一種基于形狀文法的建筑物三維建模新方法

薛 梅

一種基于形狀文法的建筑物三維建模新方法

薛 梅

（北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871;重慶市勘測(cè)院，重慶 400023）

現(xiàn)有三維建模方法存在側(cè)重可視化表現(xiàn)、忽略模型與建筑物結(jié)構(gòu)規(guī)模之間有機(jī)聯(lián)系、細(xì)節(jié)層次缺乏伸縮性等問(wèn)題。該文根據(jù)建筑構(gòu)造知識(shí)，提出基于形狀文法的建筑物三維建模方法，開(kāi)展建筑物主體建模、紋理細(xì)節(jié)構(gòu)建及附屬設(shè)施建模。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能提高建筑物三維模型的可重用性和靈活性，在室內(nèi)外建筑物模型動(dòng)態(tài)生成、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面有實(shí)用前景。

形狀文法;建筑物;三維建模;生成式建模

0 引言

建筑物三維模型作為三維數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分，其建模方法受到廣泛關(guān)注。在國(guó)外，隨著數(shù)據(jù)獲取手段的更新，建筑物建模方法逐步由手工建模向自動(dòng)化建模、從小范圍建模到大場(chǎng)景批量建模發(fā)展［1，2］。國(guó)內(nèi)近幾年也開(kāi)展了建筑物三維建模方法的相關(guān)研究。如謝成林等［3］研究了基于CAD系統(tǒng)進(jìn)行建筑物手工建模的方法;朱國(guó)敏等［4］針對(duì)抽象的建筑物面對(duì)象提出基于三角剖分的規(guī)則建筑物批量三維模型構(gòu)建方法;陳愛(ài)軍等［5］提出了基于城市航空立體像對(duì)進(jìn)行全自動(dòng)建筑物建模的方法;路興昌等［6］提出了基于地面或機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)建立建筑物三維模型的方法。

目前，關(guān)于建筑物三維建模的研究多側(cè)重于利用測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物外觀模型的可視化還原，對(duì)模型與建筑物本身規(guī)模、結(jié)構(gòu)、風(fēng)格之間的關(guān)系缺乏研究，模型僅僅應(yīng)用于可視化展現(xiàn)，制約了建筑物三維模型在城市規(guī)劃、建設(shè)和管理領(lǐng)域的應(yīng)用。本研究提出基于形狀文法的建筑物三維建模方法，以改進(jìn)傳統(tǒng)建筑物建模中存在的不足。

1 方法原理及基本流程

1.1 形狀文法

形狀文法（Shape Grammar）最早由George Stiny在1972年提出［7］，是一種用帶符號(hào)的形狀作為基本要素，用語(yǔ)法結(jié)構(gòu)分析和產(chǎn)生新的形狀的設(shè)計(jì)推理方法［8］，最早運(yùn)用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域［9］，后被推廣到工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域［10］。

形狀文法定義為四元組，即SG＝（S，L，R，I）。其中S是形狀的有限集合;L是符號(hào)的有限集合;R是規(guī)則的有限集合，規(guī)則的形式為：α→β;I是初始形狀。形狀文法的執(zhí)行過(guò)程為帶有符號(hào)的形狀不斷被一個(gè)或多個(gè)（通常更細(xì)?。в衅渌?hào)的形狀替換的過(guò)程，如圖1所示。

圖1 形狀文法執(zhí)行過(guò)程示范Fig.1 A sample of shape grammar execution process

本研究采用形狀文法進(jìn)行三維空間變換規(guī)則的組合，實(shí)現(xiàn)建筑物模型及紋理形狀的迭代替換與細(xì)化。這種方法利用參數(shù)化語(yǔ)法描述建筑物建模過(guò)程，便于規(guī)則的重用及共享;執(zhí)行不同層次的迭代規(guī)則，可自動(dòng)生成相應(yīng)細(xì)節(jié)層次的模型。采用的主要空間規(guī)則包括：1）變換操作：沿x、y、z任一坐標(biāo)軸對(duì)形狀單元進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放;2）拆分操作：沿x、y、z任一坐標(biāo)軸將形狀單元拆分（split）為體、面、邊和頂點(diǎn);3）拉伸操作：沿y軸方向?qū)⑵矫娴男螤顔卧鞛榱Ⅲw形狀單元;4）替換操作：將形狀單元替換為外部模型;5）紋理操作：對(duì)形狀單元進(jìn)行紋理映射，指定紋理文件。

