CityEngine導(dǎo)出OBJ模型變形原因分析與解決方法

魏遠(yuǎn)航 朱錢洪 李曉俊

摘要：CityEngine在高效迅速生成大規(guī)模三維場景模型方面具有較大的技術(shù)優(yōu)勢，然而在建模完成后導(dǎo)出為obj模型常發(fā)生扭曲變形的情況。本文從OBJ模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲的角度進(jìn)行分析，探究其形成原因并提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：CityEngine，obj，扭曲變形

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）18-00010-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

CityEngine建模是一種基于規(guī)則的快速三維建模方法，能調(diào)用建筑物底面矢量數(shù)據(jù)中屬性字段，進(jìn)行程序批量快速建模，充分利用了已有的數(shù)據(jù)，同時(shí)提高了效率，為大場景三維建模提供了一種新的方法[1-3]。CityEngine高效迅速生成大場景模型的秘訣是其采用了CGA語言（Computer Generated Architec-ture）作為設(shè)計(jì)語言，通過預(yù)定義各類規(guī)則并將其賦予對應(yīng)的矢量面，迅速生成模型。這種批量建模技術(shù)非常適合對模型本身精細(xì)度要求不高但場景很大的工作（如規(guī)劃三維效果展示）。

OBJ文件是一種標(biāo)準(zhǔn)的3D模型文件格式，很適合用于3D軟件模型之間的互導(dǎo)，作為一種文本文件格式，采用單純的字典狀結(jié)構(gòu)，易于存儲[4-5]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)Citven-gine建模完成后導(dǎo)出為obj模型發(fā)生扭曲變形的情況，在其他三維平臺（如3Dmax）無法正常顯示。這對于Cityengine建模的后續(xù)分析和應(yīng)用造成了困難。本文擬從OBJ模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲的角度進(jìn)行分析，探究其形成原因并提出相應(yīng)的解決方案。

2 OBJ模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

OBJ模型文件是Alias公司開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)三維模型文件格式[6]，主流的軟件平臺（如Maya、3D max）一般都支持OBJ格式。OBJ模型以文本文件存儲，構(gòu)成模型的點(diǎn)、矢量、模型坐標(biāo)是明碼標(biāo)記，非常利用用戶對其進(jìn)行查看和編輯。

OBJ模型文件一般包括obj文件和mtl文件組成，mtl是材質(zhì)索引庫文件，本文不作討論。Obj文件是由一行行的文本構(gòu)成，可以隨意加入空行和注釋行[7-9]。有效內(nèi)容部分由關(guān)鍵字（Key-word）開頭，關(guān)鍵字標(biāo)記了該行的含義和作用[10]。obj常用的關(guān)鍵字及含義如下所示。

3 變形原因分析

使用規(guī)則文件在Cityengine中構(gòu)建的模型以及導(dǎo)出的obj模型對比如圖1所示（左側(cè)為obj模型，右側(cè)為cityengine軟件顯示模型），對比兩者可以發(fā)現(xiàn)obj模型變形較為嚴(yán)重，幾乎所有面都發(fā)生不同程度的變形，進(jìn)一步分析可知：（1）變形的方向在于平面方向，垂直方向幾乎沒有發(fā)生位移;（2）貼圖的方向都屬正常，面的朝向大致也正常。

根據(jù)上文對obj文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的剖析，貼圖方向和面朝向正?？梢耘袛鄓n、vt、f參數(shù)應(yīng)該屬于正常，變形的方向可以初步判斷v參數(shù)的x和z值可能存在問題。為了進(jìn)一步分析其頂點(diǎn)坐標(biāo)值存在的誤差，檢查了obj文件中存在變形的某一面的頂點(diǎn)坐標(biāo)的情況，如下所示。

