3Ds Max與Sketch Up聯(lián)合三維建模方法

陳富強 王彥良 王一凡 王必成 馮艷順 王艷華

(1. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪地理信息院, 河南 鄭州 450006;2. 鄭州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院, 河南 鄭州 450053)

0 引言

近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)逐漸替代了二維GIS,成了目前GIS領(lǐng)域中的研究熱點[1]。三維GIS通過計算機將真實世界通過地理坐標(biāo)以及遙感圖像進行數(shù)字化,在地理信息系統(tǒng)中通過三維的方式進行展現(xiàn),能夠立體、直觀的展示現(xiàn)實世界。三維建模技術(shù)通過計算機軟件進行模型的創(chuàng)建,對真實的地物進行模擬,使用戶能夠通過計算機中的三維場景直觀感受到真實世界場景,也可以通過三維模型了解當(dāng)前真實世界的建筑布局等情況[2]。就目前來看,主流的三維建模方法有三維軟件建模,傾斜攝影建模,三維(three-dimensional,3D)圖形開發(fā)平臺建模,三維激光掃描建模等方法[3]。其中三維軟件建模法主要依靠人工建模,依賴于使用者的操作能力,構(gòu)建的模型真實、美觀,是目前使用比較多的三維建模方法。目前比較常見的建模軟件有3Ds Max、Sketch Up、Auto 計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)、Solid Works等。其中3Ds Max是目前使用最為頻繁的軟件,其建模功能比較齊全,但是操作較為復(fù)雜,可以進行復(fù)雜精細(xì)的模型創(chuàng)建,需要進行較長時間的學(xué)習(xí)。Sketch Up軟件是另一款使用比較普遍的軟件,該軟件的操作比較簡便,可以進行簡單快捷的模型創(chuàng)建,比較容易上手。其中代希波等人針對如何使用Sketch Up軟件的問題做了詳細(xì)介紹[4],方明對于3Ds Max軟件的建模方法進行了研究[5],萬寶林對3Ds Max和Sketch Up的建模過程進行了對比研究[6],陳建輝等人針對3Ds Max和Sketch Up的建模方法進行了分析研究[7],都取得了很好的效果。本文通過對3Ds Max和Sketch Up軟件的研究,總結(jié)分析出兩個軟件的不同特點和優(yōu)勢,通過對兩種軟件的結(jié)合,得到一種更高效率的建模方法。

1 三維建模方法比較分析

眾多三維建模方法中,三維軟件建模法易于上手,且建模效果真實、美觀。在三維軟件建模法中,Sketch Up和3Ds Max軟件是目前使用最為頻繁的兩種軟件。

1.1 Sketch Up建模

Sketch Up軟件在模型創(chuàng)建的同時就能呈現(xiàn)設(shè)計的效果,可以在不同角度、不同比例尺情況下實時瀏覽設(shè)計效果。該軟件的界面也十分簡潔明了,只有基礎(chǔ)的幾種繪圖工具,可以通過簡單的推拉操作完成模型的創(chuàng)建,使用者可以在短時間內(nèi)熟練操作。其缺點是對于精細(xì)模型的創(chuàng)建較為困難,無法進行許多復(fù)雜的操作,只能創(chuàng)建簡單模型。

對Sketch Up在整個三維建模過程中的使用來說,Sketch Up能夠與Auto CAD直接對接,但是與SuperMap平臺對接時較為煩瑣,需要將建成的三維模型導(dǎo)入3Ds Max中并通過SuperMap插件，最終在SuperMap iDesktop中進行模型集成。

1.2 3Ds Max建模

3Ds Max軟件中提供了大量的操作功能以及多角度的視圖,使用者能夠通過不同視圖更為方便的建模。該軟件具有十分優(yōu)良的三維制作和渲染功能,其擴展性也比較好,模型的效果較為真實。但是，該軟件的界面較為復(fù)雜,操作難度較高,非專業(yè)人員很難進行流暢使用[8]。

對于3Ds Max在整個三維建模過程中的使用來說,3Ds Max能夠與多種建模軟件進行模型的交互,可以通過Auto CAD將處理過的底圖直接導(dǎo)入3Ds Max,在完成模型創(chuàng)建后,再通過SuperMap插件,將模型導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺進行自動模型集成。

1.3 Sketch Up與3Ds Max建模方法對比分析

在對兩款軟件各自的特點了解之后,可以對兩款軟件進行對比分析,如表1所示。

表1 兩款軟件的對比分析

從兩個軟件的建模流程來看,Sketch Up軟件進行建模時,需要先將模型導(dǎo)出到3Ds Max中,再使用插件才能將模型導(dǎo)入到SuperMap iDesktop平臺進行交互,過程較為煩瑣。3Ds Max軟件建模只需要在模型完成后,通過插件將模型導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺進行模型集成。

