Bina tahsis planlarından 3-boyutlu şehir modellerinin üretilmesi ve görüntülenmesi

BINA

TAHSIS

PLANLARINDAN 3-BOYUTLU

5EHIR

MODELLERININ

URETILMESI VE GORUNTULENMESI

PRODUCTION AND VISUALIZATION OF 3D CITY MODELS

FROM BUILDING

ALLOCATION PLANS

Oguzcan

Oguz, Medeni Erol Aran, Turker Yllmaz, Ugur Gudukbay

Bilkent Universitesi, Bilgisayar

Muihendisligi

B6lumui

06800, Bilkent,

ANKARA

{oguzcan,merol,yturker,gudukbay}@cs.bilkent.edu.tr

Ozetce

ABD'nde bulunan birka, sehirden olu*maktadir. Benzer bir

qali*ma

CitySurf isimli bir yazilim ile ullkemizde de

Bubildiride sanal ,ehir modelleri

olu*turulmasinda

kullanilmak

geli,tirilmi,tir.

uzere otomatik olarak ,e,itli bina modelleri uretimini Bulyulk

ve

karma*ik

sistemlerin modellenmesi bilgisayar

saglayacak

bir yontem ve elde edilen verilerin goruintullenmesi

grafigi

a,isindan

onemli bir problemdir. Geli,en bilgisayar i,in bir goruintuileme sistemi sunulacaktir. Modelleri uretmek sistemleri

ve goruntulleme algoritmalari

sanal ortam modellerine i,in geli,tirilen yontem, bina modellerini otomatik olarak ve

ihtiyaci

artirmaktadir.

Gulnulmulzde bilgisayar

sistemleri,

belli noktalarda olasiliksal olarak

ulretebilmektedir.

Model olduk,a

karma*ik

ve

bulyulk

ui,

boyutlu modellerin uretimi, sistem i,erisinde kullanilan kurallarin ve istenen bina

goruintullenmesine

olanak vermektedir.

Goruntulleme

sistemleri niteliklerinin ayarlanmasi ile yonlendirilebilir. Kullanilan askeri

egitim

ve

,ehir planlamadan bilgisayar

oyunlarina

ve

yontemin geli,tirilmesinde ,ekil gramerleri baz

alinmi*tir.

sanal turizme kadar bir,ok alanda

kullanilmaktadir.

Bu Sistem kadastroplanlari gibi planlaruzerinden3-boyutlu ,ehir sistemlerde

kullanilmak

uzere, mevcut ,ehirlerin birebir modellerini uretebilecek seviyededir. Sisteme girdi olarak modellerini olu,turmak zaman

ve

para gibi maliyetler

a,isindan

modeli olu,turulacak ,ehrin taban planlari, kurallarin tanimlari ,ok

masrafli

olacaktir.

ve bazi nesnelerin tanimlari

verildiginde

bina modelleri 3- Bu

qali*manin

esas

amaci,

,ehir

planlarinda

yeralan 2 boyutlu hale getirilmekte, istenen detaylar eklenebilmekte ve boyutlu verileri, 3-boyutlu ortama ger,ek,i olarak

ta*imak

ve

elde edilen veriler3-boyutluortamdagoruintuilenebilmektedir. elde edilen 3-boyutlu veriyi ger,ek

zamanli

olarak

gorfintullemektir.

Yapilan

qali*ma

halen

ba*langiq a*amasinda

Abstract

olup

zaman

i,erisinde ,e,itli

bina tasarimlarinin eklenmesi

ve

goruntulleme algoritmalarinin daha etkin halegetirilmesiile her This paper presents a method for the automatic generation of alana

yayginla*tirilabilecek

hale getirilecektir. Halihazirda, different building models to be used to populatevirtual cities modellerin

olu*turulmasinda

mevcut ,ehirlerin planlarindan and a system of visualization ofgenerated city models. The yararlanilmakta ve bu

planlarindaki

binalarin 2-boyutlu taban proposed method incorporates randomness but the derivation planlari kullanilarak her bina modeli ayri ayri process could be steered by the help of derivation rules and

olu*turulmaktadir.

