一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法及装置与流程

1.本发明涉及数据模型技术领域，具体涉及一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法及装置。


背景技术：

2.近年来，随着测绘领域技术的快速发展，倾斜摄影技术以多角度、大范围、高精度、高分辨率的方式快速获取城市区域影像，可快速建立大规模高分辨率三维模型，有效地降低了三维建模的成本，广泛应用于全国各地三维模型生产。但是，随着场景的扩大以及对模型细节精度要求的提高，三维模型的数据量也显著增大，给计算机实时计算、传输、处理和显示带来了困难，需要对大规模的倾斜三维模型进行轻量化处理。
3.模型轻量化引起不少学者的关注，目前的研究主要集中于人工或者参数化模型的轻量化，如中国专利（cn113658327a）提出一种煤矿三维模型数据的轻量化方法和装置，其中，方法包括：对煤矿三维模型数据进行分块处理，以获取多个原数据块；对每个原数据块进行三角面简化处理及纹理多级渐远处理，以获取处理后的第一数据块；对每个第一数据块进行纹理合并和几何合并，以获取处理后的第二数据块；对每个第二数据块进行纹理压缩和几何压缩，以获取处理后的第三数据块。该方法通过对煤矿三维模型数据进行分块得到每个数据块，进行三角面简化处理、纹理多级渐远处理、合并和压缩处理，减少了模型数据量，实现了煤矿三维模型数据的轻量化，使得前端能够快速加载煤矿三维模型，减少了前端加载时长。但是，倾斜模型分块存在一定的重叠，很难移除重复的顶点与面。而且，模型分块以后很难保持结构特征，其纹理特征也不连续。
4.再如中国专利（cn105160942a）提供一种面向船舶可视导航的通航环境可视化表示方法，包括几何层：包括通航环境和主题要素的几何模型、初始位置和状态、船舶的动态数据、运动导航点位置信息；物理层用于表示主题要素在通航环境中的物理特性和应遵循的物理规律；时态层基于时间密度，将通航环境和主题要素的时态特征归纳为状态和过程，将研究的时间域指定为连续模型；建立语义层，包括专题语义、空间语义和过程语义，反映通航环境要素动态变化过程的物理本质及对船舶可视导航的影响。通过采用本发明方法，将通航环境和主题要素集成到统一的时空框架下，实现通航环境信息的集中、统一表示，提高了可视化时空分析的准确性和效率。 但是，倾斜模型分块以后，虽然每个分块包含lod信息，其渲染效率仍然比较低，需要对倾斜模型进一步轻量化处理。
5.因此，亟需一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法及装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出一种面向可视化的倾斜三维模型轻量化方法，解决大规模倾斜三维模型可视化的问题。具体的，通过优化模型的索引树，以及几何和纹理数据压缩，实现大规模倾斜模型的轻量化处理。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法，所述方法包括：步骤s1、模型遍历：读取现有数据源中的模型根节点，统计包括模型的包围盒、根节点数目和模型的瓦片范围，计算模型的优化层级；步骤s2、模型索引树构建：基于步骤s1中的模型根节点读取结果，计算新的模型瓦片范围，建立新的模型索引树；所述步骤s2中计算新的模型瓦片范围包括模型外包框的平均宽度和高度，所述平均宽度和高度的计算公式如下：（1）；式中：n为倾斜模型的节点个数，、为每个模型外包框的宽度和高度；步骤s3、新模型根节点构建：根据步骤s2中构建的新模型索引树，计算新模型的根节点；所述计算新模型根节点包括生成模型的几何网格和纹理；所述步骤s3中几何网格的计算包括计算新网格的屏幕误差，计算公式如下：（2）；式中：为新的倾斜模型的屏幕误差，为原始的倾斜模型的屏幕误差，n为相交的倾斜模型节点数目；所述步骤s3中纹理的计算包括计算几何高度，计算公式如下：（3）；式中：m为计算系数，w和h为原始的几何网格的宽度和高度，表示为vfp数值函数的一种；步骤s4、模型压缩：根据步骤s3中的新模型根节点，对模型进行压缩；所述压缩包括对几何网格和纹理数据的压缩。
