組合到一起，但 是由于遮擋或噪聲等原因，有些應(yīng)匹配的區(qū)域無法匹配到一起，用RPT匹配了所有區(qū)域之 后，得到多個(gè)匹配模式，每種匹配模式的優(yōu)先級(jí)定義為每個(gè)模式中匹配區(qū)域的總個(gè)數(shù)。按照 優(yōu)先級(jí)由大到小，對(duì)于每個(gè)模式，把它作為標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)模式，用來與之相鄰的區(qū)域匹配生長(zhǎng)， 計(jì)算相鄰區(qū)域相對(duì)它的冗余率和缺失率，近似匹配相鄰區(qū)域，生長(zhǎng)得到模型組件。生長(zhǎng)結(jié)果 如圖8所示 (2)生成結(jié)構(gòu)樹，采用BP識(shí)別組件類型 上一步中，我們自底向上的合并區(qū)域得到建筑組件，下面我們自頂向下分割，得到 整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)樹，然后識(shí)別每個(gè)組件的類型，得到模型的語義結(jié)構(gòu)樹。
因?yàn)橹袊?guó)古代建筑具有明顯的分層次結(jié)構(gòu)特征，我們?cè)谒胶拓Q直方向上分割圖 紙，直到只有單一組件類型為止，這樣得到分層次表示模型的結(jié)構(gòu)樹。結(jié)構(gòu)樹的葉子結(jié)點(diǎn)表 示一個(gè)組件類型，非葉子結(jié)點(diǎn)表示其子結(jié)點(diǎn)中組件類型的復(fù)合。第一層次的分割結(jié)果如圖9 所示。因?yàn)椴煌M件之間存在相互制約關(guān)系，所以不同組件類型不宜單獨(dú)識(shí)別，應(yīng)該確定他 們之間的依賴關(guān)系一起識(shí)別。我們根據(jù)前面得到的模型結(jié)構(gòu)樹確定組件之間的依賴關(guān)系。 對(duì)于如圖IO所示的建筑正立面結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)樹如圖ll所示，其中數(shù)字表示結(jié)點(diǎn)編號(hào)，英 文字母表示葉子結(jié)點(diǎn)類型。 我們采用分層次的識(shí)別方法，每次識(shí)別一個(gè)層次。在每一層中定義如下能量函 數(shù) 五(O = Z ￡1 (A )五2 (A, cw ) 其中E(l)表示第l層的能量，EjCi)定義了組件Ci的內(nèi)部能量，EjCi，(v》定義 了組件Ci，ci+1之間相互制約的能量。組件Ci，ci+1之間存在相互制約關(guān)系，當(dāng)且僅當(dāng)Ci，ci+1
是相鄰的兄弟結(jié)點(diǎn)。對(duì)于非葉子結(jié)點(diǎn)，需要從它的子結(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)組件類型作為它的代 表。對(duì)于第1層的某個(gè)非葉子結(jié)點(diǎn)，它的所有子結(jié)點(diǎn)的組件類型均被看做在1層中出現(xiàn)一 次，我們?cè)诘?層中選擇重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)最多的組件和已別識(shí)別的組件作為該非葉子結(jié)點(diǎn)的 代表。如果有多個(gè)出現(xiàn)次數(shù)最多的組件，我們選擇在第l層分割方向長(zhǎng)度最長(zhǎng)的一個(gè)組件
作為其代表。確定了組建之間的依賴關(guān)系后，使用Belief Propagation算法優(yōu)化能量函數(shù) E(l)。 對(duì)于圖11中的例子，第0層是根結(jié)點(diǎn)，不需要識(shí)別。第1層中，結(jié)點(diǎn)2是非葉子結(jié) 點(diǎn)，選擇組件B作為其代表，第2層中，結(jié)點(diǎn)5、7、9的代表均為組件C。
