專利名稱：：一種基于本體技術(shù)的三維場景建模方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及復(fù)雜三維場景模型建立方法。
背景技術(shù)：
：當前較為通用的三維場景建模方法主要有(1)人工手動三維場景建模利用商業(yè)三維建模軟件如3DS，Sketohup手工構(gòu)建三維模型場景。此類方法仍然是目前最為可靠的三維場景建模方法，但是需要耗費大量的人工勞力，效率低下。(2)物理模型建模建立三維場景的物理模型，通過指定輸入到模型中的參數(shù)獲得需構(gòu)建的三維場景模型。該方法的缺點是顯而易見的，首先對復(fù)雜場景，建立起物理模型是非常困難的，其次并不是所有的三維場景都能夠建立其物理模型進而構(gòu)建三維模型，因此該方法在實際應(yīng)用中存在著較多的限制。(3)語法建模方法即建立場景模型構(gòu)建的遞歸規(guī)則如L-system，shapegrammar等等，通過遞推該語法規(guī)則獲得場景模型，參見PrzemyslawPmsinkiewicz.Simulationmodelingofplantsandplantecosystems.CommunicationsoftheACM,43(7):84-93,2000.禾口PascalM"uller,PeterWonka,SimonHaegler,AndreasUlmer,andLucJ.VanGool.Proceduralmodelingofbuildings.ACMTransactionsonGraphics,25(3):614-623，2006.此類方法雖然能夠高效的生成大量的三維場景模型，但是限于遞歸語法的隨機性，無法保證生產(chǎn)的模型都能符合建模需求。(4)基于自然語言描述的建模通過自然語言描述場景，對語言解析后構(gòu)建出場景模型，參見RichardJohansson,AndersBerglund,MagnusDanielsson,andPierreNugues.Automatictext-to-sceneconversioninthetrafficaccidentdomain.InProceedingsoftheNineteenthInternationalJointConferenceonArtificialIntelligence,Edinburgh,Scotland,UK，July30-August5,pages1073—1078，2005.和RobertCoyneandRichardSproat."Wordseye:anautomatictext-to-sceneconversionsystem.InProceedingsofthe28thAnnualConferenceonComputerGraphics,LosAngeles,California,USA.ACM,pages487496,2001.采用此類方法通常會受到自然語言的歧義性和上下文語義的影響，造成建模結(jié)果不唯一。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于本體技術(shù)的三維場景建模方法，達到簡單高效準確地為用戶建立所需三維場景模型的目的。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案(l)建立需建模場景的本體描述文件，所述描述包括(1)建立需建模場景的本體描述文件，所述描述包括Al.需建模場景的部件構(gòu)成的一種或多種描述，Bl.所述部件組合關(guān)系的一種或多種描述，CI.所述部件的屬性特征的一種或多種描述，所述屬性特征包括部件的基本部件構(gòu)成、基本部件組合關(guān)系、基本部件的三維繪制方法；建立一個或多個規(guī)范文件，所述規(guī)范文件記載需建模場景的本體描述規(guī)范信息，所述規(guī)范信息至少包括以下選項的一項內(nèi)容A2.需建模場景的部件構(gòu)成的規(guī)范信息，B2.所述部件組合關(guān)系的規(guī)范信息，C2.所述部件的屬性特征的規(guī)范信息；(2)在A1、Bl、CI中分別選擇一種描述，使用遞歸語法方法生成場景模型，存儲為語義格式；(3)檢查步驟(2)所生成的場景模型是否與步驟(1)所建立的規(guī)范文件中的規(guī)范信息存在沖突，若存在沖突則返回步驟(2)，對應(yīng)沖突部分，在A1、Bl、CI中選擇另一種描述，重新生成場景模型；若不存在沖突，根據(jù)生成的場景模型繪制三維場景。所述的沖突是指生成的場景模型其中的部件組合關(guān)系不符合B2中給出的部件組合關(guān)系規(guī)范或者生成的場景模型其中的部件屬性特征不符合C2中的規(guī)范。本發(fā)明另一個所要解決的技術(shù)問題是提供一種實現(xiàn)上述方法的基于本體技術(shù)的三維場景繪制系統(tǒng)。