基于3dmax的虛擬隧道建模

陳一飛　曹順　李芳　柳志丹　陳軍程　秦鈺娟

摘要：三維虛擬隧道建模是三維虛擬隧道系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心，隧道建模質(zhì)量的好壞直接決定三維虛擬隧道的建設(shè)是否成功，論文全面闡述基于3dmax建模軟件進(jìn)行隧道構(gòu)筑物三維建模的技術(shù)流程，并對一些技術(shù)難題進(jìn)行深入探討，通過實際案例對基于3dmax的虛擬隧道建模進(jìn)行解剖。

關(guān)鍵詞：隧道建模；3dmax；優(yōu)化

中文分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）20-0262-03

隨著這幾年我國交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，隧道的開挖也越來越普遍，由于隧道在開挖過程中會面臨各種各樣的問題，同時國家對隧道開挖安全的問題也越來越重視，傳統(tǒng)的二維建模和實物模型已經(jīng)滿足不了日益龐大和復(fù)雜的隧道工程。三維虛擬建模技術(shù)剛好能為上述問題提供一個良好的解決方法。三維建模在國外已經(jīng)發(fā)展幾十年，自20世紀(jì)80年代中國引進(jìn)EsrthVision，三維建模技術(shù)也在中國發(fā)展了30多年，尤其這幾年全景地圖，虛擬現(xiàn)實，物聯(lián)網(wǎng)等高科技應(yīng)用到建筑領(lǐng)域，更是為三維建模的應(yīng)用打開了另一片天地，目前來說三維建模軟件有很多，本文將詳細(xì)描述利用3dmax的建模技術(shù)實現(xiàn)隧道建模的工作流程。

1 虛擬隧道建模準(zhǔn)備工作

1.1 相關(guān)軟件的介紹

（1）平面繪圖軟件AutoCAD

AutoCAD[1]誕生于1982年，以其簡便快捷的操作和強(qiáng)大的繪圖功能被廣泛地應(yīng)用于土木建筑、機(jī)械制造等領(lǐng)域。AutoCAD的存在也使得三維制作更加的快捷，更加地貼近現(xiàn)實。在隧道建模的制作中AutoCAD主要被用來處理平面施工圖紙，為三維制作提供底圖和參考。

（2）平面圖像處理軟件Photoshop

Photoshop[1]是平常我們應(yīng)用最為廣泛的圖像處理軟件之一，在隧道建模中被用來處理與隧道相關(guān)的模型貼圖。

（3）三維制作軟件3Dmax

3Dmax[2]是Autodesk公司出品的一款優(yōu)秀的三維動畫制作和渲染軟件，以其強(qiáng)大的三維制作功能被廣泛地應(yīng)用于建筑設(shè)計、可視化仿真、影視特效、動畫設(shè)計、游戲、VR、AR等領(lǐng)域。在諸多領(lǐng)域都曾取得了輝煌的成績。3Dmax也是這次建模的核心軟件，主要被用來完成隧道建模、材質(zhì)，我們將在后面的章節(jié)將為大家詳細(xì)講述隧道建模中涉及的3Dmax技術(shù)要領(lǐng)。

1.2 硬件設(shè)施的配置

隧道建模所涉及的三維場景大，模型復(fù)雜，工序流程煩瑣。其制作需要一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，否則將可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰帶來不必要的重復(fù)性工作，所以計算機(jī)硬件設(shè)施在建模的制作中顯得非常重要。根據(jù)已有的制作經(jīng)驗和官方數(shù)據(jù)，在這里推薦一組相對可靠的配置：

（1）操作系統(tǒng)可選用Windows7，Windows xp的兼容性和速度雖然不錯但是很多軟件的插件已經(jīng)不再針對Windows xp進(jìn)行開發(fā)。

（2）主板建議大家使用S2466或者是TYAN的S2462。

（3）CPU影響3Dmax的制作和渲染速度，推薦大家使用AMD公司的Athlon系列CPU，當(dāng)然大家可以根據(jù)實際情況配置多個CPU以增加工作效率。

