三维建筑物注记自动配置方法研究

发布时间：2020-10-19 22:41

　　 地图注记作为地图的基本内容之一,可以帮助用户快速地理解地图中的信息,增强地图的可读性。相比于二维地图,三维场景具有更加丰富的细节和更好的真实感,但是可能会导致用户在阅读场景时对空间要素的认知出现困难,因此需要采用添加图形符号和文字注记等辅助手段来增强场景的可读性。建筑物是三维场景中的典型地物和重要元素,为建筑物放置合适的注记可以有效地提升其可识别性与三维场景的可读性。在三维场景中,建筑物注记的效果受注记自身的视觉与空间属性、建筑物的可见域以及建筑物与视点的空间关系等因素影响。如果根据这些因素构建合理的数值公式,可以在交互过程中计算出理论上的建筑物最优注记位置和朝向,但是这种方法的计算复杂度较高,对交互性能的影响明显。相比而言,预先为每个建筑物生成多个候选注记,并在运行时评选出合适的注记则更加高效。为了增强三维建筑物的可读性,同时提升注记配置的效率,本研究以三维场景中的建筑物要素为研究对象,提出了一种基于候选注记评价与选用的注记方案,在实时浏览过程中执行视点相关的注记评价、选用与配置。并在此基础上,研究适用于三维建筑物注记冲突消除的解决方案。论文的主要研究内容如下:1)研究探讨固定朝向注记和动态朝向注记的特性,为每个建筑物构建包含有限数量注记的候选集。固定朝向注记可以在特定视角范围内充分体现建筑物表面的朝向特征,而动态朝向注记则可以在不同视角下保持较高的可读性。针对候选注记的特征,提出候选注记的评价指标,根据注记的朝向因子、字长因子和可视性因子对注记实时评价,筛选出每栋建筑物的有效注记。2)综合考虑注记的局部排序、建筑物的显著性、注记的深度和注记的冲突度,研究适用于三维场景中建筑物要素的注记优先级。在此基础上,研究一种基于注记冲突图的贪心式算法,在屏幕空间中消除注记冲突,以取得实时交互效率和注记质量的平衡。3)基于本研究提出的方法,在实验区进行了建筑物注记配置实验,检验本文提出的方法在多视角和多分辨率条件下的应用效果,讨论分析影响注记方法性能的因素,并将本文方法与现有技术进行了对比。研究结果表明提出的方法能够适应视角、视距和可视性的动态变化,有效地增强了注记与被注记建筑物之间的关联性。此外,采用贪心算法按照优先级顺序依次放置注记,可在高效处理屏幕空间注记冲突的同时,保留离视点较近、冲突度较低及具有较高建筑物显著性的注记,取得了高质量的全局注记效果。本研究提出的三维建筑物注记方法,为三维城市场景中的注记可视化提供了一种新的技术思路,拓展了三维地图学和虚拟地理环境的科研与应用领域。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P28
【部分图文】：

置嵌入式的固定朝向注记，以减少屏幕空间占用。Ｓｈｅｄ?提出了另？种三维??地图中的线要素注记方法，结合沿线分布的固定朝向注记和动态朝向注记，以保??证不同视角下注记的可读性，如图１－３所示。??图１－３三维线要素注记方法［８〇】??Ｆｉｇｕｒｅ?１－?３?Ａ?ｌｉｎｅ－ｆｅａｔｕｒｅ?ｌａｂｅｌ?ｐｌａｃｅｍｅｎｔ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍ１８０１??除了为三维要素放置具有合适的视觉属性和空间属性的注记外，三维注记还??需要解决与二维注记领域中类似的冲突问题。在三维场景中，注记的冲突体现为??注记之间的透视遮挡，这难以在对象空间中解决，通常需要将注记投影到屏幕中，??在屏幕空间解决注记冲突【７６，８１－？。在放置一个注记之前，首先测试其投影区域是??否己经被其他注记占据，如果其投影区域已被占据，则考虑调整其位置或舍弃该??６??

记与视点的距离视为一种优先级因素［７２，８４，８５］，优先放置较近的注记，并将注记按照??不同的高度放置，当两个注记发生冲突时，离视点越远的注记，其高度越高，如??图１－４所示。??图１－４三维场景中按照不同的高度放置注记［７６］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－４?Ｐｌａｃｅ?ｌａｂｅｌｓ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｈｅｉｇｈｔｓ?ｉｎ?３Ｄ?ｓｃｅｎｅｓ１７６１??１．２．３三维建筑物注记研究??区别于三维场景中的点、线、面要素，三维建筑物要素本身具有复杂的立体??形态，且在不同视口下呈现在屏幕中的形状变化多样，同时可能存在建筑物实体??对注记的遮挡，导致三维场景中的建筑物注记更加困难。因此，伴随着交互式三??维地图持续发展的趋势，如何在实时浏览过程中为三维建筑物配置合适的注记逐??渐成为了研究热点［８６］。??在虚拟现实与增强现实领域背景下，Ｂｅｌｌｉ％提出了一种建筑物注记方法，该方??法采用位置动态变化的注记，通过计算建筑物在屏幕空间中的可见部分，将注记??放置在最大的可见矩形中。Ｌｅｈｍａｎｎ［３４］提出了一种基于图像的可视性驱动的注记??方案，在屏幕空间中提取三维对象的外轮廓线，并将文字注记放置在一条最佳轮??７??

?廓线上。这两种方法采用动态位置和动态朝向的注记，以确保在建筑物投影变化??情况下，注记仍可以保持较高的可视性，但是都忽视了建筑物要素在对象空间中??的朝向信息，没有最大化注记与建筑物之间的关联性。??Ｍａａｓｓｉ３２！将嵌入式固定朝向注记引入到了三维建筑物注记方法中。该方法首先??在预处理阶段为每栋建筑创建一个盒体，交互浏览阶段在盒体上进行密集采样，??并计算采样点的权重和可视性，最终选择－块既可见、又具有较高权重的采样区??域，将注记附着于这个最佳位置（见图丨－５）。Ｈｕａｎｇｅ／ｏ／．１３５１在Ｍａａｓｓ的方法基??础上提出了改进方案，在预处理阶段对建筑物模型的各个面进行分割和融合，以??提取出建筑物各个表而的骨架线；在交互过程中对所有表面、骨架线及采样点进??行评估；最终，将注记放置展现在最佳位置上。但是这两种方法在交互阶段计算??对象表面的最优注记位置，使得注记的潜在位置过多，实时计算量过大。??
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本文编号：2847816