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三维建模是计算机图形学所研究的重点问题,其主要任务是用几伺或参数的方法表达真实的世界。游戏影视、虚拟现实、3D打印等行业高速发展,高质量、高效率、平民化的三维建模方法是解决其内容生产的关键性技术。而在三维建模方法中,面向建筑的快速建模是极具代表性的分支,广泛应用于建筑与城市的设计与规划、虚拟现实场景的漫游与仿真、历史传统建筑数字化保护等具有实际意义的领域。 本论文所研究的对象——徽州建筑,是中国古代历史建筑中的璀璨明珠。作为传统的木制结构建筑,古代徽州建筑正随着时间的流逝而慢慢消失,其数字化保护与传承工程开始逐渐被政府重视,而该类工程中最重要的一步,便是徽州建筑的三维数字化与快速建模。然而,现有的建筑三维建模技术用于徽州建筑对象时存在较大的局限性,如只关注构建建筑的几何外表面而忽略了建筑背后的营造规则,对用户的领域知识(如建筑、艺术、计算机等背景知识)、交互能力要求过高,等等。 为了解决上述问题,本文围绕徽州建筑,提出了一套基于建筑营造规则的徽州建筑营造方法,该方法覆盖了从用户交互输入到最终建筑模型输出的所有步骤,具体包含如下四个方面的工作: (1)对目前主流的建筑建模方法与技术做了较为全面的综述。 分析对比了目前所有主流的建筑建模方法的优缺点和适用范围。同时,讨论了建筑内部和建筑群布局方法,以及中国和西方国家在面向历史建筑快速建模领域所做的探索。 (2)提出一种基于营造规则的徽州建筑组件参数化方法。 结合中国古代建筑营造规则与徽州建筑特有的风格特征,提出了一种基于营造规则的徽州建筑组件参数化方法,包括对徽州建筑组件的属性参数化和连接参数化,组件营造顺序的抽象化,最后在此基础上设计了一种针对徽州建筑的营造语法,可以全面地对徽派建筑进行数字化记录,适用于徽州建筑的快速过程建模。 (3)提出一种基于推荐系统的徽州单体建筑交互式构建方法。 提出了一种徽州建筑的多层参数表达方法,仅使用少量高层参数描述建筑的功能与语义特征;基于概率网络设计了以组件为核心的推荐系统指导用于逐步完成徽州建筑建模任务,使得没有领域背景知识的用户也能够快速设计三维徽州建筑。 (4)提出一种基于随机优化的徽州民居群布局与构建方法。 多民居的场景构建需要考虑民居之间的空间布局问题和建筑特征的协调问题。为了降低用户的交互成本,提出一种基于马尔科夫蒙特卡罗的随机优化方法,结合2D平面规则和民居特征冲突规则,使得自动生成的民居群尽可能满足合理的空间与特征要求。同时,设计并实现了基于GPU并行优化的框架保证算法的实时性。