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    城市三維仿真建模

    2015-03-11 02:13:42張東霞謝文寒張繼賢梁勇
    遙感信息 2015年4期
    關(guān)鍵詞:紋理建模方法

    張東霞,謝文寒,張繼賢,梁勇

    (1.中國測(cè)繪科學(xué)研究院,北京100830;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安271018)

    城市三維仿真建模

    張東霞1,2,謝文寒1,張繼賢1,梁勇2

    (1.中國測(cè)繪科學(xué)研究院,北京100830;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安271018)

    城市三維仿真模型的構(gòu)建對(duì)于智慧城市建設(shè)具有重要的意義。該文詳細(xì)介紹了3ds max在城市三維仿真建模與貼圖中的應(yīng)用,總結(jié)了建模過程中模型優(yōu)化的方法。在建模工藝流程方面,不僅涉及建筑物,還對(duì)地形、交通路網(wǎng)、植被及附屬設(shè)施等在內(nèi)的城市地形地物要素的建模技巧與方法做出闡述。提出了處理各種街景地物之間的匹配與接邊問題的有效方法。最后指出本方案的適用范圍,并將近景攝影測(cè)量技術(shù)與專業(yè)建模軟件相結(jié)合作為下一步的研究目標(biāo),以期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化建模。

    3ds Max;三維模型;紋理貼圖;模型優(yōu)化;智慧城市

    0 引 言

    智慧城市全球峰會(huì)上提出了“構(gòu)建智慧地球,從城市開始”[1]的思想,使得城市越來越成為創(chuàng)新的中心。智慧城市建設(shè)作為提升城市競(jìng)爭力及解決城市發(fā)展問題的重要途徑[2],已成為目前城市進(jìn)步的重要手段與標(biāo)志。在國外,如巴塞羅那智慧城市建設(shè)的主要驅(qū)動(dòng)力是培育城市的競(jìng)爭力[3];“智慧首爾2015”的目標(biāo)是把首爾建成全球五大最具城市競(jìng)爭力的“ICT之都”之一[4]。國內(nèi)也于2013年展開了以武漢、重慶、臨沂等9個(gè)城市為試點(diǎn)的智慧城市建設(shè)工作。而城市三維仿真模型作為支撐基礎(chǔ),服務(wù)于城市規(guī)劃、管理、宣傳、選址、設(shè)計(jì)、項(xiàng)目審批、地下空間管理、應(yīng)急指揮、城市旅游等方面[5],已成為貫穿整個(gè)智慧城市建設(shè)始終的重要技術(shù)。

    目前三維城市仿真模型建模方法主要有:基于二維GIS的三維城市建模方法,基于CAD的三維城市建模方法,基于遙感影像的三維城市建模方法和基于激光、雷達(dá)的城市建模方法[6]。城市三維模型制作包括地形模型、建筑物模型、交通路網(wǎng)模型、植被模型、附屬設(shè)施模型及其他模型。其中,建筑作為城市的主題,其建模方法已被大量研究;而智慧城市建設(shè)已對(duì)整個(gè)仿真模型提出了精細(xì)化要求,必須對(duì)城市地形和其它地物模型也進(jìn)行精細(xì)重建。

    3ds max具有可操作性強(qiáng)、直觀、方便易學(xué)、制作模型逼真、質(zhì)感強(qiáng)等特點(diǎn),在建模精細(xì)程度上有很大優(yōu)勢(shì)。它具有強(qiáng)大的點(diǎn)、線、面、幾何體編輯功能,能夠精準(zhǔn)確定模型的位置和尺寸,建模完成后還可以對(duì)模型的高度、底面大小等參數(shù)進(jìn)行修改,從而生動(dòng)描述對(duì)象的細(xì)節(jié)特征[7]?;诖?,本文以3ds max為主要建模工具,不僅列出建筑物精細(xì)模型的構(gòu)建方法,而且從生產(chǎn)實(shí)踐的角度研究了城市地形、植被、路網(wǎng)、附屬設(shè)施等模型制作方案,對(duì)城市全景三維仿真的基本技術(shù)和優(yōu)化方法進(jìn)行研究與探討。