1.2 主要流程

本方法通過(guò)從建筑物構(gòu)造領(lǐng)域知識(shí)抽取形狀文法規(guī)則集合實(shí)現(xiàn)建筑物形式化的描述，主要流程包括：建筑物體塊建模、建筑附屬設(shè)施建模和建筑表面紋理貼圖（圖2）。

圖2 基于形狀文法的建筑物三維建模過(guò)程Fig.2 Shape grammar based 3D building modeling process

1.3 建筑物體塊建模

建筑物由若干室內(nèi)空間組合而成，而空間的形成往往借助于實(shí)體的圍合。在建筑學(xué)中稱這些實(shí)體為建筑構(gòu)件?，F(xiàn)代建筑物八大構(gòu)件包括：基礎(chǔ)、墻體、屋頂、地面、樓梯、門(mén)、窗。本方法通過(guò)對(duì)建筑物構(gòu)件進(jìn)行逐步迭代、細(xì)化，將其分解為門(mén)、窗、墻體、屋頂?shù)然疽?，通過(guò)參數(shù)化方式確定基本要素的幾何尺寸，組合形成建筑物體塊模型。圖3展示了典型多層建筑物主體結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件組成。建筑物主體建模步驟對(duì)應(yīng)的形狀文法腳本見(jiàn)表1，腳本符號(hào)→左端為初始形狀，右端為空間變換操作及對(duì)應(yīng)生成形狀。

圖3 建筑主體結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件組成Fig.3 The main building structure and its component composition

通過(guò)建筑物底面拉伸、表面拆分、屋頂幾何變換等空間規(guī)則的組合迭代，實(shí)現(xiàn)建筑物體塊建模;腳本化、參數(shù)化的建模方式為大規(guī)模批量建立體塊模型提供了保障。

表1 形狀文法腳本及對(duì)應(yīng)生成形狀Table 1 Shape grammar scripts and the corresponding shapes

1.4 建筑附屬設(shè)施建模

建筑附屬設(shè)施包括煙囪、旗桿、水箱、門(mén)廊、臺(tái)階、室外扶梯、房屋墩、柱、天窗、屋頂裝飾、建筑物立面突出物或裝飾、屋檐、避雷針等。本方法利用3DMax對(duì)附屬設(shè)施進(jìn)行單體建模并將其導(dǎo)出為通用格式（.dae文件），在形狀文法中將體塊模型中的平面幾何形狀替換為實(shí)體模型，以增加模型的細(xì)節(jié)層次和真實(shí)感。圖4展示將建筑物主體模型中的窗戶由長(zhǎng)方形形狀迭代細(xì)化為實(shí)體模型的過(guò)程。

圖4 增加窗戶細(xì)節(jié)信息的三維建筑物模型Fig.4 A 3D building model with window details

1.5 建筑表面貼圖

普通多層建筑物表面主要由墻面、門(mén)、窗組成，本方法通過(guò)迭代方式，對(duì)建筑物表面進(jìn)行橫向、豎向的細(xì)化，實(shí)現(xiàn)靈活的建筑表面貼圖［11，12］，使建筑物更具細(xì)節(jié)層次。首先通過(guò)拉伸、豎向拆分和橫向拆分將建筑表面切分為門(mén)、窗戶、外墻等規(guī)則幾何單元，再在形狀文法規(guī)則中設(shè)置坐標(biāo)映射參數(shù)，將窗戶、外墻等紋理圖片映射到形狀單元上。圖5展示了建筑物表面迭代拆分過(guò)程，圖6展示了對(duì)建筑模型進(jìn)行表面紋理貼圖的效果。

2 實(shí)證研究

2.1 大范圍體塊建模

本方法基于開(kāi)源的形狀文法引擎3D Shaper開(kāi)展實(shí)證研究。選取重慶市渝北區(qū)龍湖片區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)，在建筑物二維面狀矢量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用形狀文法實(shí)時(shí)生成三維建筑物模型，實(shí)現(xiàn)基于矢量字段參數(shù)的建筑物體塊模型動(dòng)態(tài)調(diào)整，相關(guān)字段如表2所示。圖7展示利用形狀文法批量生成建筑物三維主體模型的效果。實(shí)踐證明，同一規(guī)則可用于風(fēng)格類(lèi)似的多個(gè)建筑物，能提高大規(guī)模建筑物建模效率，并可適合于大規(guī)模城市建筑物三維建模。

