蔣健明，周迪斌，胡 斌，解利軍

（1.杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州310036；2.浙江大學(xué)工程與科學(xué)計(jì)算研究中心，浙江 杭州 310027）

基于建筑圖紙的三維重建技術(shù)研究進(jìn)展

蔣健明1，周迪斌1，胡 斌1，解利軍2

（1.杭州師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州310036；2.浙江大學(xué)工程與科學(xué)計(jì)算研究中心，浙江 杭州 310027）

基于建筑圖紙的建筑物三維重建是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人工智能領(lǐng)域的重要研究方向.文章系統(tǒng)分析了三維重建技術(shù)研究現(xiàn)狀，介紹了重建過(guò)程的一般流程，包括建筑圖紙的軸網(wǎng)識(shí)別，柱、梁、板及其它符號(hào)的識(shí)別，總結(jié)目前圖紙理解與識(shí)別技術(shù)的研究成果、存在的主要難點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)及產(chǎn)業(yè)界的相關(guān)進(jìn)展，最后提出該領(lǐng)域進(jìn)一步的發(fā)展方向.

三維重建；建筑圖紙；規(guī)則推斷；圖紙語(yǔ)義

0 引 言

三維重建是從二維數(shù)據(jù)，如工程圖紙、地形圖、衛(wèi)星圖、實(shí)地照片和工程草圖等，提取蘊(yùn)含的三維信息，通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行有效加工處理后，在三維中重構(gòu)出二維信息所對(duì)應(yīng)的三維實(shí)體.三維重建一般包括兩類：建筑三維重建[1]和工程圖重建[2]，該文主要研究前者.利用三維重建技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和繪圖，而且可將繪制結(jié)果直接進(jìn)行后繼加工處理.傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，工程算量的工作主要由人工完成，如門窗統(tǒng)計(jì)、鋼筋用量、土石方估算等，易出錯(cuò)且效率低下[1].深化研究基于三維重建的技術(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)基于矢量圖形自動(dòng)識(shí)別理解的工程量信息獲取和工程量統(tǒng)計(jì)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的工程文件中實(shí)現(xiàn)信息的繼承和方便快捷的工程量統(tǒng)計(jì)，并從根本上改變已有的概預(yù)算的統(tǒng)計(jì)模式.

除傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)和工程算量應(yīng)用，三維重建技術(shù)也可應(yīng)用在三維都市建模、無(wú)線傳播、熱傳導(dǎo)、聲傳播等模擬計(jì)算領(lǐng)域.在室內(nèi)無(wú)線傳播模擬計(jì)算領(lǐng)域，需要對(duì)傳播的邊界即建筑物進(jìn)行有效建模，包括外部輪廓和內(nèi)部細(xì)節(jié)，如墻體、樓板、樓梯、門窗等，不同的材質(zhì)特性對(duì)于無(wú)線傳播影響非常大.與面向工程算量的三維重建相比較，傳播計(jì)算對(duì)建筑3D重建的要求有所不同，前者需在精確3D建?；A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工程算量分析和成本預(yù)算；后者計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注墻體和樓板幾何信息，而不需關(guān)注其它的信息，如材質(zhì)信息、梁柱形狀細(xì)節(jié).

依據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，圖形識(shí)別可分為兩類：一類是基于紙質(zhì)圖紙或位圖的圖形識(shí)別，一般要經(jīng)過(guò)圖紙掃描、預(yù)處理、矢量化、后處理等幾個(gè)步驟.這類圖形識(shí)別首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，即將圖紙由點(diǎn)陣格式轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)格式，以便后續(xù)的建筑識(shí)別.另一類是基于標(biāo)準(zhǔn)化的CAD圖紙文件的圖形識(shí)別[3－4]，依據(jù)圖紙文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)在拓?fù)湫畔?，并借助圖紙規(guī)范約束來(lái)識(shí)別和理解圖紙中的各種信息，提取所需要的建筑工程相關(guān)數(shù)據(jù)，包括幾何信息和工程統(tǒng)計(jì)信息.矢量化的DWG和DXF文件是最常見(jiàn)的建筑圖紙格式.圖1為建筑物三維重建，左為建筑平面圖，右為采用重建算法后構(gòu)建的三維建筑.