8.优选地，根据上述计算（1）的模型外包框的平均宽度和高度，按照平均4n个根节点综合为一个新根节点，计算新根节点的宽度和高度，其中n≥1，计算公式如下：
（4）；式中：、为新根节点的宽度和高度。
9.优选地，根据上述计算（4），将原始数据范围划分为网格，所述网格包括移动相交框和移动搜索框；计算每个模型外包框与移动相交框的相交面积和模型外包框的面积比，计算公式如下：（5）；式中： 、、为相交面积、外包框面积和相交比例。
10.优选地，根据上述计算（5），按照平均16n个根节点综合为一个新根节点，计算移动搜索框和新根节点，生成新根节点的几何网格和纹理，其中n≥1。
11.优选地，根据上述计算（3），计算新模型的纹理坐标（，），计算公式如下：（6）；式中：为倾斜模型外包框的左下角点，为目标点。
12.优选地，根据上述计算（6），计算正射相机的位置：（7）；式中：为相机的平均高度，按照自左至后、自上向下生成模型的纹理。
13.优选地，所述步骤s1中计算优化的层级，计算公式如下：（8）；num为原始倾斜模型块的个数，floor为向下取整函数。
14.优选地，所述步骤s1中的现有数据源，包括n个lod的倾斜摄影模型数据集，其中n≥1。
15.优选地，所述步骤s2中模型索引树构建包括基于四叉树的倾斜三维模型索引树构建。
16.优选地，一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法，其特征在于，还包括一种大规模倾
斜摄影模型轻量化装置，所述大规模倾斜摄影模型轻量化装置包括获取单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元；所述获取单元，用于获取步骤s1中的现有数据源；所述第一计算单元，用于步骤s1模型遍历，对现有数据源进行读取、统计和计算；所述第二计算单元，用于步骤s2模型索引树构建，基于步骤s1中的模型根节点，计算新的模型瓦片范围，并建立新的模型索引树；所述第三计算单元，用于步骤s3新模型根节点构建，计算生成三维模型根节点；所述第四计算单元，用于步骤s4数据压缩。
17.本技术的优点和效果如下：1、本发明所提供的一种大规模倾斜三维模型轻量化方法，通过对现有的三维模型节点综合形成新的节点，优化模型的层级，提高大规模倾斜三维模型的调度速度。
18.2、本发明所提供的一种大规模倾斜三维模型轻量化装置，包含信息统计、构建索引树、生成模型节点和模型压缩等计算单元。
19.上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
20.根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
22.显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.其中：图1为本发明一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法流程图；图2为本发明一种大规模倾斜摄影模型轻量化装置示意图；图3为倾斜摄影原始模型节点示意图；图4为倾斜模型节点的示意图；图5为节点计算示意图；图6为l
11
节点模型选取示意图；图7为为l
11
几何网格计算示意图；图8为纹理计算示意图。
具体实施方式
24.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，并不对本发明作任何形式的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有
