“數(shù)字校園”三維景觀模型的設(shè)計與制作

楊于宸

(成都七中， 四川成都 610041)

“數(shù)字校園”三維景觀模型的設(shè)計與制作

楊于宸

(成都七中， 四川成都 610041)

對七中育才新校區(qū)“數(shù)字校園”三維景觀模型進(jìn)行設(shè)計與制作，利用AutoCAD、Photoshop以及SuperMap軟件，通過資料收集整理、三維建模、紋理映射等一系列步驟，實現(xiàn)了校園景觀的三維可視化以及三維漫游等功能。

數(shù)字校園； 三維建模； AutoCAD； Photoshop； SuperMap

1 數(shù)字校園與三維景觀模型

所謂“數(shù)字校園”，是一種集數(shù)字化、信息化、可視化等多種技術(shù)為一體的現(xiàn)代信息管理系統(tǒng)[1]，它是“數(shù)字地球”的微觀表現(xiàn)形式在校園區(qū)域的具體體現(xiàn)，而三維校園景觀模型則是“數(shù)字校園”的重要組成部分[2]。與傳統(tǒng)的二維平面校園地圖相比， “數(shù)字校園”三維景觀模型不但能更全面、更形象直觀地展示真實優(yōu)美的校園風(fēng)貌，還能通過動態(tài)交互讓使用者產(chǎn)生身臨其境的感覺。

目前，“數(shù)字校園”三維景觀模型的制作方式主要有3種：基于幾何模擬建模、基于圖像建模以及基于幾何建模和基于圖像建模的混合建模技術(shù)[3]。而后一種技術(shù)綜合了前面兩種的優(yōu)點，使用了幾何建模與圖像紋理粘貼相融合的方法，使校園景觀真實感進(jìn)一步增強，是當(dāng)前三維景觀模型制作的主流技術(shù)。

本文正是采用這樣的信息技術(shù)，對七中育才新校區(qū)的“數(shù)字校園”三維景觀模型進(jìn)行了設(shè)計與制作。利用AutoCAD、Photoshop以及SuperMap軟件，通過資料收集整理、三維建模、紋理映射等一系列步驟，實現(xiàn)了校園景觀的三維可視化以及三維漫游等功能。

2 學(xué)校概況

美麗的成都七中育才新校區(qū)位于成都市二環(huán)路匯泉南路東四段和東五段之間，蓮桂路對面。學(xué)校占地面積約67 hm2，區(qū)域內(nèi)地勢平緩，建筑物主要有兩棟教學(xué)樓和一個體育館，在主教學(xué)樓前方有一個標(biāo)準(zhǔn)田徑操場。七中育才新校區(qū)的鳥瞰圖見圖1。

圖1 七中育才新校區(qū)鳥瞰圖

3 數(shù)字校園三維景觀模型的設(shè)計

本次“數(shù)字校園”三維模型景觀模型的制作采用了幾何建模與圖像紋理貼圖相結(jié)合的建模方法。需要準(zhǔn)備的三維建模數(shù)據(jù)包括建筑物的真三維地理數(shù)據(jù)(包括平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù))以及真實影像數(shù)據(jù)(包括建筑物的側(cè)面紋理和頂部紋理)。真三維地理數(shù)據(jù)通過已有的建筑設(shè)計圖和大比例尺數(shù)字測圖方法獲得，而真實影像數(shù)據(jù)則主要通過近景攝影測量獲得。此次三維景觀建模的設(shè)計見圖2。

圖2 “數(shù)字校園”三維景觀模型設(shè)計

4 “數(shù)字校園”三維景觀模型的制作

4.1 真三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的處理

本次三維景觀模型制作首先利用AutoCAD軟件對已有的建筑設(shè)計剖面圖進(jìn)行了分析，通過導(dǎo)入各個建筑的建筑設(shè)計剖面圖，然后在CAD中新建圖層，利用畫圖工具將其外部輪廓復(fù)制描繪下來，獲得了各個建筑物的外部輪廓，再從設(shè)計說明中獲得該建筑物的層高數(shù)據(jù)。

通過對建筑設(shè)計剖面圖的分析，我們獲得了建筑外部輪廓和高程數(shù)據(jù)。而對于建立三維建模的模型數(shù)據(jù)，還需要各建筑物的平面位置距離。下一步工作就是利用大比例尺數(shù)字測圖技術(shù)獲取這一數(shù)據(jù)以及校園綠化帶和道路的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，利用AutoCAD軟件對校園基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果見圖3。

圖3 校園真三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的處理結(jié)果

4.2 建筑物真實影像數(shù)據(jù)處理

建筑物真實影像數(shù)據(jù)的獲取是“數(shù)字校園”三維景觀模型制作的關(guān)鍵。在工作中我們使用高精度數(shù)碼相機拍攝了校園各個建筑物的側(cè)面紋理影像以及頂部紋理影像。為了保證各建筑紋理圖片的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在拍攝時注意了光照條件、拍攝角度等因素的影響，并盡量做到正對建筑居中拍攝。但是在實際拍攝時，受到地形環(huán)境的影響，很多原始影像不符合制作要求，因此我們使用了PhotoShop 軟件對照片進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)節(jié)處理，以獲得更加真實的建筑物紋理。照片處理中的難點工作主要有以下兩點：

4.2.1 植被遮擋的處理

由于校園的綠化比較多，并且種植的樹木比較高大，使得拍攝建筑物側(cè)面紋理時不可避免將植物拍攝進(jìn)來，因此需要對被植物遮擋部分進(jìn)行處理。一般情況下，建筑物一個側(cè)面的結(jié)構(gòu)是相似的，可以使用PhotoShop中的矩形選取工具，選中建筑物中結(jié)構(gòu)相同但未被植物遮擋部分，新建圖層后覆蓋該遮擋部分，再利用印章、吸管、橡皮擦等工具進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，最后合并可見圖層。植被遮擋的處理結(jié)果見圖4。

圖4 植被遮擋的處理

4.2.2 建筑物變形的處理

一般情況下，建筑物紋理圖片越接近正面攝影像越好，但在實際拍攝過程中受到地形環(huán)境的影響，不可能完全滿足這個條件，這就要求我們通過相機鏡頭校正以及Photoshop圖像處理軟件的自由變換功能等多種工具聯(lián)合來實現(xiàn)。這是一個比較復(fù)雜的過程，在實際工作中通過實踐一點一點調(diào)試，最終獲取了比較滿意的紋理圖片。對建筑物變形的處理結(jié)果展示見圖5。

圖5 建筑物變形的處理

4.3 校園設(shè)計圖CAD模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

有了前面準(zhǔn)備的真三維空間數(shù)據(jù)和紋理影像數(shù)據(jù)，接下來就可以進(jìn)行三維模型的構(gòu)建了。建模軟件我們使用的是SuperMap Deskpro，首先在軟件中建立了新的命名為“七中育才新校區(qū)”的“數(shù)字校園”三維景觀模型數(shù)據(jù)源(圖6)。

圖6 “數(shù)字校園”三維景觀模型數(shù)據(jù)源建立

建立好數(shù)據(jù)源后，便可以導(dǎo)入校園設(shè)計圖CAD模型數(shù)據(jù)，選擇先前所獲得的CAD數(shù)據(jù)文件并導(dǎo)入(圖7)。

圖7 導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)文件

導(dǎo)入相應(yīng)的CAD數(shù)據(jù)文件后，則需要將CAD數(shù)據(jù)矢量化為能直接建模的地理數(shù)據(jù)，即根據(jù)地物特征建立不同的矢量化數(shù)據(jù)集，如建筑物圖層(building)、草地圖層(grass)等。根據(jù)學(xué)校的具體情況，本次制作工作設(shè)計的數(shù)據(jù)集(圖8)包括教學(xué)樓數(shù)據(jù)集(building)、支撐柱子數(shù)據(jù)集(柱子)、草地數(shù)據(jù)集(grass)、圍墻數(shù)據(jù)集(wall)，各個數(shù)據(jù)集的屬性設(shè)計見圖9。

圖8 建立數(shù)據(jù)集

圖9 數(shù)據(jù)集屬性設(shè)計

建立好數(shù)據(jù)集后，則開始各個數(shù)據(jù)集的CAD數(shù)據(jù)矢量化。這是一項細(xì)致的工作，也是本次三維模型制作的重點，需要對校園內(nèi)數(shù)百個形狀各異的建筑物進(jìn)行逐一編輯繪制?！皵?shù)字校園”矢量化結(jié)果見圖10。

圖10 矢量化結(jié)果

4.4 高程數(shù)據(jù)的錄入

校園景觀對象的高程數(shù)據(jù)是三維景觀建模的基礎(chǔ)，景觀對象的高程屬性主要有基準(zhǔn)高程(bottom)和頂部高程(height)。SuperMap Deskpro軟件建立三維模型是以基準(zhǔn)高程為起始面，以頂部高程減去基準(zhǔn)高程的值為高的柱體結(jié)構(gòu)。

景觀對象錄入高程數(shù)據(jù)后，就可以瀏覽初步的建模情況，通過在SuperMap Deskpro的三維場景工作窗口中選擇基準(zhǔn)高程字段bottom、頂部高程字段height，點擊確定，便可以瀏覽初步三維景觀模型(圖11)。