（4）顯卡也是影響3dmax正常運(yùn)行的重要因素，因為我們的隧道建模場景是有成千上萬個面組成的，如此一來電腦對場景進(jìn)行處理就需要相當(dāng)長的時間。為節(jié)省時間提高速度，建議采用3D Labs的wildcat系列，這款顯卡是專門針對三維軟件開發(fā)的。

（5）關(guān)于內(nèi)存建議前期制作至少選用2GB，后期制作最少選用4GB。

1.3 建模注意事項

隧道建模雖然說需要建造的模型不是太多，不過所有模型要是隨便放在一起的話還是比較冗雜的，所以建造過程要細(xì)心，建模需要注意的點[3]：

（1）在隧道建模的過程中我們一定要確定一個坐標(biāo)，以原點為基準(zhǔn)，將隧道模型歸零，有助于減少3dmax軟件運(yùn)行內(nèi)存，更重要的是如果導(dǎo)入隧道模型，導(dǎo)入后隧道模型位置可能不在預(yù)定的位置，有時候隧道模型會定位在很遠(yuǎn)，歸零有助于快速找到隧道模型。同時有助于編輯隧道模型。

（2）統(tǒng)一單位。此隧道模型單位統(tǒng)一為cm，避免導(dǎo)入文件或者文件合并時模型出現(xiàn)各種各樣的問題。

（3）材質(zhì)命名 在建模的時候，一個模型做好要隨便選一個顏色附上材質(zhì)，不過必須明確命名，名字不能和其他材質(zhì)重復(fù)，名字一樣的材質(zhì)通過塌陷命令塌陷到一塊，否則后期處理非常麻煩。

（4）條理清晰 建模時候劃分好模塊，明確每個模塊需要制造的元素

1.4 隧道相關(guān)數(shù)據(jù)的采集整理

隧道數(shù)據(jù)的采集大體分為兩個部分。一個是隧道的建筑數(shù)據(jù)包括隧道斷面的大小和面積、道路、隧道山體的分布區(qū)域。主要體現(xiàn)在cad圖紙（dwg格式）上 ，可以通過向建設(shè)方詢問一張規(guī)劃圖或者自己去隧道現(xiàn)場測量，主要測量隧道的仰拱半徑、拱部半徑、中線高度、隧道凈空、洞口尺寸、附屬建筑物等，做出一張1：1的cad地形圖和一張1：1的cad隧道斷面圖。第二部分是材質(zhì)的獲取，建模完成以后需要對模型進(jìn)行處理，包括樹木、地磚、隧道內(nèi)襯、隧道外圍、路面等通過拍攝照片獲得相關(guān)資料[4]。

2 虛擬隧道建模

3dmax常用的建模技術(shù)有二維轉(zhuǎn)三維建模，二維和二維用放樣命令生成三維建模，三維和三維用布爾命令生成三維模型，將模型轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形進(jìn)行點、線、面的編輯等，隧道建模我們可以選擇用標(biāo)準(zhǔn)多邊形進(jìn)行點、線、面的編輯，這種方法不僅快捷簡單，生成的模型內(nèi)存占用量也比較小。隧道建模數(shù)據(jù)比較多，我們可以按照如圖1隧道建模流程圖所示，快速建模。

2.1 隧道底圖建模

把事先準(zhǔn)備好的cad隧道地形圖紙（dwg格式）導(dǎo)入3dmax，找到公路部分，用線命令沿著公路部分形成一個閉合的四邊形，運(yùn)用擠出命令擠出相應(yīng)的高度，在進(jìn)行路面貼圖，最后把缺少的路標(biāo)、路欄桿、綠化帶等附屬物運(yùn)用3dmax平面建模工具構(gòu)建出來，然后一一貼圖，公路建模基本完成。

山坡建模也是在cad圖紙中找到山體覆蓋區(qū)域，先把山體覆蓋區(qū)域擠出一個平面，線命令中添加適量的線段形成網(wǎng)格狀的平面，選中利用點命令的軟選擇，調(diào)節(jié)衰減、收縮、膨脹值即可做出一個山坡，只是數(shù)值不是太精確，適當(dāng)調(diào)試數(shù)值不會偏離太多。最后進(jìn)行貼圖，山體建模完成[5]。

