基于3DMax的校園場景可視化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曾影，張雪松，單莉

（華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430079）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)一步結(jié)合，很多學(xué)校建立起了各自的校園地理信息系統(tǒng)，在學(xué)校的信息化管理中發(fā)揮了一定的作用，但這些系統(tǒng)大都是基于2D或2.5D的，很難直觀形象地表達(dá)地物［1］.隨著虛擬地理環(huán)境的概念和技術(shù)的提出，三維GIS技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于校園地理信息系統(tǒng)建設(shè)中.三維虛擬校園系統(tǒng)可以為數(shù)字校園提供一個(gè)三維平臺(tái)，能生動(dòng)地展現(xiàn)真實(shí)的校園景觀，實(shí)現(xiàn)與用戶的動(dòng)態(tài)交互，從而能讓用戶對(duì)學(xué)校的資源和布局進(jìn)行瀏覽和查詢，具有很好的展示功能和實(shí)用價(jià)值［2］.常用的3D建模軟件有AutoCAD、3DMax、Sketchup、CorelDraw等圖形軟件，利用它們可以做出形象逼真的三維模型.3DMax是由美國的AutoDesk公司開發(fā)的一種基于矢量的三維造型和動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件，它可以制作出非常逼真的三維實(shí)體及動(dòng)畫.它主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形生成和圖形處理技術(shù)模仿真實(shí)現(xiàn)象，建立具體的模型，產(chǎn)生形象逼真的圖像或動(dòng)畫［1］.

1 利用3DMax建模

利用3DMax平臺(tái)進(jìn)行校園景觀模型的構(gòu)建，首先利用截圖工具獲取Google Earth上的影像數(shù)據(jù)、再利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物獲取近景和詳細(xì)的影像資料.接著利用AutoCAD對(duì)影像資料進(jìn)行矢量化處理，繪制出建筑物前、后、左、右、頂、底6面的CAD底圖.然后通過3DMax對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模，最后將建筑物的紋理信息、高度信息整合到3DMax平臺(tái)中，完成校園場景建模.

1.1 建模的方法及過程 3DMax中通常有3種建模方法，即多邊形建模、面片建模及NURBS建模.建筑物多使用多邊形建模方法，這是比較傳統(tǒng)且目前發(fā)展最為完善的方法.把建筑物粗分為幾個(gè)部分分批建模，建立墻體并按一定的比例把它們合成一個(gè)整體，這是最初的“坯房”，可以說是萬丈高樓的地基.本文中的建筑物都是采用“矩形—編輯樣條線—附加—擠出”的多邊形建模方法進(jìn)行建模的.模型建好之后再賦予模型材質(zhì)和貼圖，本文中采用“編輯網(wǎng)格—材質(zhì)編輯器—位圖”命令實(shí)現(xiàn)貼圖和添加材質(zhì).最后加入燈光技術(shù)、攝像機(jī)技術(shù)，調(diào)整好角度便可渲染出圖.

1.2 三維建模的基本步驟 三維建模的基本流程如圖1所示：

圖1 三維建模的基本流程圖

1.3 建模精確度 模型精度的關(guān)鍵在于目標(biāo)物數(shù)據(jù)資料的準(zhǔn)確性.數(shù)據(jù)采集的方法有：從Google Earth上獲取俯視圖的影像數(shù)據(jù)；利用動(dòng)態(tài)GPS采集相應(yīng)的點(diǎn)位數(shù)據(jù)［3］；利用高分辨率數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行紋理、貼圖的采集和近景細(xì)節(jié)的拍攝；實(shí)地進(jìn)行觀測并手繪記錄特殊視角；查閱建筑物的歷史資料.根據(jù)建模過程中精度要求的差異有選擇地采用不同的收集方法或綜合幾種采集方法來提高建模精度，建模過程嚴(yán)格按照采集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行.

2 以校園辦公大樓為例

2.1 圖像數(shù)據(jù)的獲取及矢量化

2.1.1 建筑物圖像數(shù)據(jù)的獲取 獲取建筑物的影像數(shù)據(jù)是建模的第一步，首先從Google Earth上獲取行政大樓俯視圖的影像數(shù)據(jù)，再利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物進(jìn)行近景拍攝獲取細(xì)節(jié)信息，根據(jù)建筑物的特殊角度，如被樹枝擋住不能進(jìn)行拍攝的部分進(jìn)行手繪記錄，還可以查閱歷史資料.

2.1.2 高度信息提取 高度信息在三維建模中是很重要的，主要用來表達(dá)三維模型的高度值，模擬模型和真實(shí)建筑間的高度關(guān)系.建筑物的樓層數(shù)通過現(xiàn)場觀測獲得，樓層數(shù)為5層，樓層高度以每層3.5m進(jìn)行計(jì)算得出樓層總高度為17.5m，還可以把獲得的影像數(shù)據(jù)放置于網(wǎng)格中，利用建筑各部分的比例進(jìn)行模擬.

