基于3ds Max的半?yún)?shù)化隧道快速建模研究

王亞軍，鄒崢嶸，趙瑩瑩

（1.中南大學(xué)，長沙 410083；2.長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，長沙 410007）

隨著城市地下空間管理逐漸向三維化、信息化轉(zhuǎn)變，越來越多的城市地下空間建（構(gòu)）筑物需要在管理平臺中以三維方式進行展示[1]。根據(jù)管理需求，一般地下停車場或者地下室只需建立簡單的盒狀模型便可滿足需求，對于地鐵線路、公路隧道等重點地下空間建（構(gòu)）筑物則需要建立真實的三維模型[2]。

目前對于地鐵線路、公路隧道等管狀地下建（構(gòu)）筑物通常有2種方式表達：簡單統(tǒng)一紋理貼圖管狀模型和BIM參數(shù)化模型[3]。簡單統(tǒng)一貼圖的管狀模型與實際模型差別較大，統(tǒng)一的紋理貼圖也顯得不夠真實；BIM參數(shù)化建模雖然能詳細(xì)表達構(gòu)筑物主體及各個構(gòu)建細(xì)節(jié)，但是需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，模型成果也具有龐大的數(shù)據(jù)量，通常用于項目施工等精細(xì)化管理平臺[4]，對于只需進行展示和管理的地下空間綜合信息管理平臺來講有些多余。為了獲取真實模型而采用傳統(tǒng)的手工分段建模方式，會導(dǎo)致建模效率異常低下，不符合實際生產(chǎn)。因此通常看到的地下空間綜合信息管理平臺里的隧道模型是紋理單一的管狀模型，并沒有很多細(xì)節(jié)表達[5]。

為了在建模效率和紋理真實性之間找到一個合適的平衡點，本文探討并給出一種基于中心線和橫截面進行“半?yún)?shù)化”快速建模的方法[6]。

1 隧道建模

建模需收集隧道的設(shè)計、竣工資料或激光點云掃描數(shù)據(jù)等，提取隧道的中心線、橫截面（內(nèi)外橫截面），以及其他相關(guān)的構(gòu)筑物的尺寸信息，隧道紋理則在拍攝照片中提取。用中心線和橫截面為特征要素進行放樣建模，然后進行批量紋理貼圖、渲染，形成最終的隧道模型。模型的精度、效果與中心線、橫截面形態(tài)息息相關(guān)，中心線的空間形態(tài)和橫截面的尺寸直接決定了最終模型空間的位置和大小。因此獲取位置準(zhǔn)確的中心線和精準(zhǔn)尺寸的橫截面是建模的重點。其建模流程如圖1所示。

圖1 半?yún)?shù)化建模流程圖

1.1 中心線提取

中心線的提取通過竣工資料進行。實測的竣工資料中，包含了隧道空間位置、橫截面尺寸等信息。為方便調(diào)整模型位置，應(yīng)按照路面高程提取中心線。提取后的中心線按裝飾面板寬度進行等距離折線化，方便批量紋理貼圖。

中心線的提取有2個關(guān)鍵點：中心線等距離折線化和中心線三維空間位置的確定。對中心線等距離折線化是為了在放樣模型上形成一個個寬度相等的面，利用這些等寬面可實現(xiàn)批量貼圖；確定中心線三維空間位置是為了使放樣后的模型具有準(zhǔn)確的空間位置。

常用的軟件一般沒有提供等距離折線化工具，需進行二次開發(fā)來實現(xiàn)對中心線的等距離折線化。建模時中心線及橫截面提取是在清華山維EPS2016版平臺軟件中完成的，軟件中介紹一種巧妙的方式對中心線進行等距離折線化，無需進行二次開發(fā)。