    1 城市三維仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與建模

    智慧城市建設(shè)中,模型集成入庫前的工作基本包括4個(gè)模塊:數(shù)據(jù)采集、模型建立、紋理映射、模型優(yōu)化。具體作業(yè)流程如圖1所示。

    圖1 城市三維建模作業(yè)流程圖

    其中在單個(gè)對(duì)象模型建成后,要先核對(duì)模型與外業(yè)取景得到的圖片所示是否一致,觀察其位置、尺寸、進(jìn)退層次關(guān)系等是否符合現(xiàn)狀。只有和實(shí)際地物一致的模型才可以進(jìn)行貼加紋理單元。

    1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

    城市規(guī)劃區(qū)的數(shù)字高程模型依據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)總平面圖制作,地表材質(zhì)信息根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的景觀設(shè)計(jì)從材質(zhì)庫中選取相應(yīng)圖片。城市建成區(qū)的數(shù)字高程模型采用1∶500地形圖,利用數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝的照片制作紋理。其他區(qū)域的數(shù)字高程模型采用1∶500、1∶1000、1∶2000地形圖,地表紋理信息采用1∶2000真彩色正射影像或高分辨率彩色衛(wèi)星影像圖片[8]。通常在建模前需根據(jù)實(shí)際需要,對(duì)地形圖或規(guī)劃圖中的信息進(jìn)行篩選、精簡,遵循寧少勿多的原則刪除不必要的圖層,保留建筑物、標(biāo)注、草地、樹木等所需圖層[9]。同時(shí)設(shè)置系統(tǒng)單位為米,導(dǎo)入上述數(shù)據(jù)后執(zhí)行“成組”與“凍結(jié)操作”,方便模型繪制。

    1.2 三維仿真模型的建立

    抗N-甲基-D-天冬氨酸受體腦炎12例臨床和EEG分析 ………………………… 馬美剛,吳原,陳志穎 137

    立體模型通常有三種建模方法,即多邊形、面片及NURBS建模[10],實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中,我們使用多邊形建模最為簡便快捷,靈活運(yùn)用3ds max軟件的擠出、輪廓、倒角、放樣、捕捉、軸約束等命令制作模型。為便于入庫與統(tǒng)一管理,在模型制作前要依次建層:bui(建筑物)、floor(地形)、Alpha(灰度通道)、app(小品、附屬設(shè)施)、road(交通路網(wǎng))、plant(植被)和other(其他)層。下面以實(shí)際建模工序依次介紹本文模型的建立方法與特點(diǎn)。

    (1)地形模型。地形三維模型包括山體、水系、水涯線、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷線等地形地貌??刹捎靡韵聝煞N方式建模:第一類是采用三維地形數(shù)據(jù)自動(dòng)生成三維模型,并疊加數(shù)字正射影像來表達(dá),即DEM+DOM模式;第二類是采用3ds max交互進(jìn)行精細(xì)地形模型制作:參考地形圖上采集的高程點(diǎn)信息制作地形模型,由外向內(nèi)逐塊恢復(fù)。在地形起伏較大的區(qū)域,選擇逐小塊進(jìn)行延伸,反之可采用大面積高程相差不大的區(qū)域恢復(fù)方法。利用逐高程點(diǎn)的恢復(fù)方法能夠準(zhǔn)確反映地形起伏的真實(shí)風(fēng)貌。

    (2)交通路網(wǎng)模型。包括道路、軌道交通及橋梁、道路附屬設(shè)施三部分。路網(wǎng)之于城市,就如血管之于人體,只有當(dāng)路網(wǎng)準(zhǔn)確無誤地構(gòu)建出來時(shí),我們才可以確定各地塊的大小范圍,從而進(jìn)行下一步的分工合作[9]。一般在城市區(qū)域的三維建模任務(wù)中,主干路網(wǎng)由專人完成,路網(wǎng)周圍地塊的總體模型制作好以后再由作業(yè)員合并到路網(wǎng)模型進(jìn)行接邊處理。接邊處理的過程即是地表建筑、附屬設(shè)施等地物與地形匹配的過程,將在2.3節(jié)詳細(xì)介紹。