圖1 建筑三維重建[5]Fig.1 3Dbuilding reconstruction

1 三維重建的一般方法

學(xué)術(shù)界在三維重建領(lǐng)域已有多年的研究積累，提出了許多算法，最簡(jiǎn)單直觀的方法，是合并一些圖紙中平行線段實(shí)現(xiàn)墻體重建，但該方法只適合查找簡(jiǎn)單的墻體對(duì)象，更合理的識(shí)別算法是研究圖紙間內(nèi)在的約束關(guān)系，采用規(guī)則推導(dǎo)重建.圖2是重建算法的一般流程，包含3個(gè)部分：預(yù)處理、圖形識(shí)別和對(duì)象重建.預(yù)處理過(guò)程是圖形識(shí)別的前提步驟，包含格式轉(zhuǎn)化和修正過(guò)程.對(duì)于非矢量的圖紙，需對(duì)圖紙做預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的矢量圖紙，包含祛除無(wú)關(guān)的噪聲.同時(shí)，建筑圖紙可能存在一些繪制錯(cuò)誤需要更正，部分矢量對(duì)象有效分割對(duì)于建筑實(shí)體的識(shí)別非常關(guān)鍵，需預(yù)先處理，例如關(guān)鍵線條的連通或分割處理.

圖形識(shí)別是算法核心，按識(shí)別次序依次為軸網(wǎng)識(shí)別、柱識(shí)別、梁識(shí)別、板識(shí)別及其它建筑對(duì)象識(shí)別，如樓梯、陽(yáng)臺(tái)和門窗等.三維重建過(guò)程則是在圖形識(shí)別基礎(chǔ)上，利用圖形映射技術(shù)，顯示整個(gè)3D建筑實(shí)體，便于觀察分析.

圖2 建筑3D重建算法的一般流程Fig.2 Flowchart of 3Darchitectural reconstruction algorithm

1.1 軸網(wǎng)識(shí)別

軸網(wǎng)識(shí)別用于建立圖紙的局部坐標(biāo)系，是識(shí)別其它建筑對(duì)象的基礎(chǔ).一般地，建筑工程圖紙都存在的嚴(yán)格的尺寸約束規(guī)范，通常是顯式的，但也可能存在少部分隱式的尺寸約束.尺寸約束用于規(guī)定了圖紙的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和所有幾何對(duì)象的尺寸范圍.直角坐標(biāo)系是最常見(jiàn)的軸網(wǎng)坐標(biāo)系，大部分建筑采用該坐標(biāo)系.另有部分極坐標(biāo)系，主要針對(duì)少部分特殊建筑，如體育館、機(jī)場(chǎng)或圓形建筑物.

1.2 柱識(shí)別

柱用于支撐建筑物，一般位于軸網(wǎng)的交叉點(diǎn).柱識(shí)別可在軸網(wǎng)識(shí)別基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)判斷各個(gè)軸網(wǎng)交叉點(diǎn)是否屬于特殊的柱對(duì)象即可，極大縮減了圖形搜索范圍，主要判斷依據(jù)則是圖形拓?fù)渲械倪B通約束.利用該約束條件查找包含柱截面信息的圖紙中的所有封閉輪廓，再依據(jù)柱對(duì)象輪廓間的層次關(guān)系及輪廓內(nèi)部的幾何圖元分析出詳細(xì)截面和非詳細(xì)截面信息，如箍筋和縱筋信息.

1.3 梁識(shí)別

梁一般用于支撐樓板，其主要幾何特征是一組相互平行的直線段.梁體可直接鏈接到墻體或柱體上，也可直接與梁鏈接.梁識(shí)別是在柱識(shí)別和建筑圖紙的軸網(wǎng)特征的基礎(chǔ)上.梁與柱關(guān)系緊密，一般地，主梁和挑梁都直接與柱對(duì)象相關(guān)，可在柱識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)一步識(shí)別梁對(duì)象，避免查找匹配的盲目性.首先查找區(qū)域是柱對(duì)象周圍，以柱子的直徑作為搜索閾值，查找與柱對(duì)象相交的平行線對(duì).依據(jù)空間拓?fù)漕愋偷牟煌?，可以分為X型、T型和L型三類，具體類型可以通過(guò)分析梁線與柱體的相交關(guān)系來(lái)獲得.然后，依據(jù)軸網(wǎng)上其它對(duì)象的表現(xiàn)特征來(lái)輔助識(shí)別其它梁對(duì)象.墻體的識(shí)別與梁識(shí)別類似，其幾何表征與梁體表征相似.