它包括CPU、內(nèi)存儲器、外存儲器、系統(tǒng)總線、圖形加速卡、顯示器，所述系統(tǒng)在外存儲器中設(shè)有-需建模場景的本體描述文件的存儲單元，需建模場景本體描述規(guī)范信息的規(guī)范文件的存儲單元，過程式建模單元，用于依據(jù)記載需建模場景本體描述文件遞歸產(chǎn)生場景模型；一致性檢查單元，用于檢測過程式建模單元建立的場景模型特征是否符合所述規(guī)范文件中的規(guī)定；繪制單元，依據(jù)內(nèi)存儲器中的語義格式場景數(shù)據(jù)繪制出場景的三維模型。所述系統(tǒng)在外存儲器中還可進一步設(shè)有關(guān)系映射單元，用于統(tǒng)一需建模場景本體描述文件和記載需建模場景本體描述規(guī)范信息的規(guī)范文件的用語。由于采用本發(fā)明的技術(shù)方案，與
背景技術(shù)：
相比本發(fā)明具有的有益效果-本發(fā)明針對已有建模方法成本高、耗費大建模過程過于復(fù)雜等缺點，提出了一種可以整合領(lǐng)域?qū)＜覍鼍懊枋龅谋倔w建模方法。本方法不需要昂貴的建模設(shè)備，具有交互簡單，易于使用，構(gòu)建的場景符合客觀事實。特別是針對需建立符合特定歷史規(guī)定的歷史場景的應(yīng)用過程中，本發(fā)明中的方法能夠較好的將歷史學(xué)家、建筑學(xué)家、地理學(xué)家、計算機專家等對歷史場景的正確描述結(jié)合起來，構(gòu)建出符合歷史和地理特點的特定歷史場景。圖1為本發(fā)明本體建模方法步驟流程示意圖。圖2為本發(fā)明的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖。圖3為本發(fā)明中本體對象層次關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式首先對本發(fā)明所涉及的術(shù)語概念進行解釋本體本發(fā)明中涉及到的本體概念是一個三元組，C=<W，R,V>。這里C表示了建模對象所對應(yīng)的概念領(lǐng)域，例如中國江南古代建筑這一概念領(lǐng)域，對應(yīng)本發(fā)明中需構(gòu)建的場景概念；W是概念的領(lǐng)域空間，它包括了所有構(gòu)成這一領(lǐng)域概念的實例(即本體繪制需要生成的三維模型實例)，例如，對應(yīng)中國江南古代建筑這一概念領(lǐng)域，W是指所有的屬于中國江南古代建筑的建筑個體，對應(yīng)本發(fā)明中需要建模的場景實例；V是建模對象的概念領(lǐng)域的部件集(前述技術(shù)方案中的Al),例如，構(gòu)成中國江南古代建筑的所有建筑子部件，對應(yīng)本發(fā)明中的場景構(gòu)成部件；R是領(lǐng)域概念中的知識集，可以看作是組合V中子部件形成具體場景模型的規(guī)范和規(guī)則集合，對應(yīng)本專利中場景構(gòu)成部件間的組合關(guān)系(即前述技術(shù)方案中的B1和C1)。場景本發(fā)明中涉及到的場景是現(xiàn)實或者歷史上存在的客觀環(huán)境或者情景。部件本發(fā)明中指構(gòu)成場景的具體組成單元。部件構(gòu)成構(gòu)成場景的部件種類。基本部件本發(fā)明中指構(gòu)成部件的具體組成單元。基本部件構(gòu)成構(gòu)成部件的基本部件種類。組合關(guān)系本發(fā)明中，泛指構(gòu)成場景的部件或構(gòu)成部件的基本部件之間的空間和幾何上面的放置順序、比例、位置、數(shù)量等。本發(fā)明中構(gòu)建三維場景模型包括如圖1的流程，本發(fā)明的三維場景模型構(gòu)建通過計算機完成，需要配置CPU211、內(nèi)存儲器、外存儲器、系統(tǒng)總線203、圖形加速卡、顯示器。下面結(jié)合建立一個位于杭州的隋代運河旁的街道場景為例來詳細說明本發(fā)明中的方法(1)首先依據(jù)流程步驟102建立運河街道三維場景的本體描述文件，包括A.運河街道三維場景的部件構(gòu)成的一種或多種描述。比如以"房屋"、"橋"、"碼頭"、"塔"、"運河"、"街道地面"等等為可選擇的部件，由計算機軟件領(lǐng)域的專家構(gòu)建一種或多種描述，"房屋、橋"、運河"、"街道地面"為一種部件構(gòu)成，以"房屋、橋、碼頭、塔、運河、街道地面"為另一種部件構(gòu)成等等多種描述。B.部件組合關(guān)系bl."橋"位于"運河"之上；b2."房屋"位于"橋"和"運河"旁，或在"街道地面"兩側(cè)；b3."碼頭"位于"運河"之上；b4."塔"周圍需要有n米的空曠區(qū)域；b5."房屋"與"房屋"之間存在距離為m米的間距；以上的bl、b2、b3、b4、b5為計算機軟件領(lǐng)域的專家所構(gòu)建的一種組合關(guān)系；針對A中的描述，計算機軟件領(lǐng)域的專家還可依此方法構(gòu)建其它的組合關(guān)系。C.