從兩個軟件的建模效果來看,Sketch Up軟件構(gòu)建的模型較為簡陋,渲染效果比較簡單,對于大多數(shù)基礎(chǔ)簡單的規(guī)則模型的構(gòu)建效果較好,對于較為復(fù)雜的精細(xì)模型構(gòu)建效果不夠好。3Ds Max軟件創(chuàng)建的模型比較精細(xì),渲染效果真實程度較高,對于簡單規(guī)則模型的創(chuàng)建效果較好,對于比較煩瑣的復(fù)雜模型構(gòu)建效果也有很高的真實程度。

從兩個軟件的建模速度來看,Sketch Up軟件的建模速度比較快,可以直接通過工具創(chuàng)建規(guī)則模型,建模效率較高,對于規(guī)則地物能較快完成創(chuàng)建。3Ds Max軟件的建模速度較慢,建模需要通過不同的工具對模型進行精細(xì)的修改,建模效率較低,對于大范圍的地物建模周期較長。

基于以上對比,對于校園內(nèi)如建筑物樓體、地面、湖泊、綠化帶等規(guī)則的地物模型,使用Sketch Up軟件對其大致輪廓進行簡要的創(chuàng)建。對于校園內(nèi)建筑的細(xì)節(jié)特征,以及教學(xué)樓室內(nèi)場景、桌椅、指示牌等不規(guī)則的精細(xì)模型，則使用3Ds Max進行重點創(chuàng)建。利用兩個軟件的優(yōu)勢聯(lián)合建模,其流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合建模流程

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

對于三維模型的創(chuàng)建,需要多種地理信息數(shù)據(jù)的支持。包括影像數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、地物特征數(shù)據(jù)等。對于這些數(shù)據(jù)的獲取與處理是構(gòu)建三維模型流程中最為重要的工作。

2.1 影像數(shù)據(jù)獲取

影像數(shù)據(jù)可以直接通過Google Earth獲取。例如，可以在Google Earth的衛(wèi)星影像中，將視角調(diào)整到鄭州師范學(xué)院校園位置,通過工具將測量區(qū)域的影像下載,在CAD中自動提取建筑物的外部輪廓,如圖2所示。

圖2 CAD圖紙與衛(wèi)星影像疊合

2.2 測量數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的獲取主要通過全站儀、鋼尺量距等技術(shù)手段,耗時耗力,獲取信息單一,效率低下。而本次測量數(shù)據(jù)采用地面三維激光掃描技術(shù)快速獲取,精度較高,信息豐富,效率極大提高。

2.3 紋理數(shù)據(jù)獲取與處理

紋理數(shù)據(jù)是通過地面三維激光掃描儀內(nèi)置高清相機自動獲取的。

在Photoshop軟件中進行紋理數(shù)據(jù)的處理,由于在模型建成后需要導(dǎo)入SuperMap iDesktop進行集成,所以紋理圖片需要符合SuperMap的要求。在紋理數(shù)據(jù)中,也有類似墻體標(biāo)語、樹木等紋理需要進行背景透明化處理,以保證模型建成后能有很好的展示效果,如圖3所示。

圖3 標(biāo)語貼圖

2.4 地物特征數(shù)據(jù)獲取

地物特征數(shù)據(jù)通過三維激光掃描點云數(shù)據(jù)自動分類及提取獲得。對于地物的整體特征,以及地物之間的相互關(guān)系特征,通過三維激光掃描儀內(nèi)置相機的高清影像獲取。

3 三維聯(lián)合建模方法研究

基于之前對于Sketch Up和3Ds Max軟件的對比分析。首先使用Sketch Up軟件對建筑物樓體、地面、湖泊等地物模型進行簡要的校模型創(chuàng)建,之后將模型導(dǎo)入到3Ds Max中,在3Ds Max中對模型進行細(xì)節(jié)添加以及室內(nèi)場景和精細(xì)模型的創(chuàng)建,并對模型進行優(yōu)化,最后將模型分批導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺進行園場景的集成。

3.1 Sketch Up簡要建模

在建模前，將Sketch Up軟件的單位設(shè)置為m,以便之后和3Ds Max進行對接。首先創(chuàng)建一個左下角坐標(biāo)與原點重合的長方形面片,將面片的長寬設(shè)置為之前測量的影像數(shù)據(jù)的對應(yīng)長寬,之后將通過Google Earth獲得的影像賦予該面片。將使用Auto CAD處理獲得的完整底圖導(dǎo)入Sketch Up中,將底圖的左下角坐標(biāo)調(diào)整到與原點對齊,并檢查底圖和影像是否對齊,保證位置準(zhǔn)確。在Sketch Up中利用軟件的直線繪制工具,對封閉線框的任意一條邊線描邊,即可將底圖線框變成面狀的二維圖形。