在清華山維EPS軟件“線路測量”臺面中提供了中線里程標(biāo)注功能，利用此功能可在中心線上按照指定距離繪制垂直于中心線的線段（后稱1線）。線段繪制完成后，把中心線平行復(fù)制并封閉成面（后稱2面），利用EPS里的面批量分割功能，用1線將2面分割成整齊排列的多邊形；使用節(jié)點抽稀功能，將多邊形抽稀成四邊形；然后將所有四邊形合并成一個新的2面，刪除2面其他邊，保留原始中心線那側(cè)邊線，即得到等距離折線化后的中心線。如圖2和圖3所示分別是等距離折線化前后的中心線。

圖2 未等距離折線化的中心線

圖3 等距離折線化后的中心線

提取的中心線經(jīng)過等距折線化后并無高程信息，如果逐點進行人工編輯添加高程值工作量巨大且效率低下?？⒐べY料中通常利用高程點來描述路面高程信息，利用清華山維EPS2016版“地模處理”功能將這些高程點構(gòu)建成路面高程格網(wǎng)；使用“立體測圖”中的“利用DEM恢復(fù)高程”功能，可快速將路面高程格網(wǎng)的高程信息賦值給中心線，獲得具有準(zhǔn)確三維位置的中心線。

1.2 橫截面提取

隧道的橫截面需根據(jù)實際尺寸提取，包括內(nèi)橫截面和外橫截面。提取橫截面時，要根據(jù)隧道內(nèi)部紋理特征適當(dāng)增加點位分割線段，預(yù)留如白實線、排水溝、頂燈帶、疏散平臺和裝飾面板紋理分割線等位置。同時，隧道不同位置的橫截面點數(shù)、點列方向、閉合位置需一致。圖4中提取橫截面時內(nèi)截面均為25個點，外橫截面均為19個點，點列順序均為順時針，閉合位置均在左下角。

圖4 橫截面點位預(yù)留分割圖

竣工資料中包含了隧道中各個分段橫截面尺寸信息的示意圖，但其并未標(biāo)注白實線、燈帶、裝飾面板分割線的位置信息，這些位置信息需要在現(xiàn)場拍攝紋理時測量獲取，以在提取、處理橫截面時預(yù)留這些特征地物的分割點位。另外，竣工資料一般只有內(nèi)橫截面尺寸圖，而隧道的外橫截面尺寸圖只能通過設(shè)計資料或者墻體厚度來確定。

當(dāng)隧道的橫截面尺寸發(fā)生變化時，隧道不同位置會有不同的橫截面。為了保證隧道放樣時平滑過渡，該段隧道放樣時利用A、B橫截面分別作為起終點橫截面，A與B要求具有相同的點數(shù)、點列方向和閉合位置。由圖5可知，橫截面A與B雖然在尺寸上有差異，但其內(nèi)橫截面點數(shù)均為27，外橫截面點數(shù)均為19，內(nèi)外橫截面點列方向均為順時針方向，點列閉合位置均在左下角。

圖5 不同位置隧道橫截面圖

1.3 主體放樣

3ds Max在復(fù)合體建模工具集里面提供了一種強大的建模方式——放樣，即可通過路徑（中心線）和形狀（橫截面）創(chuàng)建隧道主體模型。

放樣之前，將中心線轉(zhuǎn)為可編輯樣條線，焊接所有重復(fù)點并轉(zhuǎn)換為角點；將內(nèi)外橫截面附加在一起，同時轉(zhuǎn)換為可編輯樣條線。放樣時，將其主體結(jié)構(gòu)蒙皮參數(shù)設(shè)置為“封口”“四邊形的邊”“步數(shù)為0”。同一個中心線對應(yīng)多個橫截面的主體，可通過“路徑參數(shù)”來設(shè)置中心線不同位置（百分比/距離）的橫截面，以控制模型的橫截面過渡。放樣完成后，以三維捕捉方式移動模型使模型地面高程與中心線高程一致。主體結(jié)構(gòu)放樣模型如圖6所示。