場景構(gòu)成各個部件屬性特征描述，如表1:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>就表1中而言，各部件的基本部件構(gòu)成、基本部件組合模式、基本部件屬性特征描述均可有一種或多種備選的描述；基本部件可選類型及其三維繪制方法實際上已包括了基本部件具體形狀的多種備選的描述。基本部件屬性特征的描述為可選項，當各基本部件不能再被分解為子部件構(gòu)成時，該基本部件屬性特征可以不描述，當全部或部分基本部件需要再被分解為子部件組成時，此時需被分解的基本部件被代位為部件，再進一步地進行類似上述屬性特征的描述方式。計算機的外存中設(shè)有該文件的存儲單元201,所建立的文件存儲到該存儲單元201中。(2).執(zhí)行圖1流程步驟103，建立一個或多個規(guī)范文件，所述規(guī)范文件記載需建模場景的本體描述規(guī)范信息，本步驟與歩驟102沒有先后次序。所述規(guī)范信息可由與場景相關(guān)的學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的專家制定，在本實例中需構(gòu)建位于杭州的隋代運河旁街道，因此涉及到兩個與建模效果相關(guān)的專業(yè)領(lǐng)域，運河街道場景的歷史背景和地理背景。因此，分別針對運河和歷史背景和地理背景兩個專業(yè)領(lǐng)域建立相關(guān)的規(guī)范文件，所述規(guī)范文件中記載需建模場景的本體描述的規(guī)范信息，比如，所述規(guī)范信息包含表2的內(nèi)容部件歷史背景領(lǐng)域特征本體描述地理背景領(lǐng)域特征本體描述橋具備隋代橋梁建筑的工藝和技術(shù)特點房屋隋代建筑的特殊組合模式南方特色的屋頂塔南方塔建筑的特定組合模式艮卩對需建模場景的部件構(gòu)成、部件組合關(guān)系、部件的屬性特征描述中的其中一點或多點的肯定性規(guī)定和排除性規(guī)定；計算機的外存中設(shè)有該文件的存儲單元202，所建立的文件存儲到該存儲單元202中。(3)生成語義格式場景模型104。計算機中的設(shè)有執(zhí)行過程式建模單元204，它是以軟件的形式存儲在計算機的外存中，供CPU調(diào)用，它應(yīng)用過程式建模方法根據(jù)步驟102的本體描述構(gòu)建出三維場景模型。即通過本體描述中的部件構(gòu)成及部件組合關(guān)系描述，隨機組合構(gòu)成運河街道場景的部件，"橋"，"房屋"，"塔"，"運河"，"碼頭"，"街道地面"，并且按照表l中給出的部件屬性特征描述中的隨機一種描述建立語義格式的三維場景，生成的語義格式場景數(shù)據(jù)207存儲至計算機的內(nèi)存中。以生成建筑模型為例，下面給出一個簡單房屋的模型語義描述的例子，它包含幾個基本的組成成員屋頂(roof)、墻壁(wall),下面給出的例子中只有一層，四面墻和一個屋頂〈Housetype="residential"floor="r><Name>ASimpleHouse</Name><BoundedBytype="Box"><Box><Point><X>0</X><Y>0</Y><Z>0</Z></Point><Point><X>10</X><Y>0</Y><Z>10</Z></Point></Box></BoundedBy><Housemsmbsr〉<Wall><GateWindowWalltype="1"><Name>FrontWall</Name><BoundedBytype="LineString"><LineString><Point><X>0</X><Y>0</Y><Z>10</Z></Point><Point><X>10</X><Y>0</Y><z>o</z></Point></LineString></BoundedBy><Height>3.5</Height><Thickness>0.3</Thickness></GateWindowWall><ConjunctWalltype='T'><Name>RightConjunctWall</Name><BoundedBytype="Polygon"><Polygon><Point><X>10</X><Y>0</Y><Z>10</Z></Point><Point><X>10</X><Y>3.5</Y><z>o</z></Point><Point><X>10</X><Y>6.38675</Y><Z>5</Z></Point><Point><X>10</X><Y>3.5</Y><Z>10</Z></Point><Point><X>10</X><Y>0</Y><Z>10</Z></Point></Polygon></BoundedBy><Thickness>0.3</Thickness></ConjunctWall><GateWindowWalltype=''l"><Name>BackWall</Name>〈BoundedBytype="LineString"><LineString