基于格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則和多標(biāo)簽圖割最小化的城市建筑可視化的方法
【專利摘要】為了使大規(guī)模城市建筑的可視化結(jié)果盡可能符合人們空間認(rèn)知，本發(fā)明提出基于格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則和多標(biāo)簽圖割最小化的城市建筑可視化的方法。首先，基于格式塔心理學(xué)鄰近性、相似性和規(guī)則性等準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)城市建筑輪廓圖的預(yù)聚類，為了解決建筑輪廓圖聚類間的沖突，利用多標(biāo)簽圖割建立能量優(yōu)化函數(shù)，最優(yōu)化求解計(jì)算城市建筑優(yōu)化分組；通過不同層次的聚類閾值，實(shí)現(xiàn)了每一組內(nèi)建筑輪廓的多細(xì)節(jié)層次綜合；利用索引樹SceneTree實(shí)現(xiàn)了多層次細(xì)節(jié)模型的快速索引，利用并行計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模城市場景的快速可視化；與已有方法相比，本發(fā)明對(duì)大規(guī)模復(fù)雜城市建筑模型具有很高的綜合精度和可視化效率，在城市導(dǎo)航、空間位置服務(wù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】基于格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則和多標(biāo)簽圖割最小化的城市建筑可 視化的方法 一、

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則和多標(biāo)簽圖割最小化的城市建筑可視化的方 法，屬于空間信息【技術(shù)領(lǐng)域】。 二、

【背景技術(shù)】
[0002] 城市建筑模型的快速三維交互式可視化作為"數(shù)字城市"重要的組成部分，受到越 來越多的關(guān)注?？梢暬磉_(dá)大場景的建筑實(shí)體，使之滿足人們的視覺習(xí)慣，符合人們對(duì)城市 的印象，幫助人們準(zhǔn)確而快速的獲取城市空間信息，是地理空間信息認(rèn)知和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng) 域的重要研究內(nèi)容。為了加快大場景、高密度城市建筑的可視化速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互操作， 需要對(duì)建筑模型進(jìn)行綜合并建立細(xì)節(jié)層次模型（L0D)。相對(duì)于矢量數(shù)據(jù)，建筑物模型呈現(xiàn)出 不同的幾何特性，每棟建筑由一個(gè)或幾個(gè)多邊形組成，而每個(gè)多邊形包含很少，或不包含幾 何信息冗余。同時(shí)城市是一個(gè)高度人性化的系統(tǒng)，建筑的綜合和可視化表達(dá)不僅要考慮幾 何和拓?fù)渖系年P(guān)系，更要考慮人的認(rèn)知規(guī)律。
[0003] 為了使城市建筑可視化的結(jié)果符合人們空間認(rèn)知的原理，本發(fā)明提出了一種基于 格式塔心理學(xué)與多標(biāo)簽圖割最小化實(shí)現(xiàn)大規(guī)模城市建筑綜合與可視化的方法。首先，基于 城市建筑格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則的鄰近性、相似性和規(guī)則性，實(shí)現(xiàn)城市建筑模型的預(yù)分組；為了 解決建筑輪廓格式塔分組的沖突，通過多標(biāo)簽圖割建立能量函數(shù)，并使用標(biāo)簽代價(jià)進(jìn)行最 優(yōu)求解，獲得了城市建筑最優(yōu)化分組；通過不同層次的聚類閾值，利用索引樹SceneTree實(shí) 現(xiàn)多層次細(xì)節(jié)模型的的快速合并與可視化。與已有方法相比，本發(fā)明對(duì)大規(guī)模復(fù)雜城市建 筑模型具有較高的綜合精度和較高的可視化效率，并能保證標(biāo)志性建筑在綜合前后結(jié)構(gòu)形 態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。本發(fā)明在城市導(dǎo)航、空間位置服務(wù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。 三、


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 1、目的：以往綜合方法生成的三維城市場景難以兼顧建筑仿真和城市意象的可視 化應(yīng)用，本發(fā)明提出了一種基于格式塔心理學(xué)與多標(biāo)簽圖割最小化實(shí)現(xiàn)大規(guī)模城市建筑綜 合的方法。與已有方法相比，本發(fā)明對(duì)大規(guī)模復(fù)雜城市建筑模型具有較高的綜合精度和較 高的可視化效率，并能保證標(biāo)志性建筑在綜合前后結(jié)構(gòu)形態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。
