Google SketchU在構(gòu)建三維圓弧形建筑模型中的應用

馮美萍，索俊鋒，2，楊 蘭，劉冬冬，孫 磊（.西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 73024；2.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000）

Google SketchU在構(gòu)建三維圓弧形建筑模型中的應用

馮美萍1，索俊鋒1，2，楊 蘭1，劉冬冬1，孫 磊1
（1.西北民族大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730124；2.蘭州大學資源環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730000）

利用Ske t c hU p軟件三維建模的功能和Goog1e Earth提供的免費數(shù)據(jù)和免費平臺，研究構(gòu)建虛擬校園的方法、具體技術流程等。以西北民族大學榆中校區(qū)為例，重點利用Ske t c hU p軟件，分別從圓弧形建筑的三維模型構(gòu)建、紋理貼圖、Goog1e Earth中模型的發(fā)布等方面闡述了具體技術流程、操作技巧。實踐證明，該方法具有較大的靈活性，對構(gòu)建圓弧形建筑物三維模型具有指導意義。

圓弧形建筑；三維建模

1 引言

虛擬校園（Virtua1 Campus）是數(shù)字地球、數(shù)字城市在校園區(qū)域的具體體現(xiàn)。基于地理信息技術、虛擬現(xiàn)實技術、計算機網(wǎng)絡技術等高新技術，將校園地理信息和其他校園信息結(jié)合，以三維可視化和虛擬現(xiàn)實場景界面實現(xiàn)校園景觀、校園信息的瀏覽、查詢，并可上載到計算機網(wǎng)絡，提供遠程用戶訪問的一個新的校園空間。這個校園空間主要是利用虛擬現(xiàn)實技術構(gòu)建的，所以它也具有虛擬現(xiàn)實技術的一些特征——沉浸感和交互性，即用戶在計算機所創(chuàng)造的虛擬校園中有身臨其境的感覺，并能對虛擬校園中的實體進行觀察、操縱和訪問。而在三維校園構(gòu)建過程中，經(jīng)常會面臨圓弧形建筑物的三維建模，由于幾何構(gòu)件上的差異，致使在模型表達時，形狀、色彩、紋理、光照、運動等屬性區(qū)別于常規(guī)的幾何結(jié)構(gòu)，因此，對圓弧形實體的圖形圖像處理及其建模研究是十分必要的。

Goog1e SketchUp是一套直接面向設計方案創(chuàng)作過程的設計工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達設計師的思想而且完全滿足與客戶即時交流的需要，它使得設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。它與Goog1e Earth有機結(jié)合，充分利用Goog1e Earth的地形和影像數(shù)據(jù)，以Goog1e SketchUp為平臺制作的三維場景在Goog1e Earth上無縫運行（詳見參考文獻）。本文以西北民族大學榆中校區(qū)三維校園的模型構(gòu)建和發(fā)布為例，使用Goog1e SketchUp構(gòu)建圓弧形建筑物模型并創(chuàng)建門、窗等操作的過程以及建模過程中出現(xiàn)的一些問題及解決辦法加以闡述，以期對相關工作提供方法論指導。

2 圓弧形建筑2D圖預處理

2.1 圓弧形建筑處理方法

2.1.1近似多邊形法

首先在遙感衛(wèi)星影像或C A D上裁切獲取單幢建筑的2D平面圖，并對背景圖進行矢量化。采用增加多邊形邊數(shù)逼近圓的方法，通過輸入的線段數(shù)控制邊數(shù)，從而得到一個近似圓形的多邊形，但是值得注意的是通過多邊形工具繪制的平面經(jīng)拉伸后不會自動平滑（如圖1所示）。

2.1.2直接畫圓法

此方法主要通過Goog1e SketchUp軟件工具欄中的圓形工具命令創(chuàng)建圓，通過拉伸得到圓弧型建筑物的初步簡易模型—圓柱體（圖2），而通過此法繪制的圓經(jīng)拉伸后表面會自動平滑。

一套直接面向設計方案創(chuàng)作過程的設計工具，其創(chuàng)作過程不僅能夠充分表達設計師的思想而且完全滿足與客戶即時交流的需要，它使得設計師可以直接在電腦上進行十分直觀的構(gòu)思，是三維建筑設計方案創(chuàng)作的優(yōu)秀工具。它與Goog1e Earth有機結(jié)合，充分利用Goog1e Earth的地形和影像數(shù)據(jù)，以Goog1e SketchUp為平臺制作的三維場景在G o o g 1 e E a r t h上無縫運行（詳見參考文獻）。本文以西北民族大學榆中校區(qū)三維校園的模型構(gòu)建和發(fā)布為例，使用Goog1e SketchUp構(gòu)建圓弧形建筑物模型并創(chuàng)建門、窗等操作的過程以及建模過程中出現(xiàn)的一些問題及解決辦法加以闡述，以期對相關工作提供方法論指導。

