题目：基于过程的三维建筑建模技术研究

虚拟现实技术以计算机技术为核心，模拟一定范围的真实环境，使用户产生身临其境的感觉，具有沉浸感、交互性和想象性。大规模三维城市快速建模在城市规划、城市保护、影视娱乐等方面有着广泛的应用。因而目前受到研究人员的广泛关注。城市规模大，建筑数量多、形式复杂多样。常用的手工建模、基于图像建模以及基于三维扫描数据的建模方法无法满足大规模三维城市快速建模的需求。过程建模是一种基于规则的快速建模方法，但是需要用户编写复杂的规则。针对这些问题，在国家自然科学基金（60533070、60773153、61073078）的资助下，本文深入开展了从建筑图纸图像等数据中提取建筑规则，快速构造各种建筑模型及城市模型等方面的研究，取得的研究成果如下：（1）定义生成建筑规则的ASG（Architectural Shape Grammar）规则语法。该规则分为粗糙模型规则、降维规则和分裂规则。研制了从ASG规则生成建筑模型的编译器，可根据建筑规则生成三维建筑模型。结合建筑实例说明利用ASG规则构造多种不同风格的中国古代建筑和现代建筑模型的方法。（2）提出一种基于语义的从图纸中提取中国古代建筑规则的方法。将图纸识别和过程建模方法结合起来，分割识别建筑图纸，自动生成建筑规则，最后构建建筑模型。第一步，构建重复模式树，自底向上基于重复性将水平重复区域聚类生成建筑组件，作为生成三维建筑模型的基本结构。第二步，为了分析建筑结构和组件之间的依赖关系，采用自顶向下的分割将这些组件分层次地组织成一棵形状树，采用启发式搜索算法，构建表示组件之间位置关系的马尔可夫随机场，采用置信传播方法优化能量识别组件类型。第三步，结合中国古代建筑结构的先验知识，从语义形状树中生成规则，结合三维模型组件库，生成风格相同、形状可变的中国古代建筑模型。（3）提出一种从单幅图像中提取建筑规则和组件生成的方法。为了在图像中识别建筑组件,提出自动计算条纹（屋顶或楼层）方向的方法，根据建筑组件具有重复性的特点，提出交错重复的图像分割算法。为了从单幅图像提取建筑的三维数据，根据建筑的水平（竖直）方向与条纹方向的正交性标定图像，对于现代建筑，提出从单幅图像中恢复建筑立面三维曲面模型，并根据对称性采用非线性最小二乘法优化建筑立面三维曲面模型的方法。对于古代建筑，基于其对称性计算三维尺寸。根据用户给出的内侧立柱的位置和宽度，提出识别外侧立柱的方法。从标定分割的图像中，自动生成三维建筑组件、建筑规则及三维建筑模型。我们使用单幅图像，可以生成风格相同、形状可变的三维建筑模型。（4）设计一个基于过程的三维城市建模工具。包括单个模型建模、基于规则的场景建模和可视化的城市建模模块。生成单个建筑的组件和规则，用户交互地设计虚拟场景的建筑布局，该工具可以自动生成大规模三维城市模型。用户也可以交互地画出建筑足迹，并给出相关属性，该工具可以自动生成大规模三维城市模型。该工具可用于城市规划、城市管理等领域。