Elde edilen veriler goruntulleme assigned attributes. The derivation method is inspired by the

algoritmasina

transfer edilmek suretiyle ger,ek zamanli shape grammars.Duringthe derivation process, the floorplans goruntulleme yapilabilmektedir.

ofthe actual cities are used to generate 3Dcity models. Given

thecity plans,the derivation rules and definitions of some basic 2.

Ilgili

4(ahi,malar

nesnects, the system

generates

3D

building

models and the Mevcut,ehir modellerinin

olu*turulmasinda ba*ari

saglayan

bir

generated city

model could be visualized.

yakla*im

fotogrametri ve resim i,leme ile bina ve

sokaklarin

1.

Giri~

modellerinin

olu*turulmasidir.

Bir

ba,ka

yakla*im

ise havadan lazer tarayicilar yardimiyla uzaktan algilama teknolojilerinin

$ehir

planlari her belediyedemevcutve elektronik ortamlarda kullanilmasini baz alir. Bu

yakla*imlar

olduk,a

ba*arili

ve saklanmaktadir. Bu veriler 2 boyutlu olup uzerinde ilave

gulvenilir ,ehir

modelleri

saglamasina

kar*in,

otomatik olarak planlarin yapilmasi, 3-boyutlu olarak goruintullenmesi ve her uretim

yapmadiklarindan

,ogunlukla

pratik

degillerdir.

hususun detaylariyla incelenmesi son 10 yil i,erisinde artan $ehir modellemede

gramerlerin

yani

L-sistemlerinin inceleme konulardan biri olmu,tur. Bu alanda

ornegin

Google kullanilmasi

yeni

degildir

[1].

Onceki bir

qali*mada,

L-firmasi, Google Earth isimli yazilimiyla uydu

fotograflarini

sistemleri kullanilarak sokak

yapilari olu,turulmu,tur

[2]. ,ehir planlarindan elde edilen 3 boyutlu goruntullerle

Ayrim gramerleri yardimiyla detayli

bina modellerinin birle,stirerek

goirsel

bir cografi bilgi sistemini kullanima

olu,sturulmasi

olduk,ca

ba,sarili

sonu,clar vermi,stir [3]. Ayrim

a,cmistir.

Hali hazirda mevcut 3-boyutlu ,sehirler daha ,cok gramerlerikumeye ,sekilgramerlerinin bir sentezidir [4]. Ayrim

gramerleri 3 boyutlu nesneleri ayni hacim i,inde

diger

3 * Son Nesneler: Son nesneler DXF formatinda boyutlu nesnelere ayirir ya da doniu,turur. Bina modelinin

tanimlanmi*tir

ve herhangi bir ui, boyutlu tasarim uretim sulreci

bultuln

nesneler daha fazla ayrilmayacak son programiyla kolayca tasarlanabilir. Son nesneler nesneler

oldugunda

sona erer vebu son nesneler bina modelini herhangi bir sayidaki

yulzeyden

olu,ur, bu

yulzeyler

temsil eder. Model olu,turma i,lemi,

degerleri

sayisal olarak DXF formatinda 3DFACE olarak

tanimlanmi*tir

ve belirlenmi, nitelikler yardimiylayonlendirilir, boylece uretilen birim boyutlara sahiptir

($ekil

2). Son nesneler bina modeli ama,lanan nitelikleri yada mimari yonelimleri desenler ile kaplanmak istenirse, DXF formatindaki yansitir. Yine bu

qali*mada

kontrol gramerleri

kullanilmi*tir.

"layer"bilgileri bu ama,la kullanilabilir.

Kontrol gramerleri, model olu,turma

sulrecinde

ama,lanan * Ara Nesneler: Ara nesneler, kural dosyasinda tasarimniteliklerine tutarli birbi,imde

ula*ilmasini

saglar.

tanimlanmi*

kurallar

araciligi

ile sonnesnelere ya da yine

diger

ara nesnelere ayrilabilecek nesnelerdir.

3. Model Uretim Sistemi

Bina

uretim sulreci kat nesneleri ile

ba,lar. Butun ara

nesneler, degerleri sayisal olarak

belirlenmi,s

bazi SistemAutoCADfirmasinin "dataexchange file" (DXF)model

nesnklere

sahir.B

nitelkblrnesney

bazi formatini kullanmaktadir. DXF formati olduk,ca

basit,

standart

kuralarn uygulanain.

