本发明属于建筑模型简化，更具体地，涉及一种基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化方法。
背景技术：
1、3d建筑模型的可视化是bim建筑信息模型（building information modeling）和cim城市信息模型（cityinformation modeling）平台构建的基本要求。多个bim建筑模型的集成可实现多个建筑之间的跨建筑分析及其他分析。尽管现代图形管道针对处理3d网格进行了优化，但实时渲染具有数百万个面片的建筑模型仍然是web浏览器或移动设备上的重大挑战。因此，在对模型进行渲染之前先对建筑模型进行简化是重要的一环。
2、针对三角形网格的建筑模型，目前常用的网格简化方法在简化过程中仅考虑了模型的几何信息，缺少对模型纹理信息的考虑，经过简化后的模型无法直接在bim应用程序中使用，需要通过手动或复杂的自动化方法对生成的低多边形建筑模型进行纹理化。
3、可微渲染可用于同时生成3d模型的几何形状和纹理，但直接采用可微渲染得到的模型无法保留阳台、窗户等各类建筑开口以及其他重要的建筑特征，导致巨大的视觉差异。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化方法，其目的在于解决可微渲染直接应用于建筑模型上时，容易造成巨大的视觉差异的问题。
2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化方法，包括：
3、s1、采用包裹算法，生成原始建筑模型对应的封闭表面网格，并对所述原始建筑模型进行孔洞分析，得到每个孔洞的开口长度；基于所述孔洞的开口长度，在所述封闭表面网格的偏移表面上进行贪婪的细化和孔洞雕刻，得到所述原始建筑模型对应的包裹网格模型；
4、s2、简化所述包裹网格模型的面片数；且在简化过程中为所述包裹网格模型的每个顶点分配纹理坐标，根据顶点的纹理坐标进行初始纹理重映射，得到包含初始纹理的简化网格；
5、s3、将所述包含初始纹理的简化网格输入至可微分渲染模型中进行几何形状和纹理信息优化，得到包含纹理信息的简化网格。
6、进一步地，s1中，采用3d alpha包裹算法生成所述封闭表面网格；并采用alpha参数和预设的offset参数调整生成所述包裹网格模型；
7、其中，所述alpha参数为所述孔洞的开口长度，用于控制雕刻过程中不能通过的孔洞的大小；所述预设的offset参数用于控制所述封闭表面网格的顶点与所述原始建筑模型的顶点之间的距离。
8、进一步地，s3中，所述可微分渲染模型在优化过程中的损失函数为：
9、；
10、式中，为图像空间损失，为拉普拉斯损失，为法向量损失；为拉普拉斯损失的正则化权重，为法向量损失的正则化权重；
11、其中，所述图像空间损失为:
12、;
13、式中，width，height和#channels分别代表原始建筑模型经渲染后的图像的宽度、高度和通道数；为每轮次优化过程中输出的优化网格模型图像，为原始建筑模型经渲染后的图像；
14、所述拉普拉斯损失为：
15、;
16、式中，和分别是当前轮次优化过程中输出的优化网格模型和上一轮次优化过程中输出的优化网格模型中顶点的拉普拉斯坐标，是顶点的一环邻域，为每轮次优化过程中输出的优化网格模型的顶点数；
17、所述法向量损失为：
18、；
19、式中，i和j分别代表当前轮次优化过程中输出的优化网格模型中具有公共边的两个相邻三角形面片，和分别代表对应三角形面片的法向量，是所有公共边的集合。
20、进一步地，所述初始纹理包括所述原始建筑模型对应的漫反射贴图、高光贴图和法线贴图；
21、在所述可微分渲染模型在优化过程中，通过所述损失函数反向调节每轮次优化过程中输出的优化网格模型图像的顶点位置及漫反射贴图、高光贴图和法线贴图。
22、进一步地，采用基于blinn-phong着色模型的视觉度量衡量所述可微分渲染模型的优化效果；其中，所述视觉度量为：
23、；
24、；
25、其中，表示在给定一个观察方向d上，利用blinn-phong光照模型得到建筑模型m图像的像素值；表示原始建筑模型经渲染后的模型，表示第i轮次优化过程中输出的优化网格模型；n是渲染后图像的像素和；是一个包围模型和模型的球体；表示模型和模型对应的图像在观察方向d上的视觉差异；符号表示将定义为。
26、进一步地，s2中，采用二次度量误差方法，通过将所述包裹网格模型中相邻三角形面片数的边进行边缘折叠，以简化所述包裹网格模型的面片数。
27、进一步地，在简化过程中，通过uv展开为所述包裹网格模型的每个顶点分配uv坐标，其中，所述uv坐标为所述纹理坐标。
28、按照本发明的第二方面，提供了一种基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化系统，用于执行第一方面任一项所述的建筑模型简化方法，包括：
29、包裹网格模型生成模块，用于采用包裹算法，生成原始建筑模型对应的封闭表面网格，并对所述原始建筑模型进行孔洞分析，得到每个孔洞的开口长度；基于所述孔洞的开口长度，在所述封闭表面网格的偏移表面上进行贪婪的细化和孔洞雕刻，得到所述原始建筑模型对应的包裹网格模型；
30、初始简化网格生成模块，用于采用二次度量误差方法简化所述包裹网格模型的面片数；且在简化过程中为所述包裹网格模型的每个顶点分配纹理坐标，根据顶点的纹理坐标进行初始纹理重映射，得到包含初始纹理的简化网格；