    (3)建筑模型。對(duì)于作為城市主體的建筑物模型來說,不僅要依據(jù)CAD底圖來制作,還要根據(jù)照片來分析建筑物的方位、體量以及精細(xì)結(jié)構(gòu),以此來權(quán)衡模型與貼圖之間資源的占用率和工作效率。一般建模時(shí)先根據(jù)CAD地形圖描出輪廓,擠出“火柴盒”式幾何模型,再根據(jù)照片分析出的各個(gè)立面的進(jìn)退層次關(guān)系、屋頂結(jié)構(gòu)等制作出貼合實(shí)際的精細(xì)模型。

    (4)植被模型。包括在道路兩旁成行栽植的行道樹,在小區(qū)、綠地、公園種植的景觀樹木,在綠地種植的灌木、花草,其他植被。實(shí)驗(yàn)表明,樹及盆栽模型的制作采用基于交叉圖像的建模方法,即制作一定高度的十字交叉面,通過對(duì)十字面貼加帶有Alpha通道的紋理來表現(xiàn),一方面在視覺上彌補(bǔ)了單張固定照片的缺陷,同時(shí)又降低了因圖像轉(zhuǎn)動(dòng)而需要的計(jì)算量[11]。草地直接按照路的造型擠出平面,通過后續(xù)貼圖完成模型制作。

    (5)其他。附屬設(shè)施以及上述未包括但需要在三維場(chǎng)景中表現(xiàn)的部分如通信基站、高壓線走廊等,建模方法更為繁瑣,一般生產(chǎn)中都是通過材質(zhì)庫來輔助實(shí)現(xiàn),在材質(zhì)庫中索引到和實(shí)際相同或接近的實(shí)體,通過場(chǎng)景融合、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作來建模。

    1.3 三維場(chǎng)景材質(zhì)設(shè)計(jì)

    在進(jìn)行外業(yè)取景拍攝時(shí),受拍照時(shí)間、角度、光線等影響,極易在亮度、色調(diào)、飽和度等因素上產(chǎn)生差異,而這些差異的存在反映在貼圖上將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的整體表現(xiàn)[12];同時(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。因此在紋理映射前,需要用專業(yè)的圖像處理軟件PhotoShop對(duì)外業(yè)采集的圖片進(jìn)行正射糾正、調(diào)色、修復(fù)等處理,實(shí)現(xiàn)模型紋理數(shù)據(jù)表現(xiàn)效果的和諧與統(tǒng)一。

    需要注意的是,在城市精細(xì)模型表現(xiàn)中,帶欄桿的圍墻、透明玻璃、陽臺(tái)、廣告牌、樹等有一定通透性的模型要表達(dá)的逼真,需要借助Alpha通道來實(shí)現(xiàn)。在PhotoShop中用多邊形套索工具選中實(shí)際不透明物體,存儲(chǔ)為通道。其白色部分在場(chǎng)景中正常顯示,黑色部分透明顯示,灰色部分將半透明顯示,這時(shí)我們將此灰度通道單元保存為tga格式。

    1.4 模型優(yōu)化

    事實(shí)上模型優(yōu)化工作貫穿建模及貼圖始終。對(duì)于三維模型,面數(shù)直接決定表現(xiàn)效果。就理論而言,三維模型面數(shù)越多,其表現(xiàn)越細(xì)膩、越貼近真實(shí)。但在三維虛擬場(chǎng)景中,畫面運(yùn)行的每一幀都是借助CPU和顯卡實(shí)時(shí)計(jì)算得出,如果模型和面的數(shù)量太多,將導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行速度急劇降低,甚至無法正常工作[10]。因此減少不必要的面片是質(zhì)檢工作至關(guān)重要的部分。在建模過程中就應(yīng)該刪除多余的點(diǎn)、線、面及放樣體等,如用六或八邊形代替圓形、合并三角形、使用紋理表現(xiàn)多邊形造型、使用單分量(灰度圖)紋理代替多分量紋理等方法,對(duì)具體地物進(jìn)行模型優(yōu)化。

    2 城市區(qū)域建模實(shí)例

    2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

    重慶市勘測(cè)院位于市內(nèi)江北區(qū),屬于丘陵、山地混合地形,地面起伏較為明顯,地面植被覆蓋均勻,建筑數(shù)量及分布適中、色調(diào)鮮明,是三維仿真建模的典型素材。建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用1∶500比例尺的地形圖,紋理數(shù)據(jù)采用Canon PowerShot SX30IS數(shù)碼相機(jī)逐景拍攝取得。