.ngelleere

uetsurecini

ve genel olarak kabul

gordiiguinden

mevcut 3 boyutlu model

kurallarirlr.

Ara

nesneller

eek

iorak

bsitrec3

formatlarinin en temeli olarak kabul edilebilir. Sistem ,ikti

byuttanirdikertgesneler

olarakd

baitir

olarakbina modellerini DXFformatinda

olu*turmaktadir.

DXF

formati

yulzey

desenlerini saklayamaz ancak katman bilgisibu ama,lakullanilabilir. Sistem girdiolarak ,ehir planlarini DXF formatinda alir ve binalarin taban planlarini kullanarak her binanin modelini ayri ayriolu,turur

($ekil

1 (a)).

wekil 2. Birpencereyi temsil edebilecekson nesne

6rneki.

WH

WF

WHR

3.2. Kurallar

Uretim

sulrecinde,

ara nesneler son nesne olana

dek,

kurallar

(a) (b) yardimiyla ,ekillendirilir. Kurallar

uretim

sulrecini

yonlendirirler. Butun aranesneler,kendilerine uygulanabilecek

oekilu

. (a) basitbir 2-boyutlusehirplan. (b) aynztip katlardan

kurallarin

bulundugu

bir kural

kulmesine

sahiptir. Butun olu~an bir bina YUZU.

kurallar,

degerleri

sayisal

olarak

belirlenmi*

niteliklere

Bina modelleri, her bin poligonsal taban planlarin bir sahiptirler. Bu nitelikler ara nesnelere uygulanacak

kuralin

kenarina

kar.ilik

gelecek ekilde bina

yzeylerindenose,iminde

onemli rol oynarlar. Birara nesne i,inkural

se,imi

kenarina

_{Bnpannekenarinakayrlikgelecek ayrideoluenuru alanb inyine belir}

planininherkgelecek

ayridyriileniBina

y

ylerinden

o ir yapilirkensadece

nesnenin

nitelikleri ile

uygun

niteliklere

sahip kurallar

dikkate

alinir. Nesneye

uygulanabilecek

birden

fazla

kenarina

karttla

k

gelecek

B

ekilde

olusturulan

bir

yuizey

belli

kural olduu durumda bazi niteliklere

incelik

verilerek en

.ayida katlar.

Binani

bilia.

uygun

kural

se,ilebilir ya

da kurallarin

onceden belirlenmi,

o

Bina.

yd

ktlrin

tipleriufrkli

oiir.

lstatiksel

agirliklari

dikkate alinarak olasiliksal bir

se,im

Bina

ylzleri

olu,sturulurken,

ykzey

nesnesi

bellir

saya,

yapilabilir.

Nesnelere

uygulanabilecek

iki

tip

kural vardir: boyutlu

yulzey

,seklinde kat nesnelerine

doinu,stulrulur.

Daha olslka ayz e

.ai

arm

sonra olu,turulan bu kat nesneleri daha onceden

tanimlanmio

a

ayrim kurallari ile

diger

ara nesnelere donu,stuIrulur

($ekil

1

3.2.1.

Olasiliksal

Ayrim

(b)). Bu

sulre, tulm

nesneler son nesne olana dek devam eder.

Butunsonnesneler,bunlarabalkon, kapiyadapencerelerornek Olasiliksal ayrim bir ara

nesneyi

iki

boyutta,

ol,icleri

belirli

verilebilir, DXF formatinda dosyalarda tanimlidir. Son oranda olasiliksal olarak

belirlenmi,

sira ve kolonlara ayirir. nesnelerin boyutlari ve konumlari ayarlanarak bina

yulzeyleri

Kural

i,inde sonu,ta

ortaya

,ikmasi

istenen sirave kolonlarin olu,turulur ve yine DXF formatinda yazilir. Bir binanin

ol,icleri

i,in

birer alt limit

belirlenmi,tir.

Birsiraveyakolonun

yulzeylerinin

hepsi

ulretildiginde

bina modeli

tanimlanmi*

olur.

boyutu

verilen alt limitten

bulyulk

ve alt limitin iki katindan ku,cuk olacak ,ekilde belirlenir. Bir ara nesneye olasiliksal

3.1. Nesneler ayrim

uygulandiginda,

ayrim sonucunda

,ikan

nesneler tek

,e,it

olabilir, ancak bu bir son nesne ya da yine bir ara nesne

olabilir.