2.1.3 繪制建筑底圖 把從Google Earth上截取的影像和利用數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片資料導(dǎo)入AutoCAD 2004，結(jié)合建筑物的歷史資料和長寬高等信息繪制建筑物的俯視圖、正視圖、左視圖、右視圖和后視圖的等底圖，再把底圖組合成一個(gè)整體，以便在3DMax中建模使用.如圖2所示，這些建筑物底圖都將用于建模過程中.一棟好的建筑模型取決于它的構(gòu)造，建筑物底圖的準(zhǔn)確性十分重要，但在建模過程中可以適當(dāng)?shù)刈鲆恍┘?xì)微的改動(dòng).

2.2 在3DMax中建模

2.2.1 在3DMax中進(jìn)行幾何建模 將建筑物的CAD底圖導(dǎo)入3DMax中，利用旋轉(zhuǎn)和拖曳等工具把各個(gè)方位的底圖按方向和位置安置到位.采用“矩形—編輯樣條線—附加—擠出”命令進(jìn)行墻體的創(chuàng)建，實(shí)際上是二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的過程.每一面墻體為一個(gè)單位，在墻面的基礎(chǔ)上“挖出”門窗的位置，使之形成“空洞”，再把相應(yīng)的門窗鑲進(jìn)去.完成之后把各部分組合起來，形成建筑物模型的基本框架，幾何建模過程如圖3所示.

圖2 建筑物的底圖

圖3 幾何建模過程

2.2.2 在3DMax中貼紋理和材質(zhì) 本文中主要采用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝的地面近景影像補(bǔ)充要模擬的紋理.使用“編輯網(wǎng)格—材質(zhì)編輯器—位圖”命令實(shí)現(xiàn)貼圖和增加材質(zhì).

初步貼上的圖片是很不規(guī)則的，我們需要運(yùn)用修改工具中的UVW貼圖坐標(biāo)工具進(jìn)行調(diào)整.為了增加美觀性，可在進(jìn)行紋理映射前，對(duì)采集的照片進(jìn)行處理.受拍照時(shí)間、角度、光線等影響，可使用PhotoShop對(duì)照片進(jìn)行光亮度和色調(diào)的調(diào)整；由于取景時(shí)受拍攝角度的限制，樹木等摻雜因素影響需要進(jìn)行修復(fù)、裁剪等處理，可利用仿制圖章工具進(jìn)行處理；在拍攝大型建筑物時(shí)得到的圖片常常帶有一定的傾斜，可以在PhotoShop中進(jìn)行拉伸變換處理，從而獲得良好的貼圖文件.

2.2.3 添加攝像機(jī)、燈光和外景 在做好的主建筑模型的基礎(chǔ)上，添加攝像機(jī)技術(shù)，通過調(diào)節(jié)焦距、鏡頭的位置來確定最后渲染出的產(chǎn)品的角度，攝像機(jī)一般放在1.6m的高度，模擬人看到的場景.在所顯示的場景上添加外景的設(shè)置，最后加入燈光效果，根據(jù)具體情況細(xì)調(diào)燈光參數(shù).本文中采用的是平行目標(biāo)燈的燈光類型.

2.2.4 渲染成圖 選擇建筑物模型最佳的呈現(xiàn)角度，把場景調(diào)整好之后渲染出圖.渲染出的圖文件格式為tga，如圖4所示.

2.2.5 在PhotoShop中進(jìn)行后期處理并制作效果圖 把在3DMax渲染出的效果圖導(dǎo)入PhotoShop進(jìn)行后期處理，加入灌木、人物、樹林、草地、天空、瓷磚地面，使整個(gè)畫面更加真實(shí)，有活力.注意從3D Max導(dǎo)出的文件拓展名為tga，tga文件通道選項(xiàng)中有Alpha通道，可以把天空和物體分離開來，便于添加遠(yuǎn)景和近景的psd文件.最后把效果圖存儲(chǔ)為jpg格式的圖像文件，平面效果圖如圖5所示.

圖4 渲染后導(dǎo)出3DMax的模型

圖5 平面效果圖

2.2.6 導(dǎo)入ArcScene里添加漫游技術(shù) ArcScene中顯示三維場景的關(guān)鍵在于為一維或二維符號(hào)賦予高程信息和渲染方式，將原來的點(diǎn)、線、面顯示為三維物體.這可以通過改變點(diǎn)狀地物、線狀地物和面狀地物的符號(hào)屬性來實(shí)現(xiàn)［4］.根據(jù)不同地物三維再現(xiàn)的需要，校園中線狀地物如道路可以根據(jù)線狀地物的輪廓特征通過拉伸圖片建立；面狀地物如廣場、草地等可以利用貼圖實(shí)現(xiàn)；點(diǎn)狀地物如路燈、垃圾桶、樹木、建筑物、人等可以直接使用ArcGIS模型庫里所提供的三維模型表達(dá)，特殊的地物如主要建筑物、次要建筑物及所要表達(dá)展示的地物，則由3DMax根據(jù)實(shí)際外觀建模和渲染出的三維模型完成，根據(jù)一定的比例和方位，導(dǎo)入ArcScene場景中.