[0005] 2、技術(shù)方案：
[0006] 基于格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則和多標(biāo)簽圖割最小化的城市建筑可視化的方法，其特征在 于，包括如下步驟：
[0007] 步驟一：建筑潛在格式塔聚類的提取
[0008] 對(duì)城市建筑分類時(shí)，依據(jù)格式塔心理學(xué)鄰近性、相似性和規(guī)則性等準(zhǔn)則提取城 市建筑空間分布模式，以實(shí)現(xiàn)滿足格式塔心理學(xué)規(guī)則的建筑聚類。對(duì)街區(qū)內(nèi)的建筑集合 GHBm Bp . . .，Bn}依據(jù)上述格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行聚類分析，把屬于同一類型的建筑劃分 為一類。
[0009] 鄰近性：用建筑輪廓多邊形之間的鄰近距離衡量建筑間的鄰近性程度，把距離小 于閾值tp的建筑歸為一類Gp :
[0010] GP={(Bi,BJ) IcKB^BjXtJ (1)
[0011] 式⑴中，(KBpBj)為建筑ΒρΒ」之間的歐氏距離，tp為距離閾值。
[0012] 相似性：結(jié)合建筑輪廓的兩個(gè)特點(diǎn)提取相似性特征：第一，兩棟建筑輪廓多邊形 面積大小比值應(yīng)在閾值

【權(quán)利要求】
1.基于格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則和多標(biāo)簽圖割最小化的城市建筑可視化的方法，其特征在 于，包括如下步驟： 步驟一：建筑潛在格式塔聚類的提取 對(duì)街區(qū)內(nèi)的建筑集合GHBm Bp . . .，Bn}依據(jù)格式塔心理學(xué)鄰近性、相似性和規(guī)則性等 準(zhǔn)則進(jìn)行聚類分析，把屬于同一類型的建筑劃分為一類； 鄰近性：用建筑輪廓多邊形之間的鄰近距離衡量建筑間的鄰近性程度，把距離小于閾 值\的建筑歸為一類GP: 6ρ={(ΒρΒρ IcKBpBj) < tp} (1) 相似性：兩棟建筑輪廓多邊形面積大小比值應(yīng)在閾值
和之內(nèi)，得到聚類GS1;如果
它們最小外包矩形長和寬有很大差異，比較兩棟建筑輪廓多邊形的最小外包矩形，得到聚 類G S2 ;最后得到相似性的一類Gs :
(2)
(3) GS=GS1 n GS2 (4) 其中，W和Η表示建筑輪廓多邊形的最小外包矩形的寬度和高度，并且
(5) 對(duì)于規(guī)則性特征，側(cè)重于建筑線狀方向一致性；建筑主朝向一致，主朝向的夾角應(yīng)小于 閾值t。，得到聚類GK1 ;另外，計(jì)算聚類中初始建筑仏的中心到當(dāng)前建筑&中心的方向屯， 與建筑&的中心到聚類中上一幢建筑重心的方向dg，對(duì)于屯和dg間夾角Θ ，只要 θdi/ ε ，則認(rèn)為&滿足線狀方向一致性，得到聚類GK2 :
(6) ge=ge1 n gE2 (7) 以仏為起始建筑，初始時(shí)G= {BJ，將滿足上述所定義的格式塔心理學(xué)鄰近性、相似性和 規(guī)則性等準(zhǔn)則的建筑&，...，Bn加入G中，將集合G中元素個(gè)數(shù)不小于3的保留下來； 步驟二：基于多標(biāo)簽圖割最小化的建筑格式塔聚類的優(yōu)化 基于多標(biāo)簽圖割對(duì)格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則的上述特征集成，通過能量函數(shù)（式8)最小化解 決上述沖突；
(8) 上式（8)中，
P表不某一棟建筑，fp表不一種格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則， Dp(fp)表示數(shù)據(jù)代價(jià)，Vp,q(f p，fq)表示平滑代價(jià)，
用來表示標(biāo)注代價(jià)； 為了便于衡量不同格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則所描述的代價(jià)值，把每個(gè)元素所對(duì)應(yīng)的代價(jià)值統(tǒng) 一映射到0-1之間； 鄰近性格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)代價(jià)：賦給一元素鄰近性的代價(jià)值表示為： Dp(fp)=mind(p, q)p, q e Gp (9) 相似性格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)代價(jià)：獲得相似性分組Gs中元素的平均面積元_，計(jì) 算每個(gè)元素 P的面積與平均面積差值的絕對(duì)值，數(shù)據(jù)代價(jià)表示為：
(10) 其中，