圖11 維景觀模型初步建立

4.5 紋理映射

紋理映射即在模型表面貼圖，是三維景觀建模不可缺少、非常關(guān)鍵的一個部分，它直接關(guān)系到模型的可視效果和逼真程度。利用影像紋理，不僅可以真實、直觀地表達(dá)美麗的校園，還可以彌補簡單幾何模型里所表達(dá)不出的詳細(xì)信息，豐富幾何圖形的細(xì)節(jié)和材質(zhì)。

紋理粘貼的方法可以分為兩種：對于構(gòu)造較為復(fù)雜及位置較為重要的景觀模型，可以采用以建筑物各個表面的點同紋理進(jìn)行點點對應(yīng)貼圖的方法，對每個細(xì)部進(jìn)行精確貼圖；而對于構(gòu)造較為簡單的景觀模型，則可把握模型的主要特征，采用紋理自動按建筑物表面進(jìn)行貼圖的方法進(jìn)行紋理的平鋪或者拉伸，以提高工作效率[4]。

本次建模主要采用的是分模塊建立，將建筑物復(fù)雜結(jié)構(gòu)拆分為單體，如教學(xué)樓分為一二層、三四層以及第五層，因此對建筑對象粘貼紋理采用自動按建筑物表面進(jìn)行貼圖的方法。在設(shè)置對象數(shù)據(jù)集紋理屬性時，需要先設(shè)置紋理圖庫路徑(圖12)。

圖12 設(shè)置三維貼圖圖庫路徑

設(shè)置好三維貼圖圖庫路徑后，則可以開始對地物對象的紋理屬性進(jìn)行編輯?！皌exture”為景觀對象側(cè)面紋理，“headtexture”為建筑物頂部紋理，在SuperMap Deskpro中，貼圖文件可以是*. BMP、*.TIF、*. JPG、*. GIF格式的圖片。通過實驗發(fā)現(xiàn)，為了在之后三維紋理渲染中減少渲染時間，紋理圖片的文件大小必須控制在1M以下。在輸入的貼圖文件名時必須同時輸入文件格式，具體示意見圖13。

圖13 編輯景觀對象紋理屬性

4.6 三維場景展示和瀏覽

在數(shù)字三維模型的建設(shè)中，三維景觀建模是最基礎(chǔ)、最重要的工作之一。但是僅僅建立了三維景觀模型還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們建立三維景觀模型的最終目的是實現(xiàn)校園的三維展示即所謂“虛擬現(xiàn)實”功能。因此在完成所有數(shù)據(jù)集的景觀對象高程屬性和紋理編輯后，就可以利用SuperMap Deskpro中的三維場景功能進(jìn)行模型的三維場景展示和環(huán)游、平移等功能。

利用SuperMap Deskpro中的三維場景功能可以很容易實現(xiàn)三維場景瀏覽操作，包括升降場景、水平旋轉(zhuǎn)場景和垂直翻轉(zhuǎn)場景等場景操作，通過自由縮放、平移、環(huán)游等功能可進(jìn)行三維場景全景和細(xì)節(jié)的瀏覽(圖14、圖15)。

5 結(jié)束語

通過對“數(shù)字校園”三維景觀模型制作技術(shù)的學(xué)習(xí)，綜合運用相關(guān)軟件完成了七中育才新校區(qū)的“數(shù)字校園”三維景觀模型設(shè)計與制作，增長了知識，鍛煉了動手能力，受益匪淺。在今后的學(xué)習(xí)中，將進(jìn)一步在軟件使用、紋理攝影、系統(tǒng)開發(fā)等方面努力學(xué)習(xí)，爭取完成更多更好的“數(shù)字校園”三維景觀模型。

圖14 “數(shù)字校園”三維場景全景瀏覽

圖15 “數(shù)字校園”三維場景細(xì)節(jié)瀏覽

[1] 李保杰，于法展，李戰(zhàn)成，等.基于OpenGL虛擬校園漫游系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報: 工程技術(shù)版，2006，19(1)：86-90.

[2] 朱慶，李德仁，龔健雅，等.數(shù)碼城市GIS的設(shè)計與實現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2001，26(1)：8-11.

[3] 劉慶偉.基于VRML的虛擬校園研究與實現(xiàn)[D].西安建筑科技大學(xué)，2007.

[4] 張正峰,付金強,張發(fā)瑜.虛擬建筑群三維建模與可視化實現(xiàn)[J].中國工程科學(xué),2007,9(5):53-57.

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[定稿日期]2016-10-07