城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：三維重建系統(tǒng)可重現(xiàn)城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局，為城市生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、城市空間布局提供有效的設(shè)計(jì)方式。城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建系統(tǒng)基于雙目立體視覺(jué)原理采集園林景觀格局的二維圖像，根據(jù)兩幅二維圖像特征點(diǎn)得到對(duì)象的三維坐標(biāo)點(diǎn)，構(gòu)建三維點(diǎn)云模型;基于視口轉(zhuǎn)換矩陣和屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換值世界坐標(biāo)系中，采用三角網(wǎng)生長(zhǎng)算法構(gòu)建城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局Delaunay三角網(wǎng)格模型，經(jīng)外觀渲染與紋理映射后，完成城市園林景觀交錯(cuò)帶格局三維重建。系統(tǒng)測(cè)試表明，重建的三維城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局布局合理、外觀逼真，體現(xiàn)了景觀交錯(cuò)帶的主要特征。

關(guān)鍵詞：三維重建;城市園林景觀;交錯(cuò)帶;空間格局;生長(zhǎng)算法;系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN911.73-34：TU986

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-0154-04

城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局是園林景觀設(shè)計(jì)的主要部分，是園林景觀脈絡(luò)、空間布局的主要體現(xiàn)“，。城市發(fā)展過(guò)程中需要不斷規(guī)劃城市園林景觀布局、優(yōu)化園林景觀交錯(cuò)帶分布，以調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境、節(jié)約城市規(guī)劃空間[2]。計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建技術(shù)能夠高度還原城市園林布局[3]，將龐大規(guī)模的空間格局縮小在圖形軟件中，為逆向工程設(shè)計(jì)提供快速、有效的表達(dá)方式[4]。本文設(shè)計(jì)城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建系統(tǒng)，目標(biāo)是重現(xiàn)準(zhǔn)確、逼真、可視化的城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局，為再現(xiàn)城市園林景觀交錯(cuò)帶、優(yōu)化城市園林景觀合理布局提供有效方式。

1 三維重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建總體思路如下：

1）基于雙目立體視覺(jué)原理獲取園林空間格局三維坐標(biāo)，即采用相機(jī)拍攝得到同一場(chǎng)景、不同角度的兩幅圖像[5]，基于兩幅二維圖像得到物體各點(diǎn)三維坐標(biāo)，利用各點(diǎn)構(gòu)建的三維模型是點(diǎn)的集合，即點(diǎn)云[6];

2）恢復(fù)三維點(diǎn)云屏幕坐標(biāo)至世界坐標(biāo)系中;

3）利用離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)格模型[7]，實(shí)現(xiàn)城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 三維點(diǎn)云模型構(gòu)建

攝像機(jī)基于雙目立體視覺(jué)原理獲取園林交錯(cuò)帶空間格局的三維坐標(biāo)，無(wú)干擾情況下雙目立體視覺(jué)原理如圖2所示。

基于雙目立體視覺(jué)原理，兩個(gè)攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)相同情況下，任意攝像機(jī)像平面中存在與另一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的特征匹配點(diǎn)時(shí)，基于式（1）可得到此點(diǎn)三維坐標(biāo)[7]。

物體表面海量三維坐標(biāo)點(diǎn)9成為點(diǎn)云，點(diǎn)云組成物體三維點(diǎn)云模型，基于三維點(diǎn)云模型構(gòu)建三角網(wǎng)格模型完成園林三維重建，在此之前應(yīng)將三維點(diǎn)云屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)中。

1.2 三維模型屏幕坐標(biāo)向世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

屏幕坐標(biāo)點(diǎn)向世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換基于視口轉(zhuǎn)換矩陣實(shí)現(xiàn)，視口轉(zhuǎn)換矩陣為：

1.3 Delaunay三角網(wǎng)格構(gòu)建

三維模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)系后，開(kāi)始構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，完成城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建。收縮生長(zhǎng)算法、擴(kuò)張生長(zhǎng)算法是三角網(wǎng)格生長(zhǎng)算法的兩個(gè)方向[9]，系統(tǒng)采用三角網(wǎng)生長(zhǎng)算法中的擴(kuò)張生長(zhǎng)算法構(gòu)建城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局模型三維網(wǎng)格。算法構(gòu)建三維網(wǎng)格思路如下：連接點(diǎn)集中距離最小的兩點(diǎn)形成一條邊，基于Delaunay構(gòu)網(wǎng)原則獲取第三個(gè)點(diǎn)，三點(diǎn)連接得到三角形[10];沿著基線擴(kuò)展連接距離較近的點(diǎn)（初始三角形的三邊為基線）得到多個(gè)三角形，全部離散點(diǎn)涵蓋在三角網(wǎng)中后，完成三角網(wǎng)格構(gòu)建。