圖1 近似多邊形法得到的圓柱體

圖2 直接畫圓法得到的圓柱體

2 圓弧形建筑2D圖預處理

2.2 AutoCAD圖形的導入

在A utoCAD中將處理好的近似圓（或者圓的一部分）的多邊形（或者多邊形的一部分）進行復制粘貼操作，將其粘貼到另一個A utoCAD文件，為了不影響在SketchUp軟件中進行建模，要刪除其中多余的線條，并將文件另存，如 Drawing 1文件；然后打開SketchUp軟件，通過“文件”-＞“導入”命令將Drawing 1圖形文件導入SketchUp中，再利用推拉工具將其拉伸至所需的高度。

2.3 建筑物高度的確定

建模時需要建筑物高度作為建模參考，所以要事先獲取建筑物高度信息。

建筑物高度數(shù)據(jù)的獲取主要有以下幾種方式:

（1）根據(jù)已有的研究算法直接從影像文件中提取建筑物的高度信息，這種方法效率高，但不適用于批量數(shù)據(jù)的處理；

（2）通過機載激光掃描儀結(jié)合空中影像，運用算法提取建筑物的高程信息，該方法提取速度快，但是后續(xù)處理工作量大，費用比較高；

（3）通過全站儀等測量儀器獲取建筑物的高程信息，該方法獲取速度快，但是工作量大；

（4）按層數(shù)粗略估算建筑物的高度。

因研究范圍與建筑物對象數(shù)目有限，因此三維虛擬校園中可通過全站儀測量推算建筑物的高度。同時對于宿舍樓等建筑物，結(jié)合估算的方法，確定建筑物的高度。所以本文采用（3）、（4）結(jié)合的方法確定建筑物高度。

3 圓弧形建筑門窗的處理

下面就對基于Ske t C hup軟件在圓柱體或圓弧建筑物表面上拉伸出窗臺、窗框以及創(chuàng)建窗戶等的過程做以說明。

3.1 近似多邊形法在圓弧形建筑物上創(chuàng)建門窗

近似多邊形法創(chuàng)建圓弧形建筑物的門窗，步驟如下:

（1）在圓弧建筑物的平面上，利用線條工具或卷尺工具對窗體所處的位置進行定位處理，并用畫線工具（偏移工具）繪出窗體的外輪廓，然后運用推拉工具，根據(jù)需要的尺寸推出窗的整體部分形成窗洞的大樣；

（2）利用偏移工具偏移出窗框的尺寸，并向外拉伸出一定的尺寸，在進行此操作的過程中可以先將窗框的貼圖貼于推進去的墻體部分，等到進行完窗框推拉操作后窗框的顏色已經(jīng)貼在上面，從而省下了很多貼圖的時間。

在進行窗體的定位處理的操作過程中，當窗體平面位于多邊形同一平面時，按照在一般平面上的推拉操作推進窗洞的尺寸，然后再利用偏移工具定位出窗框的尺寸，最后再對窗戶進行貼圖處理來獲得所需要的三維效果，如圖3所示。

而當窗體平面在圓弧形建筑物中并不處于同一平面時，接下來需要做的工作就是在兩個平面上定出一個窗所需要的尺寸。具體操作如下:在Ske t c hU p中利用卷尺工具或者畫線工具在各個平面上定好窗體在該平面上所占的尺寸，并分別在各自的平面上進行推拉操作，將表面推進去一定的尺寸形成窗洞大樣，再在推進去的窗洞大樣上定位出窗框的尺寸，利用推拉工具拉出窗框。當進行完推拉操作之后，由于窗框并不在同一平面上，故拉伸后的立體窗框之間會有縫隙出現(xiàn)，此時，可以再通過畫線工具將縫隙處的點連接起來形成面從而形成立體模型，最后利用擦除工具擦除可以擦除掉的多余的線條（而對于有些實在不能擦除的且對建模效果有影響的線條，可以在整體模型做完之后對其進行隱藏或柔化操作），如圖4所示。

圖3 窗體平面位于圓弧的同一平面的窗的處理

圖4 窗體平面位于圓弧不同平面上的處理

在制作門窗過程中，取消不想要的邊線但又不想破壞面的方法有三種:

（1）選擇邊線利用右鍵菜單中的Soft/Smooth Edges（柔化/光滑邊線）命令進行光滑處理；

（2）在橡皮擦工具激活的情況下按住Ctr1鍵單擊需要處理的邊線，這時邊線將被隱藏，而邊線兩邊的表面同時也被光滑；

（3）在橡皮擦工具激活的情況下，按住 Shi f t鍵，單擊需要處理的邊線。這時邊線被隱藏，但邊線兩邊的表面并未被光滑，這和第二種方法的結(jié)果是有區(qū)別的。

3.2 直接畫圓法在圓弧形建筑物上創(chuàng)建門窗

直接畫圓法創(chuàng)建圓弧形建筑物的門窗，步驟如下:

（1）將圓弧形建筑物部分拉至一定的高度，然后將圓柱體凸出和凹下去的部分處理完。具體操作如下:可以將圖形拉至需要突出或凹進去的地方，利用偏移工具偏移出需要的距離，然后經(jīng)過局部拉伸將局部進行拉伸，這樣就處理好了突出或者凹進去的部分，接下來再將主體部分的頂面面進行拉伸處理拉至一定的高度，不斷循環(huán)進行上述操作，直至建筑物的頂部為止，如圖5所示。

圖5 圓弧局部處理

（2）對圓弧建筑物的窗體進行貼圖的操作具體如下:首先可以在SketchUp中任意畫出一長方形，利用拉伸工具將長方形經(jīng)拉伸后形成長方體，然后在長方體表面上做出圓弧形建筑物部分的有規(guī)律的窗戶的一部分利用截圖工具進行截圖，然后在美圖秀秀或者PHotoshop軟件中進行裁剪（注意:裁剪時窗戶的尺寸應和建筑模型中窗的尺寸匹配）。完成裁剪后將圖形保存于桌面上，在SketchUp中將裁剪后的窗戶圖片經(jīng)過窗口菜單欄下材質(zhì)工具中的使用紋理圖像一欄，將其導入 SketchUp紋理庫中，并將其設置為照片紋理（注意:紋理尺寸的設置應該是窗體在模型中的尺寸），最后將紋理貼于需要的部分即可。

這種方法更適合與制作玻璃安裝有規(guī)律的玻璃幕。此處需要注意的是利用貼圖方法得到的效果圖和在平面上直接進行拉伸操作創(chuàng)建窗戶的效果圖相比，它的立體感不是很強，不過足以說明問題。下面是利用上述方法將圓弧部分處理完后的效果圖見圖6:

圖6 SketchUp中大學生活動中心最終成圖

4 Google SketchUp模型的發(fā)布

做完的SketchUp模型導入Goog1e Earth中，其步驟如下:

（1）在SketchUp軟件中利用“添加位置”命令搜索目標區(qū)域，然后點擊“選擇區(qū)域”按鈕，用鼠標在視窗中確定抓取數(shù)據(jù)的范圍，接著點擊“抓取”按鈕，所選范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)均被保存在SketchUp軟件中，分別存放在“Goog1e Earth Snapshot”和“Goog1e Earth Terrain”層中，默認的情況下只顯示影像數(shù)據(jù)，為顯示地形數(shù)據(jù)，需點擊“窗口-＞圖層”命令讓地形數(shù)據(jù)可見，或者用工具欄中的“切換地形”命令。

（2）在SketchUp中打開抓取的西北民族大學榆中校區(qū)局部衛(wèi)星圖，然后選擇“文件 -＞導入”，導入已經(jīng)做好的“大學生活動中心”三維模型，點擊“旋轉(zhuǎn)”“平移”“縮放”按鈕，不斷調(diào)整模型的位置，最終將模型精確擺放在相應位置。然后選擇“P1aceMode1”按鈕，模型自動傳送至Goog1e Earth中相應的位置。

在服務器端的發(fā)布，首先通過Goog1e賬號，將3維建筑模型通過接口上傳到Goog1e Earth服務器。需要說明的是，每次輸出的模型都暫時保存在Goog1e Earth的“臨時位置”圖層中，如果要繼續(xù)輸出其他的模型，要把模型從“臨時位置”右鍵保存到“我的位置”目錄下，將模型保存起來，這樣才能保證發(fā)布上去的模型都在Goog1e Earth上。經(jīng)審查通過后，建筑將會添加到Goog1e Earth的“3D建筑”圖層。添加到Goog1e Earth中的效果圖如圖7所示。

圖7 3D模型在Goog1e Earth中的發(fā)布

5 結(jié)語

校園規(guī)劃和建設中引入虛擬現(xiàn)實技術，將校園每一個角落的信息都收集、整理、歸納，并按照地理坐標建立完整的三維仿真模型，對整個校園進行仿真，突破傳統(tǒng)的二維數(shù)字校園平面表現(xiàn)方式，構(gòu)建虛擬校園環(huán)境，用戶在顯示屏上可以很直觀地、全方位地瀏覽生動逼真的、具有真實感的三維校園景觀，可以進行諸如查詢、量測、漫游、飛行瀏覽等一系列操作，具有身臨其境的感覺。虛擬校園可以快速、完整、形象地展示校園宏觀和微觀的各種情況，使校園的真實性、功能性得到了很大的提高，提高了人們了解校園概況的效率，提供給人們一種新的校園規(guī)劃、建設和管理理念。

本文以西北民族大學榆中校區(qū)為例，研究了利用SketchUp軟件構(gòu)建圓弧形建筑的三維建模方法步驟和基于Goog1e Earth平臺的模型發(fā)布等，分別以近似多邊形和直接畫圓法詳細闡述了構(gòu)建圓弧形建筑及細部制作的技術流程、操作技巧，實踐證明，這兩種方法的靈活運用可提高 SketchUp構(gòu)建模型的效率，具有較高的應用價值。

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T U 33+3

：B

：1672-2469（2015）03-0096-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.033

基多項目:西北民族大學2013年國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201310742026）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（Z Y Z 2012086）

馮美萍（1993年—），女，本科在讀。