(3)歸納規(guī)則及模型生成 基于第(2)步中得到的模型語義結(jié)構(gòu)樹，采用過程建模的方法，歸納規(guī)則，生成模 型。語義結(jié)構(gòu)樹表示了模型的自頂向下的層次結(jié)構(gòu)和語義信息。我們采用CGA語法，從結(jié)構(gòu)樹中得到模型規(guī)則，并結(jié)合中國(guó)古代建筑的先驗(yàn)知識(shí)，確定絕對(duì)和相對(duì)參數(shù)。其中缺少的 深度數(shù)據(jù)有用戶交互指定。我們建立了三維模型組件庫，根據(jù)組件圖紙和類型從組件庫中 檢索組件的三維模型，然后根據(jù)前面歸納的規(guī)則，將組件組合到一起，生成帶有語義信息的 三維建筑模型。通過修改參數(shù)，可以生成變化的不同模型。圖12為生成的三維建筑模型和 通過修改參數(shù)，自動(dòng)添加門窗個(gè)數(shù)，得到的不同模型。
權(quán)利要求
基于建筑圖紙的中國(guó)古代建筑過程建模方法，其特征在于包括如下步驟(1)基于建筑組件重復(fù)特點(diǎn)，自底向上聚合區(qū)域，得到建筑組件；(2)自頂向下分割圖紙，得到建筑的層次樹結(jié)構(gòu)，基于該層次樹結(jié)構(gòu)，采用BeliefPropagation方法識(shí)別建筑組件類型，得到建筑模型語義樹；(3)基于上述建筑模型語義樹，歸納規(guī)則，結(jié)合模型組件庫，生成建筑模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于建筑圖紙的中國(guó)古代建筑過程建模方法，其特征在于 所述的步驟(1)中基于建筑組件重復(fù)特點(diǎn)，分割圖紙，得到建筑組件的方法為填充圖紙得 到區(qū)域后，在水平方向上匹配相同的區(qū)域得到區(qū)域組，然后生成每個(gè)區(qū)域組的重復(fù)模式樹， 根據(jù)所述重復(fù)模式樹匹配合并具有相同重復(fù)模式的區(qū)域組，從而得到建筑組件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于建筑圖紙的中國(guó)古代建筑過程建模方法，其特征在于所述的步驟(2)中自頂向下分割圖紙，得到建筑的層次樹結(jié)構(gòu)，基于該層次樹結(jié)構(gòu)，采用 Belief Propagation方法識(shí)別建筑組件類型，得到建筑模型語義樹的方法為在水平和豎 直方向分割圖紙，直到第(1)步中得到的模型組件為止，得到模型結(jié)構(gòu)樹；在模型結(jié)構(gòu)樹中 構(gòu)建不同組件類型之間的依賴關(guān)系圖，采用Belief Propagation識(shí)別模型組件，得到模型 語義樹；所述依賴關(guān)系圖的構(gòu)建方法是所述模型語義樹的兄弟結(jié)點(diǎn)依次構(gòu)成鏈狀依賴， 具有相同類型組件的不同兄弟結(jié)點(diǎn)組之間存在相互依賴關(guān)系；對(duì)于非葉子結(jié)點(diǎn)，則選取重 復(fù)度最高，長(zhǎng)度最長(zhǎng)的組件和已識(shí)別的組件作為該非葉子結(jié)點(diǎn)的代表，構(gòu)成依賴關(guān)系圖的 頂點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于建筑圖紙的中國(guó)古代建筑過程建模方法，其特征在于 所述的步驟(3)中基于模型語義樹，歸納規(guī)則，結(jié)合模型組件庫，生成建筑模型的方法為 基于中國(guó)古代建筑的先驗(yàn)知識(shí)和步驟(2)中得到的模型語義樹，歸納模型生成規(guī)則，結(jié)合 三維模型組件庫生成建筑模型，并基于模型生成規(guī)則生成變化的不同模型。
全文摘要
基于建筑圖紙的中國(guó)古代建筑過程建模方法，步驟如下(1)基于建筑組件重復(fù)特點(diǎn)，分割圖紙，得到建筑組件。(2)自頂向下分割圖紙，得到建筑的層次樹結(jié)構(gòu)，基于該層次結(jié)構(gòu)，采用Belief Propagation方法識(shí)別建筑組件類型，得到建筑模型語義。(3)基于模型語義，歸納規(guī)則，結(jié)合模型組件庫，生成建筑模型。
文檔編號(hào)G06T17/00GK101694727SQ20091023559
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者侯飛, 趙沁平, 齊越 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué);