基于攝影測(cè)量技術(shù)的三維仿真模型建模方法研究

黃榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亞星 趙真真

( 閩江學(xué)院地理科學(xué)系 福建福州 350108)

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基于攝影測(cè)量技術(shù)的三維仿真模型建模方法研究

黃榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亞星 趙真真

( 閩江學(xué)院地理科學(xué)系 福建福州 350108)

為了解決傳統(tǒng)三維建模速度慢、數(shù)據(jù)量大、精度不高的問(wèn)題,并且能夠盡可能地降低成本，快速地建立高精度的三維仿真模型，研究將數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量引入到三維建模中，以快速地獲取地物高精度的幾何和高程信息，并結(jié)合3DS MAX軟件進(jìn)行三維仿真模型的制作，大大地提高了建模效率。

攝影測(cè)量；三維建模；3DS MAX

0 引言

目前,以“數(shù)字城市”為標(biāo)志的城市信息化建設(shè)正在全國(guó)范圍內(nèi)迅速展開(kāi)。數(shù)字城市建設(shè)過(guò)程中，二維空間數(shù)據(jù)已不能滿足社會(huì)發(fā)展所需，三維模型將被廣泛建立和應(yīng)用。三維景觀模型的需求日趨增加，同時(shí)三維模型也便于決策者客觀全面分析和解決問(wèn)題。

近幾年，很多學(xué)者對(duì)三維建模技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，例如，李雯[1]在《Auto CAD三維實(shí)體建模的方法研究》一文中提到，通過(guò)利用Auto CAD軟件中平面視口命令，將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為二維視圖的方法，并指出了在實(shí)際操作中容易遇到的問(wèn)題以及解決方法；謝明輝[2]等通過(guò)ArcGIS以及SketchUp這兩大軟件為平臺(tái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、處理，建筑物建模和三維模型與校園遙感影像的疊加等操作步驟，來(lái)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字校園的可視化；李香清[3]等從城市景觀模型特點(diǎn)出發(fā)，分析了既往各種三維建模方法，并以Skyline為軟件平臺(tái)，完成了黃河景觀帶的三維建模；胡春霞[4]等在城市三維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)文化遺產(chǎn)的相關(guān)實(shí)體、建筑物、展覽區(qū)、景區(qū)等進(jìn)行真三維建模，構(gòu)建文化遺產(chǎn)的真三維虛擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維建模技術(shù)的應(yīng)用功能。綜合上述，三維建模技術(shù)發(fā)展愈加成熟，在城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查等領(lǐng)域?qū)ζ涞男枨笠踩找嬖黾?。目前，各種三維建模技術(shù)方法也被大眾所關(guān)注，而大多數(shù)的研究都是基于傳統(tǒng)的三維建模方法上。隨著全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在城市測(cè)繪行業(yè)中逐漸推廣和普及，利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)建立三維模型，是較為實(shí)用的一種方法，數(shù)據(jù)的獲取較為簡(jiǎn)便，模型的建立也較為精確。因此，本文立足攝影測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)，以3DS MAX為軟件平臺(tái)，進(jìn)行快速且準(zhǔn)確建立城市三維仿真模型的建模方法研究。

1 基于攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是利用所采集的數(shù)字、數(shù)字化影像，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行各種數(shù)值、圖形和影像處理，研究目標(biāo)的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數(shù)字產(chǎn)品和可視化產(chǎn)品[5]。通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)，可以獲得高精度的地形圖、高程和數(shù)字正射影像等信息。

1.1 基于攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)特點(diǎn)

基于攝影測(cè)量的三維建模技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)數(shù)據(jù)處理的全過(guò)程均在計(jì)算機(jī)上完成，其中包含了傳統(tǒng)的攝影測(cè)量的每個(gè)部分。

(2)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)具有成像速度快的特點(diǎn)，能夠迅速地捕捉到地面物體高精度的幾何特征和高程數(shù)據(jù)；地面建筑空間幾何精度可以達(dá)到厘米級(jí)，數(shù)據(jù)更新較容易[6]。

(3)基于攝影測(cè)量技術(shù)的三維仿真模型的制作與一些傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)不一樣，這種模型的制作是根據(jù)攝影測(cè)量所得的地面建筑物真實(shí)的幾何和高程數(shù)據(jù)，建立真實(shí)的三維模型[7]，其坐標(biāo)是真實(shí)模型的空間坐標(biāo)，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。

1.2 建立三維仿真模型

1.2.1 基本模型的制作

本次模型的建立，主要是在3DS MAX軟件中完成。利用3DS MAX建模軟件建模所采取的是測(cè)量建模中的直接依圖建模方法[8]。在運(yùn)用3DS MAX構(gòu)建三維模型時(shí)，首先通過(guò)攝影測(cè)量技術(shù)獲取三維建模數(shù)據(jù)，并對(duì)所獲取的三維建模數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)處理，隨后進(jìn)行基本模型的建立。

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

建模的過(guò)程中，首先要將建筑物的基本輪廓以某個(gè)比例尺導(dǎo)入到3DS MAX中，然后把基準(zhǔn)定在某個(gè)易于識(shí)別的特征點(diǎn)上，將底圖在軟件界面上歸零。為了防止底圖會(huì)發(fā)生移動(dòng)而導(dǎo)致真實(shí)的坐標(biāo)位置發(fā)生偏移，最好是將底圖在軟件界面上歸零。

(2)建立模型

建筑物模型建立是根據(jù)二維底圖和照片紋理進(jìn)行相關(guān)尺寸計(jì)算，然后在建模軟件中建立模型。在實(shí)際生產(chǎn)中，模型的建立要根據(jù)不同規(guī)范要求進(jìn)行取舍，并要求最大程度對(duì)模型的面數(shù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，同時(shí)不能損壞模型正確性，防止出現(xiàn)浪費(fèi)數(shù)據(jù)量的現(xiàn)象。

在三維建筑模型建立之前，需要對(duì)整個(gè)建筑物進(jìn)行一個(gè)整體結(jié)構(gòu)分析。將整體結(jié)構(gòu)分為多個(gè)部分，并依次對(duì)每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷各部分為規(guī)則體或是不規(guī)則體，確定建模方法；接著，再分別采用相應(yīng)的建模方法，對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建。整體結(jié)構(gòu)的分析有利于構(gòu)建完整清晰的建模思路，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的全面梳理，能夠簡(jiǎn)化建模繁瑣的過(guò)程，有利于提高建模的效率。在本次的建模過(guò)程中，主要采用了細(xì)分法和堆砌法這兩種常用的建模方法。細(xì)分法常用于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的模型建立，先通過(guò)基本幾何體構(gòu)建一個(gè)大概的基本結(jié)構(gòu)，然后再將各個(gè)部分細(xì)分，進(jìn)行細(xì)節(jié)上的精化。堆砌法適用于較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)體，它是從零散到整體的建模方式，通過(guò)各個(gè)部分獨(dú)立構(gòu)建，最后一部分一部分地堆砌在一起，而組成整個(gè)大結(jié)構(gòu)體。本次選取的建筑物，主要由一幢主樓和兩側(cè)的兩幢小樓、以及主樓體前的廣場(chǎng)組成。從整體的結(jié)構(gòu)上來(lái)看，主要分成3大部分進(jìn)行模型構(gòu)建。而各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，不能夠直接通過(guò)基本幾何體構(gòu)建完成，因此需要同時(shí)利用兩種建模方法共同建模，見(jiàn)圖1。

在三維模型建立中，對(duì)規(guī)則結(jié)構(gòu)的建立可以先根據(jù)外形分為方形建筑物、圓形建筑物、異形建筑物等。對(duì)方形或圓形建筑物類基本的規(guī)則模型建立較為簡(jiǎn)單，只需要在3DS MAX中，依據(jù)底圖以及已知的高程值，通過(guò)修改器面板中的擠出命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。異形建筑物的構(gòu)建，可以通過(guò)基本模型體精化得到。例如建筑物中的弧形體建立，規(guī)則的弧形體可以選擇兩點(diǎn)畫(huà)弧方法，確定并捕捉到弧體的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。而復(fù)雜的異形弧形體可以通過(guò)基本幾何體堆砌，利用布爾運(yùn)算命令，進(jìn)行相關(guān)操作運(yùn)算，即可得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。

1.2.2 地面建筑紋理的采集

制作三維仿真模型，需要建筑物真實(shí)的紋理信息。紋理信息主要包括實(shí)地拍攝的建筑物的相片和影像中的建筑物頂部信息，所以需要外業(yè)用高精度的數(shù)碼相機(jī)，沿著某個(gè)方向仔細(xì)地拍攝建筑真實(shí)詳細(xì)的紋理信息，作為構(gòu)建模型時(shí)的參考信息，以及在模型建立完成后的材質(zhì)貼圖。

通過(guò)數(shù)碼相機(jī)外業(yè)采集的紋理，存在拍攝角度、光照條件等客觀因素影響，需要通過(guò)制圖軟件Photoshop進(jìn)行裁切、校正以及變換等相關(guān)的處理，調(diào)節(jié)色彩、亮度、對(duì)比度等相關(guān)問(wèn)題，以還原建筑物材質(zhì)本質(zhì)。如圖2所示，該圖為外業(yè)采集的未經(jīng)處理的紋理圖，可以看出圖上有一些遮擋物以及拍攝角度存在一定的傾角，此時(shí)需要對(duì)該圖片進(jìn)行角度糾正處理，并在正視基礎(chǔ)上去除遮擋的雜質(zhì)；除此之外，圖片中還有較大區(qū)域面積的瓷磚，由于瓷磚數(shù)量較多，而貼圖分辨率有限，會(huì)導(dǎo)致整體瓷磚的模糊，因此可以單獨(dú)處理好清晰的瓷磚模板，并根據(jù)實(shí)際瓷磚數(shù)量將模板平鋪在該貼圖中，即可解決瓷磚模糊的問(wèn)題。

1.2.3 模型導(dǎo)出

建立好的模型要進(jìn)行質(zhì)量的檢查，模型是否已經(jīng)最大程度的逼近真實(shí)的建筑，紋理信息是否丟失是否失真，紋理的大小是否合格，命名是否規(guī)范，進(jìn)行質(zhì)量檢查過(guò)后的三維模型就可以導(dǎo)出，如圖4所示。

2 3DS MAX建立三維仿真模型關(guān)鍵技術(shù)

在3DS MAX中建立三維場(chǎng)景，三維模型整體面的總數(shù)量、模型的總個(gè)數(shù)以及貼圖文件的數(shù)量和貼圖文件的大小直接決定了文件所含的數(shù)據(jù)量，從而影響了整體的運(yùn)行速度。所以如何對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化，減少文件數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)行速度是三維模型建立的關(guān)鍵之一；除此之外，三維模型紋理貼圖的外業(yè)拍攝和處理貼圖的方法以及效果，在對(duì)三維模型的渲染中起著至關(guān)重要的作用。

在進(jìn)行三維建模時(shí)，要時(shí)刻注意模型所使用的頂點(diǎn)數(shù)、邊數(shù)以及面數(shù)，盡量精簡(jiǎn)優(yōu)化模型，以免造成不必要的數(shù)據(jù)浪費(fèi)；在不影響整體的情況下，刪除隱藏的多余的面。外業(yè)紋理的采集有一定的原則性，外業(yè)紋理的拍攝過(guò)程中，要注意拍攝的時(shí)間、拍攝的角度等問(wèn)題，最好是選擇陰天或者陽(yáng)光較為柔軟均勻的時(shí)間進(jìn)行，能盡量避免照片的色彩失真問(wèn)題，可以更好地還原建筑物的真實(shí)場(chǎng)景；其次，在拍攝的過(guò)程中盡量地沿著建筑物的某個(gè)方向進(jìn)行，并且盡可能地進(jìn)行多個(gè)角度的拍攝，有利于對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別；除此之外，為了讓建模者能通過(guò)照片很好地理解建筑物結(jié)構(gòu)，需要盡可能多的照片和一定的空間想象能力，以及熟悉一些建筑物建筑結(jié)構(gòu)的基本常識(shí)等。