1.4 板識(shí)別

在平面圖紙中，板是一個(gè)由梁體或墻體所組成的封閉區(qū)域，板與梁之間存在一定的約束關(guān)系，其識(shí)別過(guò)程是建立在梁（墻體）對(duì)象識(shí)別基礎(chǔ)之上.板置于梁或墻體上.因此，板識(shí)別的依據(jù)主要是檢索所有的首尾相連的墻體或梁體組成的封閉區(qū)域且內(nèi)部不含有其它墻體或梁體對(duì)象.有些標(biāo)準(zhǔn)化的CAD圖紙，可能含有規(guī)范標(biāo)注的板圖層，用封閉的線段表征板對(duì)象.充分利用該表征特性，可有效簡(jiǎn)化板識(shí)別過(guò)程.

識(shí)別普通的樓板相對(duì)容易，而對(duì)于非一般性的屋頂樓板，因其形態(tài)多異性，嚴(yán)格識(shí)別重建相對(duì)較難，該方面目前只有少部分的研究報(bào)道[6].

1.5 其它對(duì)象識(shí)別

建筑中包含其它對(duì)象，如陽(yáng)臺(tái)、電梯、門、窗、樓梯等，此類構(gòu)件識(shí)別眾多，甚至包含部分非建筑對(duì)象，其表現(xiàn)形式可能差異很大，對(duì)于識(shí)別的準(zhǔn)確率和效率是很大挑戰(zhàn).表格對(duì)象的識(shí)別對(duì)于進(jìn)一步理解建筑圖紙信息非常重要，尤其在工程算量方面的應(yīng)用領(lǐng)域，表內(nèi)容識(shí)別都要結(jié)合圖紙上下文環(huán)境識(shí)別.

2 三維重建的主要挑戰(zhàn)

圖3 不同風(fēng)格的建筑門窗表現(xiàn)形式[12]Fig.3 Various illustrations of architectural windows and doors

三維重建算法一般是從圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)或特征.識(shí)別過(guò)程可簡(jiǎn)化為特征約束滿足條件的識(shí)別判定.目前已有的三維重建算法本質(zhì)上都是一種基于“規(guī)則→推斷”的系統(tǒng)，研究各類圖形之間的有效約束及圖紙的主要規(guī)范，以形式化方法表征，形成適當(dāng)?shù)募s束規(guī)則，依據(jù)約束規(guī)則及識(shí)別先后依賴特性，實(shí)現(xiàn)高效的三維重建算法，主要性能指標(biāo)包括建筑物識(shí)別的準(zhǔn)確率及算法的效率，同時(shí)算法的健壯性和適用性也是非常重要的因素.

在三維重建領(lǐng)域，有關(guān)專家和學(xué)者做了大量的研究，如：Clifford So[4]實(shí)現(xiàn)了一種半自動(dòng)化的3D重建算法；Philippe Dosch等[7]進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)格約束的建筑圖符號(hào)識(shí)別及三維模型重建；李偉青[8]提出一套針對(duì)主體構(gòu)件的智能識(shí)別方法；陸再林等[9]研究了建筑圖自動(dòng)分析集成環(huán)境的設(shè)計(jì)；路通等[10]提出了一種基于軸網(wǎng)、結(jié)構(gòu)語(yǔ)義驅(qū)動(dòng)的層次式自生長(zhǎng)識(shí)別模型，并進(jìn)一步拓展到知識(shí)模型[11].

雖然三維重建領(lǐng)域已取得很大進(jìn)展，但也存在很多難題尚待解決，這些難題與建筑圖紙的特性有關(guān)，復(fù)雜多樣，缺乏統(tǒng)一規(guī)范.目前，該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自以下幾個(gè)方面[12]：

1）識(shí)別目標(biāo)多樣化.依據(jù)需要不同，三維重建過(guò)程需要從建筑物視圖中按需識(shí)別出各類建筑實(shí)體對(duì)象（柱、墻、板、梁等），不同對(duì)象的識(shí)別算法差異性較大，且識(shí)別過(guò)程存在較強(qiáng)的相關(guān)性.

2）缺乏嚴(yán)格的幾何對(duì)象約束.相對(duì)而言，機(jī)械制圖一般具有相對(duì)完整的三視圖，且其中的幾何約束極為嚴(yán)格.而建筑圖紙不一定具有完備的三視圖，可能就只有簡(jiǎn)單的平面圖和立面圖，一些構(gòu)件的尺寸僅僅具有示意性，缺乏嚴(yán)格的幾何約束.