表2 建筑物矢量屬性Table 2 Building vector attribute

圖7 基于形狀文法批量生成建筑物體塊模型Fig.7 3D buildings produced by shape grammer rules

2.2 建筑物表面貼圖

在體塊模型基礎(chǔ)上，選取不同風(fēng)格建筑物進(jìn)行表面貼圖實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)建筑物進(jìn)行實(shí)地拍照，處理后得到表面紋理圖片;然后根據(jù)照片編寫(xiě)表面貼圖的形狀文法并開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用。圖8展示了根據(jù)實(shí)際建筑表面照片生成模型效果，圖9展示了將同一形狀文法不同參數(shù)生成風(fēng)格類(lèi)似的建筑物效果。實(shí)踐證明，修改建筑物相關(guān)屬性參數(shù)，可實(shí)時(shí)調(diào)整建筑物三維模型，且調(diào)整后的模型可與屬性信息相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)建筑物模型的交互式調(diào)整。

2.3 多細(xì)節(jié)層次模型

通過(guò)在形狀文法中設(shè)置不同LOD細(xì)節(jié)層次執(zhí)行條件，實(shí)現(xiàn)不同細(xì)節(jié)層次建筑物三維模型的動(dòng)態(tài)生成，以輸出同一建筑物不同細(xì)節(jié)層次的三維模型，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。該建筑物模型LOD0-3對(duì)應(yīng)面片數(shù)量如表3所示。

圖10 不同細(xì)節(jié)層次的建筑物模型Fig.10 3D building models of different levels of details

表3 不同細(xì)節(jié)層次建筑物模型對(duì)應(yīng)三角面片數(shù)量Table 3 Triangle numbers of different level LODs

3 結(jié)論與討論

本文基于形狀文法語(yǔ)言對(duì)建筑物三維建模方法進(jìn)行了初步研究，提出了基于語(yǔ)義的建筑物體塊建模、表面貼圖、附屬設(shè)施建模三大步驟，便于實(shí)現(xiàn)規(guī)則化、參數(shù)化的建筑物迭代建模，增強(qiáng)了建筑物三維模型與語(yǔ)義信息的關(guān)聯(lián)度，可實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的動(dòng)態(tài)調(diào)整和輸出。該方法在室內(nèi)外建筑物模型動(dòng)態(tài)生成、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑物關(guān)聯(lián)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息管理等方面有實(shí)用前景。下一步研究工作將改進(jìn)本方法的實(shí)用性，以及研究將該方法和激光雷達(dá)技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于古建筑物還原等領(lǐng)域［13］。

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A Shape Grammar Based Method for 3D Building Modeling

XUE Mei
（1.InstituteofRemoteSensingandGeographicalInformationSystems，PekingUniversity，Beijing100871;2.ChongqingSurveyInstitute，Chongqing400023，China）

The creation of 3D building models is a tedious and complicated task.Existing modeling methods typically focus on visualization of the building facade and ignore the connections between models and building structures;different levels of detail and abstraction are needed.As a solution to above problems，this paper proposes a shape grammar based method which creates 3D building model in a top-down and parametric manner.Shape grammar is a method with production rules that iteratively evolve a design by creating more and more details.The paper explores the model method by first creating a crude volumetric model of a building，then continuing to structure the facade and finally adding details for windows，doors and ornaments.The main advantage of this method is that the creation of the hierarchical structure and the annotation of a model is specified in the modeling process.This semantic information is important for reusing design rules for procedural variations and thereby creating a large variety of architecture population a whole city.The method is used in conceptual design of buildings，batch generating different levels of detail building model and dynamic calculation of the volume of buildings，building area，land area of the planning target.This refining modeling process exhibits great similarities to a software design process，and improves reusability and flexibility of the three-dimensional model building.

shape grammars;architectural buildings;3D modeling;generative modeling

P208

A

1672－0504（2012）06－0031－04

2012－05- 22;

2012－07－16

海外及港澳學(xué)者合作研究基金（40928001）;“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“高性能航空遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理與加工軟件研制”（2011BAH12B07－04）

薛梅（1981－），女，工程師，主要從事地理信息開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究。E－mail：xuem＠cqkcy.com