三維仿真模型是要盡可能的還原建筑物真實(shí)形態(tài)，因此對(duì)模型紋理的處理要保持貼圖紋理的清晰度。由于色彩等客觀因素的限制，在紋理采集過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)色彩失真、角度傾斜、紋理丟失、紋理遮蓋等各種各樣的問(wèn)題，這就需要建模者有扎實(shí)的貼圖紋理的處理技巧，否則就會(huì)影響三維仿真模型制作的精度。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著攝影測(cè)量技術(shù)的深入發(fā)展，當(dāng)今的攝影測(cè)量技術(shù)已趨于成熟，它在數(shù)字城市的建設(shè)與發(fā)展中起到了巨大的推動(dòng)作用，已經(jīng)成為建設(shè)數(shù)字城市的核心技術(shù)基礎(chǔ)。本文通過(guò)實(shí)際操作，對(duì)基于攝影測(cè)量技術(shù)三維建模技術(shù)進(jìn)行闡述，通過(guò)充分發(fā)揮攝影測(cè)量技術(shù)與 3DS MAX 建模軟件的優(yōu)勢(shì)，將二者結(jié)合起來(lái)對(duì)建筑物進(jìn)行快速地三維建模，從三維建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，到三維仿真模型的建立，過(guò)程操作迅速簡(jiǎn)易，有效地提高了建模的速度。利用該方法進(jìn)行精模型的建立，避免了復(fù)雜繁瑣的操作過(guò)程，且建模精度較高，能達(dá)到規(guī)范要求，最重要的是該方法建立的三維模型都具有真實(shí)的三維空間坐標(biāo)，符合實(shí)際建模的需求，有助于數(shù)字城市的建設(shè)。當(dāng)然也還存在著很多問(wèn)題，需要廣大人員進(jìn)一步研究探討。

[1] 李雯. Auto CAD三維實(shí)體建模的方法研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2015(11):48-50.

[2] 謝明輝, 張奇. 基于ArcGIS和SketchUp的校園三維模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2015, 31(5):90-92.

[3] 李香清, 閆浩文. 基于Skyline數(shù)字城市三維建模方法探索[J]. 甘肅科技, 2015, 31(2):66-67.

[4] 胡春霞, 張紅軍, 張鳳梅,等. 基于城市三維建模技術(shù)的文化遺產(chǎn)三維虛擬系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代測(cè)繪, 2015(3):30-33.

[5] 沈文慧, 寶力杰, 姚姝娟. 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用[J]. 西部資源, 2015(2):111-115.

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[7] 曾浩, 范巍, 劉惠,等. “數(shù)字城市”三維建模技術(shù)[J]. 地理空間信息, 2013(3):26-28.

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Research on modeling method of 3D simulation model based on Photogrammetry Technology

HUANGRongLINCencenWUJiaSHENXuefanLIYaxingZHAOZhenzhen

(Department of Geography, Minjiang University, Fuzhou, 350108)

The ways of traditional 3D modeling has some problem, such as slow speed , large amount of data, low accuracy and so on. In order to solve those problem, digital photography measurement was introduced into the three-dimensional modeling, which can access feature high-precision geometry and elevation information rapidly. Otherwise, this paper based on 3Ds Max as software platform, to realize the efficient modeling.

Digital photogrammetry; 3D Modeling; 3DS MAX

福建省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510395027)

黃榕(1993.12- ),女。

E-mail:78532858@qq.com

2016-05-19

TU198

A

1004-6135(2016)10-0107-03