2.2 隧道構(gòu)筑物建模

隧道墻體構(gòu)筑也比較簡單，準(zhǔn)備工作我們已經(jīng)把隧道的斷面圖畫出來了，只需要把斷面圖導(dǎo)入3dmax，內(nèi)襯和墻體分別擠出然后旋轉(zhuǎn)90°，隧道大體都生成了，只需要把紅綠燈，排風(fēng)扇，隧道內(nèi)壁標(biāo)志物分別用標(biāo)準(zhǔn)基本體、擴(kuò)展基本體、復(fù)合對象、基本幾何圖形、可編輯樣條線、可編輯多邊形、面片建模、可編輯網(wǎng)格、NURBS建模以及基于多邊形的石墨建模工具和運(yùn)用動力學(xué)的建模等方法可完成隧道建模，單個模型完成后分別貼圖，歸類塌陷。隧道建模完成。 隧道構(gòu)筑物模型如圖3

2.3 樹木建模

如果使用3dmax的AEC 擴(kuò)展路面的植物直接進(jìn)行創(chuàng)建樹木，因為樹木的數(shù)量一般比較多，成千上萬的樹木模型占用的電腦內(nèi)存還是比較大的，所以我們選擇另一種方法，還是貼圖，這個比較簡單利用視覺錯覺，只需要兩個樹木大小的面板交叉90放置固定位置，面板貼上用ps處理過的（黑白顏色）樹的圖片，放到模型之中就能達(dá)到預(yù)期三維效果[6]。還能節(jié)省好多內(nèi)存。

3 虛擬隧道建模后期優(yōu)化

上面我們利用3dmax實現(xiàn)了虛擬隧道場景，為了避免后面我們在瀏覽的時候出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，我們現(xiàn)在做一個優(yōu)化工作，在不影響虛擬隧道觀看效果的情況下對3dmax文件的大小進(jìn)行優(yōu)化[7]。

（1）把材質(zhì)一樣的模型用塌陷命令全部塌陷成一個整體，占用內(nèi)存不會變，但后期使用整改的話比較方便，一目了然。

（2）把多余的面去掉，隧道模型的創(chuàng)建是一個多面體，現(xiàn)在我們可以在面選擇把我們能看到的留下，內(nèi)部和下面都可以刪除，包括道路和附屬物等都可以優(yōu)化。

（3）在一些細(xì)節(jié)的地方，瓷磚、路牌、路欄桿等地方不需要過多的創(chuàng)建模型，直接貼圖即可，不過圖片必須現(xiàn)場拍攝并經(jīng)過ps處理成合適的大小顏色，這樣不僅看起來更逼真，更是大大縮小模型所占內(nèi)存。

4 結(jié)語

3Dmax提供了強(qiáng)大的建模工具例如標(biāo)準(zhǔn)基本體、擴(kuò)展基本體、復(fù)合對象、基本幾何圖形、可編輯樣條線、可編輯多邊形、面片建模、可編輯網(wǎng)格、NURBS建模以及基于多邊形的石墨建模工具和運(yùn)用動力學(xué)的建模等，通過這些建模工具的綜合使用并配合3Dmax眾多的修改器我們就可以做出自然界中存在的大多數(shù)模型。本文基于3dmax構(gòu)建了隧道模型，詳細(xì)地介紹了模型構(gòu)建的準(zhǔn)備工作，如何構(gòu)建模型以及后期處理工作，同樣該操作步驟也可應(yīng)用于其他的關(guān)于3dmax的建模工作，如校園建模，室內(nèi)建模，小區(qū)建模等，實現(xiàn)對各種建筑物的建模。

參考文獻(xiàn)：

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[3]呂藝生，田競，王俊杰，張勝瑜，亞森·買買提.3DMax軟件在建筑工程施工中的應(yīng)用[J].項目管理技術(shù)，2018，16（03）：125-128.

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[8]郭亞丹，趙楠.基于3ds MAX的校園虛擬現(xiàn)實三維場景的建模方法初探[J].信息通信，2015（05）：11.