3D визуализация объектов внутренней структуры зданий и сооружений востребована в различных сферах жизни. Она может быть использована для презентации здания перед его постройкой или при моделировании внутреннего интерьера здания, при кадастровом учете недвижимости, для задач навигации внутри помещения [1] и т.д.
Обычно 3D модели внутреннего интерьера помещений создаются вручную с помощью различных инструментальных систем трехмерного моделирования [2]. Однако очевидно, что такой подход является достаточно трудоемким, поскольку моделирование происходит полностью посредством оператора. Автоматизация процесса 3D моделирования позволит максимально сократить долю ручного труда. Важное значение в процессе автоматизации играет исходная информация об объекте – чем она подробнее, тем более реалистичную модель данного объекта можно воссоздать. Достаточно подробную информацию можно получить на основе лазерного сканирования здания, результатом которого является облако точек [3, 4]. Совмещая эту информацией с визуальной (фотографиями внутреннего интерьера) [5] или информацией полученной с RFID сканеров [6], можно получить достаточно точную 3D модель внутреннего интерьера здания. Однако оборудование для получения такой информации достаточно дорогостоящее, что представляет определенный минус.
Цель исследования: формирование 3D моделей объектов внутренней структуры зданий и сооружений может осуществляться в автоматическом режиме при помощи правил пространственного моделирования по информации из базы данных цифрового поэтажного плана [7, 8]. Такой подход имеет название – процедурное моделирование [9].
Цифровой поэтажный план содержит в себе информацию о местоположении объекта, его габаритах, цвете и материале, в нем хранится информация о межобъектных отношениях и другие сведения, позволяющие получить информацию для его трехмерного представления.
Для хранения информации об объектах поэтажного плана используется система управления базами данных иерархического типа [10]. Этот выбор дает возможность создавать иерархию наследуемых классов объектов поэтажного плана напрямую и таким образом оптимизировать процесс генерации их 3D модели.
Преимуществами автоматического формирования 3D модели поэтажного плана являются отсутствие ручного труда и возможность в реальном времени производить редактирование информации, описывающей объект.
Автоматизация процесса 3D моделирования основана на использовании алгоритмов процедурного моделирования с применением сформированной библиотеки 3D моделей и текстур.
Задача данной работы состоит в разработке алгоритмов автоматизации процесса моделирования объектов внутренней структуры зданий и сооружений по атрибутивной информации цифрового поэтажного плана.
Объектами поэтажного плана выступают стены, пол, потолок этажа, различные предметы интерьера, такие как лампы, двери, окна, шкафы и т.д. Большинство моделей таких объектов может быть сгенерировано вручную заранее в редакторе трехмерного моделирования. Информация о готовой 3D модели и её положении может быть сохранена в цифровой карте. В случае отсутствия готовой модели, её генерация осуществляется автоматически на основе атрибутивного описания объекта из базы данных цифрового поэтажного плана.
По типу представления объекты можно подразделить на две группы: дискретные и содержащие метрическую информацию.
Дискретные объекты – это типовые для поэтажного плана объекты, не имеющие метрического описания. Такими объектами являются лампы, стулья, различные приборы и др. Каждый такой тип объекта может иметь различное описание, представленное списком характеристик. Это может быть тип материала, возраст, габариты и т.п. Список возможных характеристик данного типа объекта в базе знаний цифрового поэтажного плана известен, и для конкретного объекта меняется только их набор. Поэтому предлагается заранее сформировать базу данных готовых 3D моделей типовых объектов и текстур, представляющих различные комбинации их характеристик. Атрибутивная информация дискретных объектов в цифровой карте также содержит информацию о расположении объекта в поэтажном плане. В таком случае, дискретные объекты не генерируются, а представляются готовыми 3D моделями, которые загружаются в программу из библиотеки типовых 3D моделей. Дискретные объекты, которые имеют характеристики, позволяющие автоматически сгенерировать их 3D модель, выделяются в отдельные классы генерации.
Объекты, имеющие метрические характеристики, будут генерироваться автоматически. К таким объектам относятся стены, пол, потолок, лестница, окна и т.п. Такой тип объекта имеет описание в виде представления его контура и списка характеристик, хранящихся в цифровом поэтажном плане. На рис. 1 представлена блок-схема распределения объектов поэтажного плана по начальным классам их представления. Разбиение по классам основывается на различных характеристиках объектов, которые позволяют выделить общие алгоритмы построения геометрии и текстурирования модели.
Рис. 1. Схема распределения объектов по начальным классам
Рис. 2. Способы представления 3D моделей объектов внутренней структуры зданий
Объекты, содержащие метрическую информацию, подразделяются на площадные линейные и комбинированные. Метрическое описание площадного объекта представляет собой последовательность координат точек его границ. 3D модель площадного объекта формируется путем триангуляции внутри заданного контура. В качестве такого объекта может выступать, например, пол или потолок. Объект может иметь прерывания вследствие его пересечения с другим объектом. 3D модель площадного объекта с прерываниями формируется путем вырезания из триангуляционного разбиения областей прерывания.
Линейные объекты характеризуются некоторой протяженностью. Метрическое описание линейного объекта представляет собой последовательность координат точек осевой линии объекта. 3D модель линейного объекта формируется путем дублирования «элемента объекта» вдоль метрического описания. В качестве «элемента объекта» может выступать готовая 3D модель из базы данных 3D моделей объектов либо сконструированная автоматически 3D модель путем вытягивания текущего отрезка осевой линии на заданную высоту. Примером таких объектов могут выступать трубы (электрические кабели) и стены соответственно.
Линейные объекты могут иметь прерывание другим объектом. В этом случае процесс построения 3D модели разбивается на две части: линейный объект между прерываниями, процесс формирования геометрии которого описывался выше, и непосредственно область прерывания. Область прерывания может быть заданной формы либо простой формы. В первом случае 3D модель области прерывания формируется как площадной объект. Примером такого типа объекта служит арка в стене. Во втором случае форма области прерывания формируется автоматически, как набор линейных объектов. В качестве таких объектов могут выступать, например, стандартные оконные и дверные проемы.
Комбинированные объекты представляют собой составной объект, включающий в себя элементы, относящиеся как к линейным, так и к площадным объектам. В качестве таких объектов может выступать, например, лестница.
Таким образом, все автоматически генерирующие объекты поэтажного плана разбиваются по классам в зависимости от методов построения их геометрии. Классы представляют собой иерархическую структуру, каждая следующая ступень иерархии является модификацией более общего геометрического построения модели на предыдущей ступени. Для отрисовки добавленного в классификатор объекта достаточно указать, к какому классу этот объект принадлежит.
Текстурирование построенных моделей производится по информации из набора характеристик, описывающих моделируемый объект. Нужная текстура автоматически извлекается из библиотеки стандартных текстур, характеризующих возможные наборы характеристик объектов. Общую схему работы данного принципа можно увидеть на рис. 3.
Рис. 3. Общая схема работы алгоритма автоматической генерации 3D модели поэтажного плана
Рис. 4. Векторное изображение цифрового поэтажного плана и 3D модель, сгенерированная на его основе
Заключение
В работе приведены алгоритмы обеспечивающие автоматизацию процесса моделирования объектов внутренней структуры зданий и сооружений по информации, содержащейся в базе данных цифрового поэтажного плана.
Алгоритмы моделирования разных типов объектов объединены в общую иерархическую структуру, позволяющую оптимизировать процесс генерации новых типов объектов.
На рис. 4 изображен фрагмент 3D модели внутренней структуры здания, построенной на основе информации поэтажного плана.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (грант № 16-07-01214 А).