做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
26.在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围；在本发明说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。
27.实施例1本实施例主要介绍一种大规模倾斜摄影模型轻量化方法的总体流程。
28.请参考图1所示。
29.步骤s1、模型遍历：读取现有数据源中的模型根节点，统计包括模型的包围盒、根节点数目和模型的瓦片范围，计算模型的优化层级；进一步的，所述步骤s1中计算优化的层级，计算公式如下：（8）；num为原始倾斜模型块的个数，floor为向下取整函数。
30.进一步的，所述步骤s1中的现有数据源，包括n个lod的倾斜摄影模型数据集，其中n≥1。
31.步骤s2、模型索引树构建：基于步骤s1中的模型根节点读取结果，计算新的模型瓦片范围，建立新的模型索引树；所述步骤s2中计算新的模型瓦片范围包括模型外包框的平均宽度和高度，所述平均宽度和高度的计算公式如下：（1）；式中：n为倾斜模型的节点个数，、为每个模型外包框的宽度和高度；进一步的，所述步骤s2模型索引树构建，包括基于四叉树的倾斜摄影的模型索引树构建，计算模型的瓦片大小。
32.步骤s3、新模型根节点构建：根据步骤s2中构建的新模型索引树，计算新模型的根节点；所述计算新模型根节点包括生成模型的几何网格和纹理；所述步骤s3中几何网格的计算包括计算新网格的屏幕误差，计算公式如下：
（2）；式中：为新的倾斜模型的屏幕误差，为原始的倾斜模型的屏幕误差，n为相交的倾斜模型节点数目；所述步骤s3中纹理的计算包括计算几何高度，计算公式如下：（3）；式中：m为计算系数，w和h为原始的几何网格的宽度和高度，表示为vfp数值函数的一种；步骤s4、模型压缩：根据步骤s3中的新模型根节点，对模型进行压缩；所述压缩包括对几何网格和纹理数据的压缩。
33.进一步的，根据上述计算（1）的模型外包框的平均宽度和高度，按照平均4n个根节点综合为一个新根节点，计算新根节点的宽度和高度，其中n≥1，计算公式如下：（4）；式中：、为新根节点的宽度和高度。
34.进一步的，根据上述计算（4），将原始数据范围划分为网格，所述网格包括移动相交框和移动搜索框；计算每个模型外包框与移动相交框的相交面积和模型外包框的面积比，计算公式如下：（5）；式中： 、、为相交面积、外包框面积和相交比例。
35.进一步的，根据上述计算（5），按照平均16n个根节点综合为一个新根节点，计算移动搜索框和新根节点，生成新根节点的几何网格和纹理，其中n≥1。
36.进一步的，根据上述计算（3），计算新模型的纹理坐标（，），计算公式如下：
（6）；式中：为倾斜模型外包框的左下角点，为目标点；进一步的，根据上述计算（6），计算正射相机的位置：（7）；式中：为相机的平均高度，按照自左至后、自上向下生成模型的纹理。
37.进一步的，所述步骤s3模型节点生成，生成的新模型节点，包括几何网格和纹理。
38.进一步的，所述步骤s4模型压缩，包括对几何和纹理数据的压缩。
39.进一步的，所述步骤1-4基于步骤s1中的数据源，所述数据源包括多个分块lod的倾斜摄影数据集。
40.本实施例的有益效果是，充分利用现有的倾斜三维模型数据结构，优化模型的层次结构，并生成更高层次模型节点，并利用几何和纹理数据压缩算法，实现大规模倾斜三维模型在网络环境下的高效调度与流畅渲染。
41.实施例2本实施例主要介绍一种大规模倾斜摄影模型轻量化装置。
42.请参考图2所示。