# mesh 'cut_mesh_2from geometry ' cut_mesh_2'

v 35614275.632 341.446 -3221109.749

v 35614275.632 345.446 -3221109.749

v 35614281.306 341.446 -3221111.697

v 35614281.306 345.446 -3221111.697

#4 vertices

vt 0.0000 0.0000

vt l.0000 0.0000

vt l.0000 1.0000

vt 0.0000 1.0000

#4 texture coordinates

g cut_mesh_2

s off

usemtl CityEngineMaterial_4

f 43/33 45/34 46/35 44/36

#1 face

所選分析面是obj模型中屋頂部分，從obj模型的側(cè)視圖可以看出該面為不規(guī)則四邊形，而從obj文件頂點(diǎn)坐標(biāo)來看屬于矩形，坐標(biāo)值與模型顯示效果明顯不符合（如圖2所示）。因此可以判斷obj文件中頂點(diǎn)坐標(biāo)值是正確的，扭曲的原因應(yīng)當(dāng)發(fā)生在軟件讀取或顯示的過程中。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，obj文件頂點(diǎn)坐標(biāo)值是以float類型讀寫的，而obj文件是以文本文件存儲的，理論上可以存儲double型的數(shù)值。上文中的v參數(shù)中x坐標(biāo)值繼承了Cityengine中底面矢量數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)系x值（double類型）。由于float類型最大只能保留7位有效數(shù)字，而平面x坐標(biāo)整數(shù)位有8位，y坐標(biāo)整數(shù)位有7位，因此在讀寫時(shí)精度必然受到損失。

4 解決方案及驗(yàn)證

在三維GIS研究和工作中，不可避免的會使用到高斯平面坐標(biāo)等數(shù)值較大的底面矢量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上使用Cityengine生成模型通常都會遇到變形扭曲的問題。經(jīng)過上文分析，發(fā)現(xiàn)扭曲變形的主要原因是位數(shù)較大的x、z軸坐標(biāo)值，而v值（對應(yīng)于高程）一般整數(shù)不超過4位數(shù)，不存在變形問題。

本文提出兩種解決方法解決上述問題：（1）在建模前對矢量文件進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為不加代號坐標(biāo)，即可將精度至少提升到小數(shù)位后1位，滿足一般的建模精度;（2）在建模前將矢量中心平移至坐標(biāo)0點(diǎn)，建模后反向平移，精度至少提升至厘米級，但建模范圍大致必須在以中心點(diǎn)lOkm范圍內(nèi)。

將建模前建筑物地面矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由Xian_1980_3_Degree_GK_20ne_35轉(zhuǎn)換為Xian_1980_3_De-gree_GK_CM_105E，同步將矢量數(shù)據(jù)平移至坐標(biāo)0點(diǎn)，將兩者分別導(dǎo)入Cityengine進(jìn)行規(guī)則建模，導(dǎo)出的obj模型如下所示。

通過最終導(dǎo)出obj模型效果的對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種解決方案得到的obj模型均不存在明顯變形扭曲，但是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法在細(xì)節(jié)處依然存在輕微的變形，這是由于平面坐標(biāo)只能精確到小數(shù)點(diǎn)后1位導(dǎo)致的，而將矢量平移至0點(diǎn)的方法則不存在任何變形問題，精度較高。5總結(jié)

Obj模型具有文件組織結(jié)構(gòu)簡單，易于存儲的特點(diǎn)，是三維模型的通用格式之一，非常利于軟件平臺之間的銜接，然而對于三維GIS應(yīng)用，特別是大場景的模型構(gòu)建存在坐標(biāo)讀寫精度的缺陷。測繪行業(yè)的高斯平面坐標(biāo)一般都是數(shù)位較高的雙精度值，對于obj單精度讀寫的特性會產(chǎn)生頂點(diǎn)坐標(biāo)精度降低，模型扭曲變形的風(fēng)險(xiǎn)，本質(zhì)上是由傳統(tǒng)三維建模行業(yè)和測繪行業(yè)研究對象差異引起的。

本文對于上述問題提出了兩種解決方案，第一種方法操作簡單但是精度略低，第二種方法精度高但操作步驟更復(fù)雜，很好地解決了Cityengine導(dǎo)出模型扭曲變形的問題。近年來，三維建模以及三維空間分析技術(shù)快速發(fā)展，對于三維模型數(shù)據(jù)通用性提出了更高的要求，作者也期待在測繪行業(yè)盡早形成相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)規(guī)范，以促進(jìn)三維技術(shù)應(yīng)用更快的發(fā)展。 參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

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作者簡介：魏遠(yuǎn)航（1989-），男，重慶人，助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)槿S建模和無人機(jī)遙感。