3.1.1室外場景構(gòu)建

首先對校園中的室外場景進行創(chuàng)建,為后期的模型提供框架定位。在創(chuàng)建地面、湖泊等二維地物時,通過對所選區(qū)域的線框描邊,就能獲得所需的面狀圖形,完成對二維地物的創(chuàng)建,如圖4所示。

(a)地面 (b)湖泊

在對山體模型進行創(chuàng)建時,可以通過軟件中的曲面起伏工具將該平面拉出山體,之后對山體上的水池以及道路模型進行添加。

3.1.2校園建筑模型構(gòu)建

之后進行建筑物樓體的建模,通過Sketch Up軟件對建筑物的大致輪廓進行創(chuàng)建,將圖形拉出立體模型后,對樓體進行簡單的模型結(jié)構(gòu)劃分。在對建筑物進行建模時,將建筑拉出高度后,使用拆分工具對樓體進行拆分。根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu),將模型的各個面,依照建筑物窗戶、墻面、空調(diào)機等的分布位置,使用拆分工具自動拆分,使建筑物各部分的輪廓在模型上劃分為相應(yīng)的格網(wǎng)。由于直接進行構(gòu)建的模型可能跟真實地物的特征有差異,在創(chuàng)建后需要結(jié)合建筑物的點云數(shù)據(jù)特征,對各部分的位置大小進行調(diào)整,達到真實的效果。之后對建筑物側(cè)面凸起或凹陷的部分,使用推拉工具推入或拉出,達到真實的效果。

在完成模型構(gòu)建后,將模型導(dǎo)出成*.3ds格式進行儲存,便于模型導(dǎo)入3Ds Max進行模型合并。

3.2 3Ds Max精細(xì)建模

打開3Ds Max軟件,將軟件單位設(shè)置為m。之后將從Sketch Up導(dǎo)出的*.3ds格式的模型文件導(dǎo)入到3Ds Max中。為防止坐標(biāo)的偏移,檢查影像圖左下角坐標(biāo)是否與原點對齊,之后開始模型的創(chuàng)建。在軟件中對建筑物的細(xì)節(jié)進行添加,對室內(nèi)場景進行構(gòu)建,以及對椅子、指示牌、樹木等精細(xì)模型進行創(chuàng)建。

3.2.1建筑模型細(xì)節(jié)添加

由于建筑物已有簡單的框架結(jié)構(gòu),只需要在3Ds Max中對樓體的細(xì)節(jié)特征進行添加即可。使用3Ds Max中的編輯工具,將需要修改的建筑物轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形,通過可編輯多邊形中面層級下的倒角、切角工具,以及其他的修改器,對建筑物的門框、屋檐、樓梯等部分的細(xì)節(jié)進行添加,使模型的真實精細(xì)程度更高。

3.2.2室內(nèi)場景模型構(gòu)建

在建模之前,需要將建筑底面復(fù)制,把室內(nèi)場景的天花板補齊,根據(jù)建筑的高度數(shù)據(jù)確定大廳高度。在對室內(nèi)場景進行創(chuàng)建時,可以通過選擇模型,在可編輯多邊形的要素層面使用法線翻轉(zhuǎn),之后在對象屬性頁面勾選背面消隱,使模型內(nèi)部能夠顯示,方便模型創(chuàng)建。然后利用對室內(nèi)場景的特征觀察以及測量數(shù)據(jù),對桌椅、花盆、顯示屏、告示牌等精細(xì)地物進行創(chuàng)建。在創(chuàng)建模型時,需要先創(chuàng)建一個近似的標(biāo)準(zhǔn)幾何體,之后通過可編輯多邊形中的擠出、倒角、插入等工具,對標(biāo)準(zhǔn)幾何體進行細(xì)節(jié)部分的修改,使模型逐步貼近真實地物特征,完成模型創(chuàng)建。在創(chuàng)建標(biāo)語、樹木等需要通過透明貼圖展現(xiàn)的模型時,對標(biāo)語可以直接創(chuàng)建平行于墻面的面片,對樹木可以創(chuàng)建兩個相互交叉且垂直于地面的平面,之后使用貼圖使其達到真實的效果。

3.2.3小型地物模型構(gòu)建

由于整個場景的室外部分較為空曠,需要對小型地物模型進行創(chuàng)建,豐富場景。對校園場景中長椅、垃圾桶、樹木等小型地物模型的創(chuàng)建方法,與室內(nèi)場景中的部分地物類似,通過可編輯多邊形中的編輯工具對已創(chuàng)建的部分室內(nèi)模型進行修改,即可完成創(chuàng)建。對于真實校園環(huán)境中數(shù)量較多的樹木、垃圾桶等地物,在布置場景時可以適當(dāng)減少模型的數(shù)量,盡量獲得最好的視覺效果,達到美化場景的目的。