3）缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.工程圖的種類較多，規(guī)范性不夠，復(fù)雜度增加，各類對(duì)象多，視圖分散，語(yǔ)義復(fù)雜.同時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有所差異，而且制圖專家在使用習(xí)慣上也不盡相同，導(dǎo)致圖紙不夠規(guī)范.例如，圖3顯示了多種門窗表示形式，而圖4則展示了墻（梁）體識(shí)別過(guò)程中可能出現(xiàn)的不同T型表征.表現(xiàn)形式的多樣化增加了數(shù)據(jù)的檢索的空間范圍及其判斷次數(shù)，對(duì)檢索性能和準(zhǔn)確率是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，必須提高識(shí)別算法適應(yīng)性和準(zhǔn)確率.

4）圖形理解的目標(biāo)多樣性.簡(jiǎn)單的建筑圖樣的理解和重建研究側(cè)重于三維實(shí)體的重建，即構(gòu)建實(shí)體的三維信息.而面向工程算量的建筑識(shí)別過(guò)程需提取各種建筑材料相關(guān)信息，例如建筑材料的長(zhǎng)度、寬度、重量、體積（面積）、數(shù)量等不同類型的信息及匯總的工程造價(jià)信息.

針對(duì)部分圖形缺乏的情況，為了能繼續(xù)保證重建系統(tǒng)的魯棒性和容錯(cuò)性，S.Horna等[5]研究圖形拓?fù)潢P(guān)系，解決圖形在缺乏足夠信息的情況下實(shí)現(xiàn)圖形重建，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，開(kāi)拓了新思路.但該方法目前還有很多局限，主要是算法不夠完善，應(yīng)用范圍有一定限制，僅適合基于光照模擬和傳播計(jì)算這類無(wú)需精確計(jì)算的領(lǐng)域.

另一方面，傳統(tǒng)方法與自動(dòng)機(jī)相關(guān)理論結(jié)合，形成目前一種三維重建的研究新趨勢(shì)，該方法全面分析建筑平面圖形的語(yǔ)義，構(gòu)建靈活的圖紙語(yǔ)義的表征語(yǔ)法，使得基于語(yǔ)義或知識(shí)的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的魯棒性.

重建技術(shù)不僅可用于重建一個(gè)建筑，也可對(duì)整個(gè)社區(qū)或城市進(jìn)行重建.Massachusetts大學(xué)開(kāi)展了一個(gè)叫做Building Model Generation（BMG）的項(xiàng)目，目標(biāo)是重建真實(shí)的MIT校園的模型，其渲染流程類似于UC Berkeley系統(tǒng)，但需要一個(gè)基于建筑分布圖的自動(dòng)校準(zhǔn)過(guò)程，自動(dòng)調(diào)整建筑的位置和朝向.

圖4 T型鏈接的不同表征Fig.4 Various representations of T Connetions

3 三維重建技術(shù)在產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用

除了科學(xué)研究外，一些商業(yè)軟件開(kāi)始提供三維重建和工程算量的功能.如國(guó)內(nèi)的斯維爾可視化算量、神機(jī)妙算、魯班算量和廣聯(lián)達(dá)算量等，它們?cè)谝欢ǔ潭壬蠈?duì)DWG或DXF格式的工程圖紙進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì).但是這些軟件自身有很大的局限性，例如大部分是基于構(gòu)件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，而真正的識(shí)別方面功能相對(duì)薄弱，無(wú)法在對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行全局分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字建筑的全局重建；其次主要是基于規(guī)則推斷的算法，對(duì)圖紙的輸入類型敏感，導(dǎo)致在圖紙風(fēng)格變化較大時(shí)，識(shí)別率和識(shí)別準(zhǔn)確性都不太理想.而且，國(guó)內(nèi)的軟件大部分是基于AutoCAD，不具備完整知識(shí)產(chǎn)權(quán).

國(guó)外也推出了類似的3D建模軟件，一般以標(biāo)準(zhǔn)建筑的模板或范例作為識(shí)別的前提，但總體上看，系統(tǒng)的一致性較低，算法具有很大的局限性.如PlanTracer是基于AutoDesk's Architectural Desktop（ADT）和AutoCAD／AutoCAD LT上的應(yīng)用軟件，用于自動(dòng)或半自動(dòng)地轉(zhuǎn)化二維平面圖和規(guī)劃平面圖到智能模型.支持CAD圖和掃描光柵圖像，能把簡(jiǎn)單的原始建筑平面圖圖像轉(zhuǎn)化成對(duì)象，如墻、柱、窗、門等.程序能處理幾乎所有的二維建筑平面圖，也支持其它設(shè)備和家具符號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要采用符號(hào)庫(kù)檢索功能實(shí)現(xiàn)，但其幾何空間合成的功能有很大的局限性，操作交互性比較復(fù)雜，合成效果還有待提高.