<Floor>

<Split Balcony="+"Window="+">

<RandomminWidth=`2"minHeight="3"> <Face Balcony="+"Window="+"></Face>

</Random>

</Split> <lFloor>

5ekil3. "Floor" adli bir aranesneye

uygulanabilecek, "Split"

adli basit birolasiliksal ayrimkurall. Bukural

uygulandikinda

2

boyutlu

matris

yapisinda

"Face" nesneleri

olu~makta,

bu

nesnelersonnesneler ya da

yine

aranesneler olabilmektedir.

3.2.2. Sabit

Ayrim

Sabit ayrim

tipindeki

kurallar,

aranesneleribelirli

sayida

sirave &i Otbndnoua i lk

kolona ayirir.

Olu*acak

sira ve kolonlarin

boyutlarinin

orani5ei6.Drtbndnouabrbok kural

iqinde belirlenmi*tir.

Bir ara

nesneyc

sabit ayrim kurali

uygulandiginda, olu*an

sira ve kolonlarin

boyutlari

kuralin

uygulandigi

ara nesnenin

boyutlariyla

dogru

orantilidir. Sabit ayrim sonucunda

olu*acak

alt nesnelerin sayisi ye

tipleri

kural

iqinde

belirlidir.

$ekil

4'de bir sabit ayrim kurali

verilmi*tir.

Bideedilen model

6irnekleri

$ekil

5ye6'da

g6irllmektedir.

$ekil

7'de ise elde edilen bir bina modelinin doku

kaplanmi*

hali

g6rllmektedir.

Modeller bu

akamadan

sonra

ll.

temel

grafik

hizlandirmasina

(kapatilan

alanlarin

atilmasi,

baki*

pirmid d*ina

kla alnlainatimas v

bakayone

bakan

poligonlarin atilmasi) sahip

_gr0nten

_{lenebilmektedir.}

bir

algoritmaya

g6inderilerek

<Face>

<Balcony>

<Fxd>5kil

7.

Yllzeyi

doku

kaplanmi*

bina modeli.

<xProportionsxl="1 x2="4"x3="1"></xProportions> <yProportionsyl="4"y2="l "></yProportions>

<Elements> <Wall><Wa1/al> <Wall><Wa1/al> <Balcony> <Balcony> <Wall><Wa1/al> <Wall><Wa1/al> <Wall><Wa1/al> <lElements> <lFixed> <lBalcony> <lFace>

5ekil 4. "Face" aranesnesine

uygulanabilecek, "Balcony"

adli basitbirsabit ayrim kurall.

Ayrim

sonucunda oluacak sira ve kolonlarin

boyutlarinin

birbirlerine

oranlarl

kuralin

iindek

belirlenmi,tir.

<Element>

ba~ir

a

altinda, ayrim

sonucunda

_ek8stl

Tihi

Y

ariada'ya

ait bin

bgsiy

olu,acak

nesnelerin tipleribelirlenir.

4.

Uretilen

Model

Ornekierinin

Kiyaslanmasi

Yalnizca bina tabanlarinin

ye yllkseklik

bilgilerinin

kullanilmasiyla

elde edilen bina modelleri hem istenen

detayda

bilgi

vermemekte,

hem de

gMoirentfblenen

modelin mimari yapisini

gerhekai

bir

*ekilde

yansitmamaktadir.

Sunulan

teknik,

istenen mimari

yapidaki

binalarin kisa

sshrede

baretilmesine

olanak

saglamaktadir.

$ekil

8'de,

Istanbul Tarihi

Yarimada'ya

ait bir kesit bina tabanye

yllkseklik bilgisi

kullanilarak

g6irsellenmi*tir.

Herne

kadaqr g -17lmey rnkedim yapnl]miQ olsa dan binalara ait | <Fixed>~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~~~tee yap taklar (pncrebue1oualkonvb.) modelleneiiii 5ekPoprionl5. O ""~urlubir"4bina1m>/Poodei.ons>u eeikda e~ki eid

5. Goruntuleme

Halen

gorulntulleme i,lemlerinde

depolanmasi gereken

veri

miktarini azaltmayi hedefleyen alternatif veriyapilari uzerinde

$ehir

goruintuileme sistemleri, etkili bir gezinti yapmak icin,

qali*malarimiz

devam etmektedir. Amacimiz her bina i,in gorulntulye aktif olarak katilim gostermeyen verilerin atilmasina sadece i,aretlerkullanarak

ve saklanmasi

gereken

veri

miktarini ,iddetle ihtiya, duymaktadir.