43.一种大规模倾斜摄影模型轻量化装置，包括获取单元、第一计算单元、第二计算单元、第三计算单元和第四计算单元；所述获取单元，用于获取现有数据源，所述获取的现有数据源用于步骤s1；具体的，用于获取待处理的包含lod的倾斜模型数据集；所述第一计算单元，用于步骤s1模型遍历，对现有数据源进行读取、统计和计算；具体的，用于对所述获取单元所获取数据进行统计总的包围盒，以及相关的坐标系以及中心点信息，计算模型优化的层级；在本实施例中，所述第一计算单元具体用于包括：所述步骤s1中计算优化的层级，计算公式如下：（8）；num为原始倾斜模型块的个数，floor为向下取整函数。
44.所述第二计算单元，用于步骤s2模型索引树构建，基于步骤s1中的模型根节点，计算新的模型瓦片范围，并建立新的模型索引树；具体的，用于建立新的模型索引树，基于现有的节点计算新的模型瓦片节点范围，并确定模型新的索引树；在本实施例中，所述第二计算单元具体用于包括：
所述步骤s2中计算新的模型瓦片范围包括模型外包框的平均宽度和高度，所述平均宽度和高度的计算公式如下：（1）；式中：n为倾斜模型的节点个数，、为每个模型外包框的宽度和高度；根据上述计算（1）的模型外包框的平均宽度和高度，按照平均4n个根节点综合为一个新根节点，计算新根节点的宽度和高度，其中n≥1，计算公式如下：（4）；式中：、为新根节点的宽度和高度。
45.根据上述计算（4），将原始数据范围划分为网格，所述网格包括移动相交框和移动搜索框；计算每个模型外包框与移动相交框的相交面积和模型外包框的面积比，计算公式如下：（5）；式中： 、、为相交面积、外包框面积和相交比例。
46.根据上述计算（5），按照平均16n个根节点综合为一个新根节点，计算移动搜索框和新根节点，生成新根节点的几何网格和纹理，其中n≥1。
47.所述第三计算单元，用于步骤s3新模型根节点构建，计算生成三维模型根节点；具体的，用于根据新的索引树，计算生成模型的几何网格和纹理；在本实施例中，所述第三计算单元具体用于包括：步骤s3、新模型根节点构建：根据步骤s2中构建的新模型索引树，计算新模型的根节点；所述计算新模型根节点包括生成模型的几何网格和纹理；所述步骤s3中几何网格的计算包括计算新网格的屏幕误差，计算公式如下：
（2）；式中：为新的倾斜模型的屏幕误差，为原始的倾斜模型的屏幕误差，n为相交的倾斜模型节点数目；所述步骤s3中纹理的计算包括计算几何高度，计算公式如下：（3）；式中：m为计算系数，w和h为原始的几何网格的宽度和高度，表示为vfp数值函数的一种；根据上述计算（3），计算新模型的纹理坐标（，），计算公式如下：（6）；式中：为倾斜模型外包框的左下角点，为目标点；根据上述计算（6），计算正射相机的位置：（7）；式中：为相机的平均高度，按照自左至后、自上向下生成模型的纹理。
48.所述第四计算单元，用于步骤s4数据压缩。具体的，用于数据压缩，主要包括几何和纹理数据压缩。
49.本实施例的有益效果是，模型几何网格的连接信息和几何信息分别进行编码压缩，以降低数据复杂性和存储开销。结合一种大规模倾斜三维模型轻量化方法，通过本装置进一步实现对海量倾斜三维模型的轻量化处理，实现大规模倾斜三维模型载网络环境下的高效调度与流畅显示。
50.实施例3基于实施例1或2任意一个，本实施例主要介绍步骤s1。
51.请参考图3所示。
52.步骤s1、模型遍历：遍历倾斜三维模型，读取数据源中所有的倾斜模型根节点，统计总的包围盒、节点数目、相关坐标系和中心点信息，计算模型优化的层级。
53.步骤s1中所述的模型编历包括：模型区域的空间范围和根节点数目，确定模型优化的层级。
54.倾斜摄影一般采用金字塔式的从粗到细、由上至下、分层场景树来组织空间数据。
55.如图3所示，将一定范围内的倾斜摄影数据划分为多个块（tile），每个块存储在一个文件夹中，每个文件夹包含了一个根节点文件，通过根节点检索相应的子节点。图3虚线中蓝色方块（g）表示模型根节点，方块的大小表示节点的外包范围，相邻节点之间存在一定的重叠。
56.依次读取每个文件夹中的根节点，计算所有节点的的外包框范围，并记录每个节点外包框的长度和宽度，以及每个模型所在的文件路径。计算优化的层级，计算公式如下：（8）；num为原始倾斜模型块的个数，floor为向下取整函数。