><Point><X>10</X><Y>0</Y〉<z>o</z></Point><Point><X>0</X><Y>0</Y><z〉o</z></Point></LineString〉</BoundedBy><Height>3.5</Height><Thickness>0.3</Thickness></GateWindowWall><ConjunctWalltype=''l"><Name>LeftConjunctWall</Name>〈BoundedBytype="Polygon"><Polygon><Point><X>0</X><Y>0</Y><z>o</z></Point><Point><X>0</X><Y>0</Y><Z>10</Z〉</Point><Point><X>0</X><Y>3.5</Y><Z>10</Z></Point><Point><X>0</X><Y>6.38675</Y><Z>5</Z></Point><Point><X>0</X><Y>3.5</Y><z>o</z></Point><Point><X>0</X><Y>0</Y><z>o</z></Point></Polygon></BoundedBy><Thickness>0.3</Thickness></ConjunctWall></Wall><Roof><Name>Mainroof</Name>〈Bounde犯ytype="LineString"><Point><X>0</X><Y>0</Y><Z>5</Z></Point><Point><X>10</X><Y>0</Y><Z>5</Z></Point></BoundedBy><Length>10</Length><Width>5+0.5</Width><SlantAngle>0.261799</SlantAngle></Roo&</Housemember〉</House>(4)根據(jù)步驟102中各描述方式的排列組合，理論上可以由計算機生成多種場景模型，因此，由一致性檢查單元206對所生成的場景模型與步驟103建立的規(guī)范文件進行對比，它是以軟件的形式存儲在計算機的外存202中，供CPU調(diào)用，它檢查步驟104生成的三維場景模型是否與學(xué)科專業(yè)領(lǐng)域的專家給出的本體描述規(guī)范信息存在沖突，或者說是否存在不一致，即檢査生成的場景模型是否符合表2中給出的相關(guān)領(lǐng)域本體描述規(guī)范信息，比如，街道場景模型是否符合隋代的歷史背景，建筑風(fēng)格和組合模式是否符合隋代的歷史史實，街道布局風(fēng)格是否符合南方城市的特點(即地理背景)。若存在沖突，則返回步驟104，對應(yīng)沖突部分，在步驟102中所建立的本體描述文件中選擇另一種描述替換沖突部分，重新生成場景模型，不斷循環(huán)生成新的場景模型直至場景模型與規(guī)范文件中的本體描述信息不再存在沖突為止；當不存在沖突時，則進入步驟106。在進行步驟105前，還可以應(yīng)用關(guān)系映射單元205，對步驟104中構(gòu)建的街道場景模型，建立具體的生成模型的部件與表1中的具體部件(即場景模模型中的橋，房屋，路面對應(yīng)到表l中給出的"橋"，"房屋"，"路面"的描述)的對應(yīng)關(guān)系，然后再用一致性檢查單元206進行步驟105。關(guān)系映射單元205是以軟件的形式存儲在計算機的外存中，供CPU調(diào)用。下面以本實施例中的隋代運河旁街區(qū)的生成為例說明關(guān)系映射單元工作原理。如圖3，包括運河旁街區(qū)本體301，以及一個有歷史專家給出的隋代建筑規(guī)范描述本體313和建筑專家給出的運河旁房屋規(guī)范本體307。其中運河街道房屋規(guī)范本體307的規(guī)范描述部件集合309包括屋頂310，門3U，墻312等部件；隋代建筑規(guī)范本體313的規(guī)范描述部件集合315包括窗戶316，建筑大門317，建筑墻體318等部件；隋代建筑規(guī)范描述本體313和建筑專家給出的運河旁房屋規(guī)范本體307之間存在的對應(yīng)關(guān)系有(319:"建筑墻體"318對應(yīng)"墻"312)，(320，"建筑大門"317對應(yīng)"門"311)，(321,"建筑，，314對應(yīng)"房屋"308)。關(guān)系映射單元205首先找到上述多個規(guī)范文件本體中的對應(yīng)關(guān)系，然后將對應(yīng)部件生成的對應(yīng)模型部件之間建立映射關(guān)系，然后進行一致性檢查。(5)輸出生成的模型渲染繪制最終模型，106。將運河旁的街道場景的語義格式數(shù)據(jù)207，輸入至繪制單元209，通過圖像加速卡208渲染繪制街道三維場景模型，輸出到顯示設(shè)備210。繪制單元209是以軟件的形式存儲在計算機的外存中，供CPU調(diào)用。權(quán)利要求1.