基于上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建，為提升模型美觀效果，最后對(duì)三角網(wǎng)格模型展開(kāi)紋理映射，渲染模型外觀，得到逼真、可視化的城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維模型。

2 系統(tǒng)測(cè)試

以某城市局部園林景觀交錯(cuò)帶為實(shí)例展開(kāi)仿真系統(tǒng)測(cè)試，評(píng)估本文的城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建系統(tǒng)性能與效果。該園林景觀占地約1.12公頃，其中景觀交錯(cuò)帶占地約0.89公頃，景觀交錯(cuò)帶在園林景觀格局中的平面布局如圖3所示。該園林景觀包含現(xiàn)代園林、中國(guó)古典園林、鄉(xiāng)村庭院式園林以及自然風(fēng)景園林四種園林風(fēng)格。

2.1 系統(tǒng)三維重建結(jié)果展示

本文系統(tǒng)以城市園林景觀為實(shí)例構(gòu)建交錯(cuò)帶空間格局模型，構(gòu)建的地形Delaunay三角網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4中，全部點(diǎn)均包含在三角網(wǎng)格中，說(shuō)明構(gòu)建De-launav三角網(wǎng)格模型效果較好，不存在遺漏坐標(biāo)點(diǎn)的情況，可準(zhǔn)確還原地形起伏程度。

本文系統(tǒng)重建的現(xiàn)代風(fēng)格的園林景觀交錯(cuò)帶三維效果圖如圖5所示。

本文構(gòu)建的三維景觀交錯(cuò)帶空間格局模型布局合理、外觀逼真，體現(xiàn)了景觀交錯(cuò)帶的主要特征，用戶觀看三維重構(gòu)模型即可整體把握城市園林景觀空間格局的風(fēng)格、布局等情況。

2.2 系統(tǒng)平均重建誤差分析

通過(guò)定量的方式評(píng)估本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局的效果，采用平均重建誤差評(píng)估本文系統(tǒng)三維重建結(jié)果，平均重建誤差計(jì)算方法為：

基于平均重建誤差分析本文系統(tǒng)重建三維模型的效果，選取4條不同類型的景觀空間交錯(cuò)帶作為三維重建對(duì)象，每個(gè)交錯(cuò)帶取8個(gè)重建視角，基于式（4）計(jì)算本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局的平均重建誤差，結(jié)果如表1所示。

表1中，本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局的誤差有所不同，重建現(xiàn)代園林交錯(cuò)帶格局、自然風(fēng)景園林交錯(cuò)帶格局的平均誤差在0.012 - 0.013之間，重建中國(guó)古典園林、鄉(xiāng)村庭院式園林交錯(cuò)帶空間格局的誤差區(qū)間分別為0.010 - 0.012，0.015 - 0.016。由于不同類型的園林景觀構(gòu)造不同，導(dǎo)致本文系統(tǒng)重建景觀交錯(cuò)帶空間格局誤差存在差異，但是總體誤差均低于0.1，符合精準(zhǔn)重建標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文系統(tǒng)是一種可靠的城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重構(gòu)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局的效果逼真、布局合理，體現(xiàn)了景觀交錯(cuò)帶的主要特征。文中首先采集園林空間格局的二維圖像后得到物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，構(gòu)建三維點(diǎn)云模型;將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至世界坐標(biāo)系后，利用離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)格模型完成城市園林景觀交錯(cuò)帶空間格局三維重建。三維重建過(guò)程中，提取兩幅二維圖像的特征點(diǎn)十分關(guān)鍵，決定構(gòu)建的三維模型是否精準(zhǔn)，因此，可從精準(zhǔn)提取二維圖像特征點(diǎn)角度提升三維重建系統(tǒng)的建模準(zhǔn)確度。

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作者簡(jiǎn)介：丁志軍（1972-），男，山東濰坊人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娮右?guī)劃設(shè)計(jì)。