打開ArcMap軟件，添加ShapeFile文件，然后把編輯完成的ShapeFile文件導(dǎo)入ArcScene中，添加外部模型和內(nèi)部模型，調(diào)整角度，可以利用三維漫游、飛翔等功能，進(jìn)行校園場景的瀏覽查詢，還可以通過人機(jī)交互選擇漫游路徑和飛行途徑，進(jìn)行個(gè)性化瀏覽.最后使用Animation工具進(jìn)行模擬場景的錄像，最后導(dǎo)出錄像.

3 建模過程中的困難和優(yōu)化技術(shù)

3.1 在導(dǎo)入矢量化文件時(shí)需要注意的問題

1）導(dǎo)入CAD文件前，盡量刪除與建模無關(guān)的內(nèi)容，否則會(huì)將隱藏的CAD圖塊一起導(dǎo)入到3DMax中，極大地拖慢了3DMax的速度.

2）導(dǎo)入CAD文件時(shí)，要把單位設(shè)置為毫米，保證了導(dǎo)入3DMax中的CAD圖與原CAD中的圖比例為1∶1，這樣可以在由平面生成立體的過程中，保證高度是按實(shí)際尺寸進(jìn)行拉伸的.

3）導(dǎo)入CAD文件后，把各部分的CAD底圖作“成組”處理，以便使用凍結(jié)和隱藏功能方便建模的操作.

3.2 校園場景可視化中3DMax的優(yōu)化技術(shù) 為了提高建模的效率和美化模型外觀，必須使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)對(duì)3DMax文件進(jìn)行優(yōu)化，提高建模效率，降低文件大小，使模型外觀更逼真，場景更明亮.

1）盡量采用標(biāo)準(zhǔn)幾何體和幾何圖形工具建模.標(biāo)準(zhǔn)幾何體的節(jié)點(diǎn)比較規(guī)則，運(yùn)算量小，可降低文件的數(shù)據(jù)量.同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)幾何體建模也比較簡單便捷.

2）去除冗余面.冗余面是指可要可不要的面.比如建筑物的底部和背面，它們的存在與否不會(huì)影響到場景的整體效果.

3）紋理技術(shù).為了獲得良好的紋理數(shù)據(jù)，收集紋理信息時(shí)應(yīng)選擇光照和天氣都良好的時(shí)間，利用高清數(shù)碼相機(jī)選擇合適的角度進(jìn)行采集，可提高紋理的清晰度和模型的精確度.

4）實(shí)例技術(shù).在虛擬場景中有許多對(duì)象雖然位置不同，但幾何圖形是一樣的，這時(shí)可使用實(shí)例工具，比如一棟樓不同位置的窗戶、街道的樹木等，在創(chuàng)建時(shí)可使用移動(dòng)實(shí)例和陣列實(shí)例工具實(shí)現(xiàn).實(shí)例工具與復(fù)制是有本質(zhì)區(qū)別的，不會(huì)增加內(nèi)存的負(fù)擔(dān)，降低文件大小，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度.

5）攝像機(jī)、燈光技術(shù).在把模型渲染出圖之前，先要?jiǎng)?chuàng)建攝像機(jī)，設(shè)置好角度、焦距、視野等參數(shù)，使效果圖中的模型呈現(xiàn)出最優(yōu)的視角.本文中使用的是目標(biāo)攝像機(jī)類型，攝像機(jī)的高度是1.6m，模擬現(xiàn)實(shí)中人的視覺高度，角度是45度.為了使模型看起來更加真實(shí)，我們可以加入燈光效果，模擬現(xiàn)實(shí)室外場景的太陽光，本文中采用的是目標(biāo)平行光類型，從攝像機(jī)的方向進(jìn)行打光，更好地展示模型外形，使模型的外觀明暗有別，雄偉壯觀，突出立體感.

4 結(jié)論與展望

主要討論了虛擬校園環(huán)境中建筑物及其他場景的三維建模方法，并利用3DMax軟件對(duì)某一具體場景進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建.通過建模實(shí)例的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證3DMax在場景建模中的實(shí)用性和便捷性，總結(jié)了3DMax建模需要注意的問題和優(yōu)化技術(shù).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和校園信息化的迅速發(fā)展，使虛擬校園技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)更加快捷與簡單.基于3DMax場景可視化的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化技術(shù)，對(duì)地理信息可視化等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的借鑒價(jià)值，同時(shí)對(duì)于規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.

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