    2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)建模過程

    經(jīng)分析對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地物建模從道路部分開始制作。為了和實(shí)際地形起伏相符合,利用地形圖上已測(cè)高程點(diǎn),在頂視圖中,創(chuàng)建“線”命令描出小段道路,閉合樣條線并轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形,選中路延伸方向的一條邊,拖拽“擠出”到下一采樣高程點(diǎn),輸入高程值,依次進(jìn)行。對(duì)于道路拐彎處應(yīng)選中多邊形對(duì)邊,進(jìn)行“連接”操作,給定合適數(shù)量的分割數(shù)并連接,然后在點(diǎn)編輯模式下通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)做出路的造型。主干道制作好后,可通過放樣、輪廓、擠出等命令制作道牙、人行道道路附屬及路邊花壇等造型。至此制作出的模型結(jié)果如圖2所示。

    圖2 區(qū)域道路及花園模型制作示意圖

    制作好區(qū)域“骨架”后,接下來就是建筑模型的繪制了。在頂視圖中勾出建筑“火柴盒”式輪廓后,再進(jìn)一步制作精細(xì)模型。制作精細(xì)立面及屋頂造型主要用到“快速切片”“裁剪”和“倒角”等命令,將不同表現(xiàn)的模塊分在不同的面上,便于貼圖。建筑高度擠出數(shù)量首先參考地形圖上的屋頂標(biāo)高,沒有標(biāo)高的要按照實(shí)際體量進(jìn)行估算。重要建筑的坡屋頂需制作帶厚度的屋檐,普通建筑的坡屋頂可以不用制作屋檐;女兒墻需用實(shí)體制作,厚度應(yīng)根據(jù)建筑的大小而定,一般在0.2m~0.8m之間;靠近樓體、沿街的大型廣告牌及重要結(jié)構(gòu)需實(shí)體制作。為了減少模型復(fù)雜度,提高其在平臺(tái)上的運(yùn)行效率,一般建(構(gòu))筑物表面突出少于1.5m的可以不用制作,而是用貼圖來表現(xiàn)。某棟建筑簡模及精細(xì)模型對(duì)比如圖3所示。

    圖3 由簡單模型制作精細(xì)模型示意圖

    模型制作完成后,根據(jù)外業(yè)取景制作符合要求的紋理單元。對(duì)原始圖片進(jìn)行正射糾正、復(fù)原、調(diào)色等處理前后示意圖對(duì)比如圖4所示。

    圖4 部分紋理單元制作效果圖

    其中建筑物頂部紋理可以近景拍照取得,也可以直接從遙感相片中根據(jù)坐標(biāo)提取得到,由于不存在遮擋,提取信息量足,所以效果較好[15]。生產(chǎn)中我們使用UVW修改器進(jìn)行貼圖。普通紋理單元在應(yīng)用給場(chǎng)景時(shí),直接將紋理圖片拖入場(chǎng)景,給定材質(zhì)U、V值,用BOX方式或法線匹配調(diào)整使之適應(yīng)。帶有Alpha通道的紋理單元應(yīng)用時(shí)要借助于渲染器中的材質(zhì)球,設(shè)置完成后“將材質(zhì)指定給選定對(duì)象”即應(yīng)用到場(chǎng)景。再設(shè)置UVW修改器中的參數(shù)即可完成帶有通道的紋理貼圖。貼圖時(shí)應(yīng)注意觀察整個(gè)場(chǎng)景的色調(diào)應(yīng)風(fēng)格統(tǒng)一、明暗適中。

    2.3 實(shí)驗(yàn)區(qū)模型優(yōu)化

    模型優(yōu)化應(yīng)檢查建筑物模型的形狀、紋理、色彩、質(zhì)感等,地形模型真實(shí)性,貼圖的合理性,植被模型類型的正確性,附屬設(shè)施模型的正確性及協(xié)調(diào)性等方面。模型建好后還要逐一檢查地面與地面建筑等地物之間的匹配,特別要注意模型與路網(wǎng)接邊是否符合要求,路口處理的合理性,區(qū)塊之間的接邊情況,包括模型接邊以及貼圖紋理是否合理、道路兩邊地物的協(xié)調(diào)性。