Baki*

piramidi

di*indakilerin

,ok

bulyulk

oranda azaltacak

veri

yapilari tasarlamaktir. Nesne atilmasi ve arkada kalan bolgelerin atilmasi i,in etkili

unsurlarindan

bagimsiz

bir

veri

yapisi bu yeni

veri

yapilarini algoritmalar mevcuttur. Ancak, kapatilan bolgelerin atilmasi

ulretmemizde

en onemli ara, olacaktir. Ayni zamanda bu

veri

algoritmalari hala ,ok maliyetlidir. Ozellikle, nesne uzayina

yapilarini

kullanmak suretiyle bir ,ehir

goruintuileme

sistemi

bagli

kapatilan bolgelerin atilmasi algoritmalari, genellikle her uzerindede

qali*mayi

planlamaktayiz.

bir gezinti noktasi ve her bir

baki*

a,isi i,in gorulntulnuln Kapatilan alanlarin gosteriminde bina tabanli i,lemler onceden hesaplanmasinaihtiya, duymaktadir. yapmak yerinebinalari anaeksenlerinden dilimlereayirmak

ve

Saklanmasi gereken veri miktari

a*iri

oranda

arttigindan,

gorruntu

bilgilerini dilimler cinsinden

saklamak

suretiyle bu gezinti yapilabilecek alanin hulcrelendirilmesi ve boylece optimizasyonu

saglama

du,suncesindeyiz. Bu konudaki oni,lemden ge,en kapatilan bolgelerin atilmasi i,leminin motivasyonumuz ise,

mevcut

kapatilan bolgeleri tespit eden sonucu olan bilgi miktarinin azaltilmasi bulyulk onem yontemlerin

binalarin

tilmulnul

gorulnulr

ya da gorunmez olarak

ta*imaktadir.

Kapatilanalanlarin atilmasinitespitetmeki,inon kabul etmeleridir. Bu yontemler,

karma*ik

mimari yapilarin i,leme ihtiya, duyan algoritmalar her bir

baki*

noktasi i,in

goiruntulenmesinde

grafik veriyolunu gereksiz

yulklemekte ve

bulyulk

miktarda veri depolamaya ihtiya, duymaktadir. Mimari kismi gorunurluk i,in

bulyulk

oranda

veri saklamak

zorunda

yapilarin i,inde yapilacak gezintilerde

hulcrelendirme

i,lemi kalmaktadirlar. Kismi goruntulleme neticesinde ,ok

bulyulk

veri

odalarin

dogal

hulcrelere tekabull

etmesi nedeniyle ,ok kolaydir tasarrufu

saglanacagini degerlendirmekteyiz.

[5].

Ancak, ,ehir gezintilerinde,

hulcrelendirme

i,lemi

,ogunlukla

model tasarim zamaninda [6], yari otomatik 7.

Te~ekkur

yontemlerle [7]yada bina tabanlarinin

yulkseltilmesi

ile model

detaylarininazaltilmasini

saglayarak

yapilmaktadir

[8],[9],[10].

Bu

qali*ma Tulrkiye

Bilimselve

Teknolojik Ara*tirma

Kurumu Bu

qali*mamizda

,ehir modelinin gezinti yapilabilecek

(TUBITAK)

tarafindan EEEAG 104E029 ve 105E065 alanlari tespit edilerek [11] bu alanlar uzerinden hizlandirma numarali

projeler

kapsaminda

desteklenmektedir.

algoritmalari

uygulanmi*tir.