表示集合元素的平均面積； 規(guī)則性格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)代價(jià)：計(jì)算規(guī)則性分組GK中所有建筑元素輪廓多邊形 的重心，通過最小二乘法把這些坐標(biāo)線性擬合為一條直線，求得重心坐標(biāo)到擬合直線的距 離，作為對(duì)應(yīng)建筑規(guī)則性格式塔分組的代價(jià)值，具體表示為 ： Dp(fp)=d(p, l)p e Ge (11) 其中，1表示元素重心所擬合的直線； 平滑代價(jià)描述了集合所有元素之間的空間關(guān)系；當(dāng)元素 P，q之間的平滑代價(jià)值越小， 空間關(guān)系就越緊密，屬于同一類格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則的可能性就越大；本發(fā)明主要考慮建筑 輪廓之間的空間位置關(guān)系，所以， Vp,q(fp，fq)=d(P，Q" (12) 這里，d(p，q)表示建筑元素 p，q輪廓多邊形之間的鄰近距離，平滑代價(jià)的值也映射到 〇到1之間； 標(biāo)注代價(jià)表示對(duì)過于復(fù)雜分組的懲罰表示為
(13) 式（13)中，L表示不同的格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則分組，h表示標(biāo)簽label的標(biāo)注代價(jià)，而 SJf)是一個(gè)指示性函數(shù)：
(14) 所有的標(biāo)注代價(jià)映射到〇到1之間； 對(duì)于鄰近性，
表示集合所有元素所構(gòu)成凸包的面積，
表示集合所有元素的面積之和； 對(duì)于相似性，hi表示為
表示集合所有建筑元 素輪廓多邊形面積與平均面積差值的方差； 對(duì)于規(guī)則性，4表示為
var (d(p，1))表示集合內(nèi)所有建筑輪廓多 邊形重心到擬合直線的距離的方差； 步驟三：城市建筑輪廓的綜合 對(duì)于規(guī)則分組，由步驟一獲得滿足潛在格式塔心理學(xué)準(zhǔn)則性聚類分組GK1，由步驟二獲 得多標(biāo)簽圖割優(yōu)化分類結(jié)果GK2 ;求出GK1、GK2兩者交集GK=GK1 Π GK2，在GK中，若存在兩個(gè)分 組子集合Ga和Gb，
，則保留Gb，刪除Ga，G K即為待合并的建筑輪廓的集合； 類似的，計(jì)算潛在格式塔相似性聚類分組Gs和鄰近性分組GP ; 在GK、Gs、GP中，分別把每一子集中的輪廓合并成一個(gè)多邊形，下面給出了任一子集匕 輪廓的合并過程： (1) 計(jì)算Gi中所有輪廓的凸包多邊形CH; (2) CH*，在相鄰且屬于不同原始輪廓的兩個(gè)頂點(diǎn)間，插入離這兩頂點(diǎn)連線距離最近的 原始輪廓的凸頂點(diǎn)； (3) CH中，在相鄰且屬于同一原始輪廓的兩個(gè)頂點(diǎn)間，插入原始輪廓頂點(diǎn)； (4) 重復(fù)上述步驟，直到完成所有多邊形頂點(diǎn)的遍歷，形成最后的合并結(jié)果； 給出不同的格式塔聚類閾值tp、ts、t。，能夠控制GK、GS、G P中每一子集的輪廓數(shù)量，從而 生成不同細(xì)節(jié)層次的建筑綜合結(jié)果； 在二維輪廓圖基礎(chǔ)上加入對(duì)應(yīng)建筑高度值，生成建筑的三維模型，合并后建筑高度Z 為：
(15) 式（15)中，Si為建筑i的面積，為合并組建筑的平均面積，h為建筑i的高度；
步驟四：大規(guī)模城市建筑可視化 為了便于存儲(chǔ)和渲染綜合后的大場景城市建筑，本發(fā)明構(gòu)建一種樹結(jié)構(gòu)SceneTree管 理和索引不同的細(xì)節(jié)層次模型；SceneTree遍歷時(shí)，先對(duì)索引樹進(jìn)行遍歷，根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)和 視線方向確定街區(qū)ID (Block ID)，由Block ID檢索出落在視景體內(nèi)的街區(qū)；根據(jù)視點(diǎn)到視 景體內(nèi)每個(gè)街區(qū)的距離，計(jì)算對(duì)應(yīng)街區(qū)的輪廓綜合后的細(xì)節(jié)層次，確定GK、G S、GP中相應(yīng)待合 并的子集，視線動(dòng)態(tài)的渲染與可視化； 隨著視點(diǎn)的變化，顯示的數(shù)據(jù)不斷的進(jìn)行更新；利用并行計(jì)算技術(shù)，將數(shù)據(jù)繪制和數(shù)據(jù) 裝載分離；包含兩個(gè)主要的進(jìn)程：一個(gè)負(fù)責(zé)繪制和SceneTree的遍歷（簡稱為T1)，一個(gè)負(fù) 責(zé)I / 0管理和數(shù)據(jù)預(yù)?。ê喎Q為T2);這兩個(gè)進(jìn)程異步并行運(yùn)行；T1根據(jù)當(dāng)前視點(diǎn)計(jì)算當(dāng) 前可見視域，并遍歷SceneTree,選擇合適的結(jié)點(diǎn)，向T2發(fā)出命令；當(dāng)T2接收到命令后，將 在當(dāng)前視域范圍內(nèi)，但不在內(nèi)存中的結(jié)點(diǎn)裝載入內(nèi)存；當(dāng)一塊數(shù)據(jù)被裝載入內(nèi)存后，T1即 可其進(jìn)行繪制，而不需等待其他數(shù)據(jù)的裝載；這種方法，在不影響對(duì)城市建筑群進(jìn)行空間表 達(dá)的前提下，有效地提高了渲染的速度。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104063893SQ201410146260
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】張立強(qiáng), 王躍賓, 張良 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)