    由于3ds max本身的局限性,場(chǎng)景規(guī)模過大時(shí)實(shí)時(shí)漫游較為困難,因此小場(chǎng)景的質(zhì)量檢查可以直接在Max中進(jìn)行,大場(chǎng)景模型的質(zhì)檢就需要借助MultiGen Creator軟件進(jìn)行三角形簡化[16]。生產(chǎn)中較常對(duì)已創(chuàng)建的模型頂點(diǎn)和多邊形數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡處理:①刪除不可見多邊形,刪除模型中那些任何視點(diǎn)都不可見的多邊形,如某些多邊形的背面、平面模型的底面、幾何體內(nèi)部的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)等;②合并多邊形,對(duì)于有共同邊界及在同一平面上的多邊形,要進(jìn)行合并操作,以減少節(jié)點(diǎn)及面片數(shù)。梁波在文獻(xiàn)[17]中給出了詳細(xì)指導(dǎo)。MultiGen Creator是專門為復(fù)雜虛擬場(chǎng)景實(shí)時(shí)漫游設(shè)計(jì)的建模工具,本身不適合精細(xì)建模,但對(duì)于較大場(chǎng)景地理環(huán)境的生成及瀏覽具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[18]。但不管哪個(gè)軟件質(zhì)檢,需要檢查的項(xiàng)目都是一致的。基于上述理論做出的重慶市勘測(cè)院周邊三維仿真模型整體如圖5所示。

    圖5 重慶市勘測(cè)院三維仿真效果圖

    3 結(jié)束語

    本文闡述了城市街景三維仿真建模方法,總結(jié)了生產(chǎn)作業(yè)中的經(jīng)驗(yàn)事項(xiàng),不僅涉及建筑物,還對(duì)地形、交通路網(wǎng)、植被及附屬設(shè)施等在內(nèi)的城市地形地物要素的建模技巧與方法做出論述。提出了處理各種街景地物之間的匹配與接邊問題的有效方法,為類似項(xiàng)目的模型制作提供一定的參考。目前城市三維仿真建模方法正在全速發(fā)展中,基于3ds max的建模方法適用于智慧城市精細(xì)模型制作。它雖滿足了我們對(duì)模型精細(xì)度的需求,但需要外業(yè)勘測(cè)、拍照,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理也是一項(xiàng)較為繁重的工作,因此尋求新的輔助建模的方法勢(shì)在必行。接下來,將以“最大限度地利用外業(yè)拍回來的照片提取更多有用信息”為切入點(diǎn),重點(diǎn)研究近景攝影測(cè)量得到的相片有用信息的提取與利用,將近景攝影測(cè)量與3ds max軟件相結(jié)合,尋找一種更為完善的方法進(jìn)行城市三維模型重建與紋理映射。

    致謝:本文所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由重慶市勘測(cè)院空間信息所提供,特此感謝。

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    Three-dimensional Model Based on 3ds Max in Virtual City

    ZHANG Dong-xia1.2,XIE Wen-h(huán)an1,ZHANG Ji-xian1,LIANG Yong2
    (1.Institute of Photogrammetry and Remote Sensing,Chinese Academy of Surveying and Mapping,Beijing100830;2.School of Information Science and Engineering of Shandong Agricultural University,Taian271018)

    It is significant for smart city to construct the three-dimensional model.This paper described the application of 3ds Max in modeling and mapping of virtual city,and discussed model optimization techniques.At the same time,skills and methods to modeling including building,floor,road-network,plant and appurtenance,etc.were researched as a practical production.This paper put forward some effective methods of edge matching problem between various street features.In the end,the paper pointed out the range of application,and proposed a plan about the combination of close-range photogrammetry technology and professional modeling software to realize automated or semi-automated modeling in the future.

    3ds Max;three-dimensional model;texture mapping;model optimization;smart city

    10.3969/j.issn.1000-3177.2015.04.022

    TP391.9

    A

    1000-3177(2015)140-0125-05

    2014-03-13

    2014-10-12

    國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271395)。

    張東霞(1988—),女,碩士研究生,研究方向數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用。

    E-mail:zhangdongxia1030@163.com

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