57.本实施例的有益效果是获得优化模型的层级，确定新增的索引树层级。
58.实施例4基于实施例1或2任意一个，本实施例主要介绍步骤s2。
59.请参考图4、5、6所示。
60.步骤s2、模型索引树构建：基于步骤s1，计算新的模型瓦片范围，确定模型索引树。
61.步骤s2中所述的模型索引树，计算包括：计算新的模型瓦片范围，确定新的模型的索引树。
62.如图4所示，将原始的根节点相邻的一定空间范围内的3个或者4个节点，向上合并化简为一个更为粗糙的lod层级，模型根节点的数量大约为原始1/4，合并两次以后的节点为，合并三次以后的根节点为，每个方块大小表示节点的空间范围。
63.1）计算所有节点外包框的平均宽度和高度，计算公式如下：（1）；式中：n为倾斜模型的节点个数，、为每个模型外包框的宽度和高度。
64.2）根据倾斜模型的平均宽和高，按照平均4个节点综合为一个新节点，计算综合之后新节点的宽和高，计算公式如下：（4）；其中：、为新根节点的宽度和高度，计算移动平均框的范围，将原始数据范围划分为网格。其中图5所示的移动相交框。
65.3）按照自下而上、自左向右的顺序，移动相交框，计算每个模型外包框与的相交面积和模型外包框的面积比，如果相交比例大于50%，则调度该模型的数据文件，计算公式如下。
66.（5）；式中： 、、为相交面积、外包框面积和相交比例。图6中（a）所示的s1、s2为节点的外包框，和为相交面积。
67.4）一个节点计算完成以后，如图5中所示，按照平均16个节点综合为一个新节点，计算新的移动搜索框和新节点大小，生产新节点的几何网格和纹理，直到生成满足要求的层级结束。
68.本实施例的有益效果是计算不同层级倾斜模型的链接关系，确定模型的索引结构。
69.实施例5基于实施例1或2任意一个，本实施例主要介绍步骤s3。
70.请参考图7、8所示。
71.步骤s3中所述的新模型节点构建包括：生成模型的几何网格和纹理。
72.主要的流程如下：1）根据图7所示，根据的几何外包框范围，按照从下到上、从左到右的顺序，计算每条直线与网格的交点，计算相交点的高程，取高程最高的相交点的高程为点的高度。计算新网格的屏幕误差，计算公式如下：（2）；式中：为新的倾斜模型的屏幕误差，为原始的倾斜模型的屏幕误差，n为相交的倾斜模型节点数目。
73.2）基于rtt(render to texture)方法生成模型的纹理。如图8中（a）所示，采用正射投影方法，相机的方向为垂直向下，生成纹理；图7中（b）为块的几何位置，原始的几何范围的宽度和高度为w和h，为了后续的可视化的效率，纹理高度和宽度一般为2的倍数，假设生成纹理的宽度512个像素，需要重新计算纹理的对应的几何高度，其计算公式为：（3）；根据新的外包范围，计算生成新的几何顶点的纹理坐标，图中p点的纹理坐标（，）计算公式如下：
（6）；其中：为倾斜模型外包框的左下角，图8中（c）中蓝色框为、、倾斜摄影块修正以后的几何外包框，黑色点为新的几何外包框的中心，可以计算正射相机的位置为：（7）；式中：为相机的平均高度，按照自左至后、自上向下生成模型的纹理。
74.本实施例的有益效果是生成新的模型节点，包括其几何和纹理数据。
75.实施例6基于实施例1或2任意一个，本实施例主要介绍步骤s4。
76.请参考图2所示。
77.步骤s4、模型压缩：对模型进行压缩，减少模型的数据量。
78.首先对纹理进行压缩处理，处理成高效渲染的dds格式。通过draco压缩技术，对模型几何网格的连接信息和几何信息分别进行编码压缩，可节省约80%的存储空间，以降低数据复杂性和存储开销。
79.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
80.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。