3.3 模型優(yōu)化

由于較大范圍的三維模型創(chuàng)建會帶來龐大的數(shù)據(jù)量,在模型集成時會對軟件以及電腦硬件產(chǎn)生很大的壓力。為了方便三維模型在后續(xù)過程中的使用,需要對三維模型數(shù)據(jù)進行優(yōu)化,要求盡量以最少的模型實現(xiàn)最佳的展示效果。對模型進行優(yōu)化可以通過以下兩種方法實現(xiàn)：一種是通過刪除面片實現(xiàn),刪除模型中看不到的面,如建筑模型的底面或模型內(nèi)部的面可以刪除;刪除模型中相互重疊的重復(fù)面,如緊貼的墻面可刪除其中一個面。通過刪除面片的方式減少模型的多邊形數(shù),使模型得到優(yōu)化[9]；另一種是通過修改面片實現(xiàn),將模型中較為復(fù)雜的模型面片修改為較為簡化的面片,如圓柱狀模型的側(cè)面可簡化為6個面,建筑側(cè)面可簡化面片連接的直線。

3.4 校園場景集成

最后需要使三維模型能夠在GIS軟件中使用。使用3Ds Max創(chuàng)建的模型需要通過插件導(dǎo)入SuperMap iDesktop平臺。在SuperMap iDesktop軟件中新建一個文件型數(shù)據(jù)源文件,用于儲存模型數(shù)據(jù)。通過3Ds Max插件生成數(shù)據(jù)集,將模型數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集的形式導(dǎo)出到文件型數(shù)據(jù)源的udb文件中。在生成數(shù)據(jù)集頁面中,可以設(shè)置模型的經(jīng)緯度參數(shù)以及模型的紋理來源。

打開SuperMap iDesktop軟件,在軟件中打開存有模型數(shù)據(jù)的udb文件?？梢栽诠ぷ骺臻g管理器中看到打開的數(shù)據(jù)源文件,在該文件目錄下,可以看到之前分別保存的數(shù)據(jù)集。將數(shù)據(jù)集添加到新球面場景中,在圖層管理器中雙擊已添加的數(shù)據(jù)集,可以看到模型出現(xiàn)在之前設(shè)置的經(jīng)緯度坐標(biāo)。將各部分?jǐn)?shù)據(jù)集依次添加到該球面場景中,就成功地將整個三維校園模型在SuperMap iDesktop平臺中集成[10]。在軟件中可以通過球面場景內(nèi)的縮放、漫游功能進行整個校園場景的瀏覽,如圖5、圖6所示。

(a)大門場景 (b)新校區(qū)全景

(c)宿舍樓場景 (d)噴泉場景

(a)文匯樓B、C區(qū)大廳場景 (b)文匯樓A、D區(qū)大廳場景

(c)文博樓大廳場景 (d)教室場景

在軟件中也可以進行飛行路線的設(shè)置,可以使場景按照設(shè)置的路線進行場景瀏覽。在飛行管理功能下,可以進行飛行路線的添加以及管理[11]。選擇新建飛行路線,在使用過程中可以用場景相機添加站點和鼠標(biāo)拾取添加站點兩種方式添加飛行路線站點,在添加站點的過程中可以對站點的高度、傾斜角度、方位角等進行修改,在設(shè)置完所有站點后,完成對飛行路線的設(shè)置。在飛行路線設(shè)置中,也可以對站點之間的飛行速度、飛行時間進行設(shè)置,使飛行路線的瀏覽過程達到最好的展示效果。

4 結(jié)束語

本文立足于三維GIS的快速發(fā)展,對于當(dāng)前較為常用的兩種建模軟件的特點進行了比較分析,探討了3Ds Max與Sketch Up軟件結(jié)合各自優(yōu)點進行聯(lián)合建模的方法,并以校園模型為例詳述了整個建模的流程。本文成功地結(jié)合了3Ds Max軟件適合復(fù)雜精細(xì)建模的優(yōu)點以及Sketch Up軟件適合簡單規(guī)則建模的優(yōu)點,加快了整個校園模型的創(chuàng)建時間,使整個建模周期縮短。并且模型在三維GIS平臺中也具有良好的展示效果,模型真實美觀。但在整個過程中也存在著一些不足,例如對于山體模型的表現(xiàn)不夠精細(xì)。在之后的工作中，可以考慮和傾斜攝影建模相結(jié)合的可行性。