Bu ama,la NVIDIA grafik

i,lemcisinin donanim

ozelligi

olan

OCCLUSION-QUERY

8. Kaynak,a

(Kapatilan Sorgulamasi) ger,ekle,tirilmektedir. Boylece daha

onceden sadece OpenGL ,ablon tampon

bellegi

ile [1]

Decoret,

X., Sillion,

F.,

"Street generation

for city yapilabilecekbusorgulamayi ,ok

bulyulk

ol,icde

hizlandirmi*tir.

modelling", Arch. andUrbanAmbient Env., 2002. Kapatilan yerlerinatilmasinayonelik i,lemdensonraher

hulcre

[2] Parish, Y.I.H., and Muller, P, "Procedural modeling of i,in potansiyelgorunenbina listesi barindirilmakta veko,turma cities", Proc. ofACMS

IGGRAPH,

pp. 301-308, 2001. zamaninda kullanicihangi

hulcredeyse

oraya aitgoruntu listesi [3] Wonka, P.,

Wimmer, M., Sillion,

F., and Ribarsky, W., hizlibir,ekildegoinruntulenmektedir. Goruntulemeesnasinda ise "Instant

Architecture",

ACM Transactions on Graphics kullaniciya dogru

doinmemi,s

nesne kesimleri de

donanim

(Proc. ofSiggraph), 22(3): 669-677, 2003.

tarafindanelenerek

hdzle

bir

goruntuleme

sailanmaktader.

[4] Stiny, G., "Introduction to shape and shape

grammars",

Environment and

Planning,

B, 7, 343-351,

1980.

6.

Sonu,

ve Gelecek

4gahimalar

[5] Funkhouser, T.A., Sequin,

C.H.

and Teller, S.J., "Management of large amounts of data in interactive Bu

qali*mada

sanal ,ehirler modellerinde kullanilmak uzere building walkthroughs," Proc. of

ACM

Symposium. on sanal binauretecekbir sistem sunulmu,tur.Binalar, mevcutbir Interactive 3D Graphics, pp. 11-20, 1992.

,ehir planindaki izdu,umleri kullanilarak, ,ekil gramerleri [6] Schaufler, G., Dorsey, J., Decoret, X., and Sillion, F., yardimiyla olasiliksal olarak

olu*turulmaktadir.

Modeli uretim "Conservative volumetric visibility with occluder fusion,"

a*amasinda

nesneler

tanimlanmi*

kurallar

geregi diger

alt Proc. ofSIGGRAPH, pp. 229-238, 2000.

nesnelere

bolunmekte

ve sonu,tabina modeli DXF formatinda [7] Downs, L.,

Moller,

T., and

Sequin,

C.H., "Occlusion

tanimlanmi*

son nesnelerden

olu*maktadir.

Olu,turulacak horizons for driving through urban scenes," Proc.

of

binalarin ,e,itleri daha onceden modellenmi, son nesnelerin SIGGRAPH, pp. 121-124, 2001.

,ekillerine ve uretim sirasinda kullanilacak kural

kulmesine

[8] Wonka, P., Wimmer, M., andSchmalstieg, D., "Visibility

baglidir.

Kurallari ve

ba*langiq

nesnesinin niteliklerini preprocessing with occluder fusion for urban belirleyerekbina uretimini yonlendirmekve dolayisiylauretim walkthroughs," Proc.

ofRend.

Tech., pp. 71-82, 2000. sonucunda

olu*acak

binanin,eklinibelirlemek

mulmkulndulr.

[9] Durand, F., Drettakis, G., Thollot, J., and Puech, C.,

Gelecekte ,e,itli

tulrden

ve mimari tarzdan yapilari da "Conservative visibility preprocessing using extended modelleyebilecek sinif

kultulphanelerini

olu*turmayi

projections," Proc. ofSIGGRAPH, pp. 239-248, 2000. planlamaktayiz. Bu

klltllphaneler

kullanilarak ,ehirler

ger,egine

[10] Schmalstieg D., and Tobler, R.F., "Exploiting coherence daha uygun olarak modellenebilecektir. Unutulmamalidir ki, in 2.5-Dvisibility computation," Computers & Graphics,

amacimiz ,ehirleri uydudan elde edilmi, goruntulerindeki gibi

21(1):121-123,

1997.

modellemek

degil,

ger,cek planlarina

uygun ancak bina

,sekilleri

[11]

Yilmaz,

T.,

Guldukbay,

U., "Extraction of 3D navigation itibariyle farz

ye

kabul edilen

tarzlarmnda

modelleyebilmektir. space in virtual urban environments", 13th European