31、包含纹理信息的简化网格生成模块，用于将所述包含初始纹理的简化网格输入可微分渲染模型中进行几何形状和纹理信息优化，得到包含纹理信息的简化网格。
32、按照本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括计算机可读存储介质和处理器；
33、所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
34、所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令执行第一方面任一项所述的建筑模型简化方法。
35、按照本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的建筑模型简化方法。
36、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
37、（1）本发明的基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化方法，在进行模型简化之前，先通过对原始的高多边形3d建筑网格模型生成对应的封闭表面网格，以及进行孔洞分析得到雕刻过程中不能通过的空腔或孔的大小，进而在封闭表面网格的偏移表面上进行贪婪的细化和孔洞雕刻，得到原始建筑网格模型对应的包含模型阳台、窗户等各类建筑开口细节信息的包裹网格模型，由于包裹过程中会忽略模型的内部细节特征，使该包裹网格模型仅包含且详细包含了原始的建筑网格模型的外表面网格特征，使得后续进行模型简化时也仅考虑原始建筑模型的外表面网格特征的误差，无需考虑模型在简化过程中的内部细节特征误差，降低了总体的视觉差异，并保证了建筑的开口特征，使简化后的模型具有较低面片数的同时还保证了视觉质量和模型精确性；此时，再基于简化后的模型进行可微渲染，能够充分利用可微渲染的优势，自动生成模型的几何形状和纹理，解决了可微渲染直接应用于建筑模型上时，容易造成巨大的视觉差异的问题，提升了简化后的低多边形建筑网格模型的视觉质量和精确性。
38、（2）作为优选，本发明实施例中，经过反复实验，选择3d alpha包裹算法生成原始建筑模型对应的包裹网格模型，能够取得更好的视觉质量和模型精确性。
39、（3）作为优选，本发明实施例中，考虑到建筑模型通常具有复杂的几何结构，包括曲面、复杂的边缘和交错的物体，因此，在对模型渲染优化时，采用图像空间损失、拉普拉斯损及法向量损失的加权作为总的损失函数，从不同的视角重复多次优化，将优化网格模型逐渐变形以匹配原始建筑模型的外观，进一步提升了将可微渲染应用在建筑模型上以获得低视觉差异的适配度。
40、（4）进一步地，考虑到衡量现有简化的视觉质量的指标仅考虑模型之间的法线差异，但是没有综合考虑纹理（材质和视觉外观）对视觉外观的影响，本发明提出了一种blinn-phong着色模型的视觉度量，通过利用blinn-phong光照模型得到原始建筑模型图像与当前轮次下输出的优化模型图像在观察方向上的视觉差异，进而得到所有方向的边际化视觉差异，该视觉差异能够充分反映优化后的模型中材质和视觉外观对视觉外观的影响，提升了衡量的精确度。
41、（5）作为优选，采用二次度量误差（qem）对包裹网格模型进行简化，不仅能够利用qem本身的优势生成视觉和几何损失较低的高质量的简化模型，还使得采用qem进行简化过程中仅考虑原始建筑模型的外表面网格特征的误差，无需考虑模型在简化过程中的内部细节特征误差，降低了总体的视觉差异，解决了qem将数百万个面片的建筑模型降低到较低面片数，容易产生漏洞和其他类型的伪影的问题，进一步提升了简化后的低多边形建筑网格模型的视觉质量和精确性。
1.一种基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的建筑模型简化方法，其特征在于，s1中，采用3d alpha包裹算法生成所述封闭表面网格；并采用alpha参数和预设的offset参数调整生成所述包裹网格模型；
3.根据权利要求1所述的建筑模型简化方法，其特征在于，s3中，所述可微分渲染模型在渲染优化过程中的损失函数 为：
4.根据权利要求3所述的建筑模型简化方法，其特征在于，所述初始纹理包括所述原始建筑模型对应的漫反射贴图、高光贴图和法线贴图；
5.根据权利要求3或4所述的建筑模型简化方法，其特征在于，采用基于blinn-phong着色模型的视觉度量衡量所述可微分渲染模型的优化效果；其中，所述视觉度量为：
6.根据权利要求1所述的建筑模型简化方法，其特征在于，s2中，采用二次度量误差方法，通过将所述包裹网格模型中相邻三角形面片数的边进行边缘折叠，以简化所述包裹网格模型的面片数。
7.根据权利要求5所述的建筑模型简化方法，其特征在于，在简化过程中，通过uv展开为所述包裹网格模型的每个顶点分配uv坐标，其中，所述uv坐标为所述纹理坐标。
8.一种基于可微渲染的外观驱动的建筑模型简化系统，其特征在于，用于执行权利要求1-7任一项所述的建筑模型简化方法，包括：
9.一种电子设备，其特征在于，包括计算机可读存储介质和处理器；
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的建筑模型简化方法。