建筑信息模型（Building Information Model，簡(jiǎn)稱BIM）[13]作為IFC標(biāo)準(zhǔn)，利用數(shù)字化的建筑組件表示真實(shí)世界中用來(lái)建造建筑物的構(gòu)件，可用來(lái)展示整個(gè)建筑生命周期，包括興建過(guò)程及營(yíng)運(yùn)過(guò)程，代表著未來(lái)三維建模的發(fā)展方向，將更加深入推動(dòng)現(xiàn)有三維重建技術(shù)的研究應(yīng)用，推動(dòng)三維建筑設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化.

4 總結(jié)與展望

基于建筑圖紙的三維重建技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的研究，一些傳統(tǒng)的算法體系趨于成熟，部分算法已經(jīng)在商業(yè)上得到應(yīng)用，但從具體應(yīng)用需求的角度上，還有很多亟待解決的難題.目前通用、實(shí)用的軟件系統(tǒng)種類偏少，識(shí)別算法的精確性、健壯性和效率方面都有待提高.新的基于語(yǔ)義模型的重建算法為該領(lǐng)域的研究提供了一些新的思路，硬件運(yùn)算能力不斷提升，為技術(shù)研究提供了進(jìn)一步支持.今后的研究可能著重在以下方面展開(kāi)[11]：

1）建筑重建模式的轉(zhuǎn)變.主要研究基于圖紙語(yǔ)義的三維重建算法的研究，增強(qiáng)重建的算法的適應(yīng)性，引入領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)從規(guī)則推斷的模式向基于知識(shí)的模式轉(zhuǎn)變.有效研究圖紙?zhí)N含的各類知識(shí)，動(dòng)態(tài)配置其對(duì)應(yīng)的規(guī)則文法，增強(qiáng)對(duì)圖紙?zhí)N含的非幾何知識(shí)的識(shí)別判斷.基于語(yǔ)義的識(shí)別重建過(guò)程需要對(duì)圖紙中存在的各種約束關(guān)系采用合適的形式化表征方法.

2）自動(dòng)反饋機(jī)制.增加算法自我學(xué)習(xí)能力，通過(guò)用戶的反饋和自動(dòng)學(xué)習(xí)機(jī)制，提升算法的健壯性和適應(yīng)性.例如：從分析多目標(biāo)圖形的結(jié)構(gòu)與工程約束信息著手，制定圖形識(shí)別系統(tǒng)所采用的控制策略；研究有效的智能算法策略，并能充分利用用戶反饋，如多Agent組織，提高算法在圖形識(shí)別與理解過(guò)程中的自適應(yīng)和進(jìn)化能力.

當(dāng)然，現(xiàn)有的算法研究如何與產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用結(jié)合，也是一個(gè)非常重要的課題，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)于更復(fù)雜和更大規(guī)模的建筑物重建有著更加迫切的需求，如虛擬城市、節(jié)能城市和智能化城市等.如何針對(duì)特定需求構(gòu)建快速高效的重建算法，是切實(shí)推動(dòng)三維重建技術(shù)在產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用的關(guān)鍵.

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Research Progress of 3DReconstruction Based on Architectural Drawings

JIANG Jian-ming1，ZHOU Di-bin1，HU Bin1，XIE Li-jun2
（1.College of Information Science and Engineering，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China；2.Center for Engineering and Scientific Computation，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

The 3Dbuilding reconstruction based on architectural drawings is an important and active research field of computer graphics and artificial intelligence.This paper analyzed the current situation of 3Dreconstruction，introduced the common flow chart of the reconstruction process，which includes the sequential recognition of axis-based network，beam，ridge，floor and other symbols，and summarized the recent achievements in drawings understanding and recognition，the existing challenges and trend with full analysis as well as the related industrial progress.At last，the future research direction is pointed out.

3Dreconstruction；architectural drawings；rules inference；drawing semantics

TP391.41

A

1674-232X（2011）04-0375-05

2010-12-02

中小企業(yè)創(chuàng)新基金（10C26213304161）；浙江省教育廳基金（Y200805962）；杭州師范大學(xué)科研啟動(dòng)基金（YS05203144）.

蔣健明（1962—），女，浙江杭州人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事科學(xué)計(jì)算可視化、軟件工程研究.E-mail：jiang812378＠163.com

10.3969／j.issn.1674-232X.2011.04.018