一種基于本體技術(shù)的三維場景繪制方法，其特征在于它包含如下步驟(1)建立需建模場景的本體描述文件，所述描述包括A1.需建模場景的部件構(gòu)成的一種或多種描述，B1.所述部件組合關(guān)系的一種或多種描述，C1.所述部件的屬性特征的一種或多種描述，所述屬性特征包括部件的基本部件構(gòu)成、基本部件組合關(guān)系、基本部件的三維繪制方法；建立一個或多個規(guī)范文件，所述規(guī)范文件記載需建模場景的本體描述規(guī)范信息，所述規(guī)范信息至少包括以下選項的一項內(nèi)容A2.需建模場景的部件構(gòu)成的規(guī)范信息，B2.所述部件組合關(guān)系的規(guī)范信息，C2.所述部件的屬性特征的規(guī)范信息；(2)在A1、B1、C1中分別選擇一種描述，使用遞歸語法方法生成場景模型，存儲為語義格式；(3)檢查步驟(2)所生成的場景模型是否與步驟(1)所建立的規(guī)范文件中的規(guī)范信息存在沖突，若存在沖突則返回步驟(2)，對應(yīng)沖突部分，在A1、B1、C1中選擇另一種描述，再重新生成場景模型；若不存在沖突，根據(jù)生成的場景模型繪制三維場景。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于本體技術(shù)的三維場景建模方法，其特征在于它在進行步驟(1)時還進行關(guān)系映射，所述關(guān)系映射步驟如下(1)對A1中的描述和A2中的規(guī)范信息理順其術(shù)語關(guān)系，先將A1和A2中用于描述部件的所有"別名"或"稱謂"對應(yīng)到同一部件上，再將Al和A2中表示對象相同的部件之間建立起對應(yīng)關(guān)系；(2)對B1中的描述和B2中的規(guī)范信息理順其術(shù)語關(guān)系，將B1和B2中用于描述同樣一組部件間的組合關(guān)系建立起對應(yīng)關(guān)系；(3)對Cl中的描述和C2中的規(guī)范信息理順其術(shù)語關(guān)系，將Cl和C2中用于描述同一部件的同一特征屬性建立起對應(yīng)關(guān)系。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于本體技術(shù)的三維場景建模方法，其特征在于步驟(2)中采用遞歸語法方法生成場景模型的語義存儲格式表述如下:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>描述部件繪制方法<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>4.一種基于本體技術(shù)的三維場景繪制系統(tǒng)，它包括CPU、內(nèi)存儲器、外存儲器、系統(tǒng)總線、圖形加速卡、顯示器，其特征在于所述系統(tǒng)在外存儲器中設(shè)有-需建模場景的本體描述文件的存儲單元，需建模場景本體描述規(guī)范信息的規(guī)范文件的存儲單元，過程式建模單元，用于依據(jù)記載需建模場景本體描述文件遞歸產(chǎn)生場景模型；一致性檢査單元，用于檢測過程式建模單元建立的場景模型特征是否符合所述規(guī)范文件中的規(guī)定；繪制單元，依據(jù)內(nèi)存儲器中的語義格式場景數(shù)據(jù)繪制出場景的三維模型。5.如權(quán)利要求4所述的一種基于本體技術(shù)的三維場景繪制系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)在外存儲器中還設(shè)有關(guān)系映射單元，用于統(tǒng)一需建模場景本體描述文件和記載需建模場景本體描述規(guī)范信息的規(guī)范文件的用語。全文摘要本發(fā)明提供了一種基于本體技術(shù)的三維場景建模方法，它包括建立需建模場景的本體描述文件；使用遞歸語法方法生成場景模型，存儲為語義格式；檢查生成的場景模型是否與建立的規(guī)范文件中的規(guī)范信息存在沖突。本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述方法的基于本體技術(shù)的三維場景繪制系統(tǒng)。本發(fā)明不需要昂貴的建模設(shè)備，具有交互簡單，易于使用，構(gòu)建的場景符合客觀事實。特別是針對需建立符合特定歷史規(guī)定的歷史場景的應(yīng)用過程中，本發(fā)明中的方法能夠較好的將歷史學(xué)家、建筑學(xué)家、地理學(xué)家、計算機專家等對歷史場景的正確描述結(jié)合起來，構(gòu)建出符合歷史和地理特點的特定歷史場景。文檔編號G06T15/00GK101551916SQ20091009769公開日2009年10月7日申請日期2009年4月16日優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日發(fā)明者勇劉,鋒湯申請人:浙江大學(xué)