圖6 主體結(jié)構(gòu)放樣模型

1.4 批量貼圖

創(chuàng)建的隧道模型通常具有成千上萬個面，普通貼圖方式無法完成，需利用UVW貼圖中“面”的方式進行批量貼圖。貼圖之前對隧道不同紋理類型進行模板化，各類型模板紋理利用調(diào)色軟件進行自身紋理接邊，使其批量貼圖自然過渡，模板化紋理見表1。

表1 模板化紋理表

貼圖時模型需轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形，利用面選擇工具中的“按角度、收縮、擴大、環(huán)形、循環(huán)”等功能批量選擇不同紋理類型面，并按照UVW貼圖“面”的方式進行批量貼圖。

貼圖時根據(jù)模型視覺效果適當(dāng)調(diào)整模板紋理的對比度、亮度和飽和度等參數(shù)，使其紋理表達更加真實、自然。由于重復(fù)貼圖在細(xì)節(jié)表達上依舊不夠真實，完成模型貼圖后還需要放置場景燈光進行貼圖渲染，通過渲染改變紋理的亮度，使模型在動態(tài)瀏覽時體現(xiàn)隧道內(nèi)部的明暗光影效果，有效提升模型的真實性[7]。隧道模型內(nèi)部瀏覽效果如圖7所示。

圖7 隧道內(nèi)部瀏覽圖

1.5 附屬設(shè)施建模

通過放樣方式建立的三維模型只是隧道的主體結(jié)構(gòu)，為在三維平臺中準(zhǔn)確表達出通風(fēng)口、消防設(shè)施、電力和連接通道等附屬設(shè)施，還需要收集相關(guān)附屬設(shè)施的測量成果，例如位置、大小、尺寸和外觀紋理等數(shù)據(jù)，利用手工建模的方式進行創(chuàng)建，使整體模型更加真實。

2 建模效率分析

以中心線和橫截面為特征要素，采用3ds Max放樣的方式進行“半?yún)?shù)化”建模，后期模型貼圖通過模板紋理進行批量操作。在建模效率上，只與中心線和橫截面提取數(shù)量相關(guān)，與建模的長度、體量并無直接關(guān)聯(lián)。以文中隧道建模為例，該隧道總長度為7.24 km，共有2條主線和4條匝道，隧道結(jié)構(gòu)略為復(fù)雜。該隧道提取中心線10段，提取橫截面32處，處理模板紋理6個，附屬設(shè)施建模4類，實際建模耗時見表2。

表2 半?yún)?shù)化建模耗時統(tǒng)計表

傳統(tǒng)的建模方式與建模長度和體量相關(guān)，“半?yún)?shù)化”建模方法與長度和體量無關(guān)，從表2可以看出，利用該建模方法，4 d即可完成總長度為7.24 km較復(fù)雜的隧道建模，與傳統(tǒng)手工建模需要時間相比，較大幅度提高了建模效率。如果隧道結(jié)構(gòu)單一，可在1d內(nèi)完成建模。

3 結(jié)束語

“半?yún)?shù)化”建模方式在建模效率和紋理真實性上做到了一定的平衡，實現(xiàn)了隧道類的建（構(gòu)）筑物高效、真實的建模。該建模方式使得隧道模型紋理能獲得對真實的表達，同時建模效率得到大幅提升，避免了為追求建模效率而采用簡單統(tǒng)一紋理貼圖的管狀建模方式，在生產(chǎn)作業(yè)中具有較高的實用性。

另一方面，“半?yún)?shù)化”建模方式，在中心線、橫截面提取和后期模型位置調(diào)整上有一定的工作量，無法實現(xiàn)全自動高效建模。未來隨著軟硬件技術(shù)的進步，利用快速獲取的建（構(gòu)）筑物彩色密集點云，通過AI算法全自動、高效創(chuàng)建具有真實紋理的三維模型，這將是未來一個潛在的發(fā)展方向[7]。