基于3DSMAX的城市建筑三维建模方法

肖金群
(广西壮族自治区地理信息测绘院)

  1 引言
  城市是一个地区的政治、经济和文化中心,在国民经济和社会发展进程中发挥着重要的作用。城市是一个真三维空间,这个空间中的任何事物都有三维空间信息。由此可知,传统的二维基础地理数据无法将城市空间直观形象地展示出来,所以要实现对城市空间的真实表达,更好地服务于城市规划、城市管理和房地产等各行业,构建城市三维模型十分必要。
  目前,我国大部分城市都存在大量精度高且现势性强的二维基础地理数据。此外,数字城市进程的加快,使得城市三维建模技术愈加成熟。这主要表现在两方面:一是实现三维建模的技术方法越来越多;二是支持三维建模的软件越来越多,功能也愈来愈强大。因此,研究如何充分利用城市现有的基础地理数据和三维建模技术等条件提高三维建模的效率和模型质量,这对城市三维建模项目的开展意义重大。鉴于此,本文以广西某城市城镇三维地籍数据库建筑物建模项目为基础,首先对现有的基于二维地理数据的三维建模方法进行比较分析,总结出各自的特点;然后,详细阐述利用3DSMAX软件进行建筑三维建模的工艺流程,以及建模过程中遇到的一些问题及其对应的解决措施。
  2 基于二维地理数据的三维建模方法
  目前的三维建模技术方法可分为数字摄影测量法、二维地图法和三维激光扫描法三类,以上各种方法都有自己的优缺点和适用范围。由于本文所涉及的项目是利用二维地图法进行城市建筑三维模型构建,故在此仅对二维地图法进行介绍。二维地图法主要以大比例尺地形图数据和实地拍摄的照片为基础数据,利用现有的一些三维建模软件,如Sketchup、ARCGIS 3D Analyst、3DSMAX,逼真表示建筑物的三维结构和纹理特征。该建模方法技术成熟,且能够充分利用城市现有的二维地理数据。
  当前,二维地图建模方法常用的软件主要上述三种。其中,Sketchup软件是Google公司推出的一款3D绘图软件,其操作界面简单,命令少,易学易用;而且它也可以利用Google Earth下载的影像进行三维建模。但是其构面要求高,需要构面的相邻边线必须正交,否则,所构的面会被分割成多个平面,导致模型的面数增加;所构建的模型为一个整体,无法将其拆分成多个对象,同时也无法将多个对象组合成一个对象,这在一定程度上增加了三维建模的难度,尤其是结构复杂建筑物的建模。ARCGIS 3D Analyst是ARCGIS桌面产品的三维可视化和分析扩展模块。它可以基于二维地图进行简单的三维建模,其建模的效率高,但是,构建模型的复杂度低,无法满足较精细建模的要求。而3DSMAX软件是一款功能强大的三维建模软件,其扩展性能好;快捷键多,也可以自定义快捷键,从而提高建模的效率;所构建的模型效果逼真。另外,模型构建之前无需对建筑平面图进行正交纠正,减少了建模基础数据的预处理工作量。综合考虑上述三种建模软件的优缺点,本文所提及的项目选用3DSMAX软件作为项目选定建筑的三维模型构建工具,下面详细阐述利用3DSMAX进行三维建模的技术流程及要求。
  3 基于3DSMAX的城市建筑三维建模方法
  3.1 建筑物三维建模原则和技术标准
  在三维模型构建过程中,并非事无巨细地将建筑物的所有细部结构都逼真表示,而是根据项目的实际需求和有限的人力、财力、物力等条件进行取舍与简化。因此,国内有些学者提出了一些三维模型简化与取舍的原则,如比例尺原则、简化与形象化原则、应用导向原则以及三维模型简化的特点。
  另外由于城市三维模型的数据量巨大,为了确保将所有建筑的三维模型加载到三维场景展示平台后的显示效果和漫游效果,所以,在此项目的三维模型构建中,需遵从以下几条技术标准。
  (1)一般精细模型的面数控制在500个面以内,在模型结构精细程度允许的情况下面数尽可能少,个别复杂建筑物的面数上限控制在1000个面以内。多余的线、面结构必须删除。
  (2)纹理贴图的分辨率为72DPI,品质为8。模型和材质贴图的总数据量不超过1MB,个别复杂模型总数据量可以稍微提高至2MB;贴图的像素尺寸为2n(n=1,2,3,…,10),长宽比为1:1、1:2或2:1。
  (3)一栋建筑的纹理贴图个数最多为24个,当建筑物较复杂,贴图种类超过24个,可采用将两个贴图合并的方法将贴图数控制在24以内。
  3.2 3DSMAX建模方法
  图1是本文项目利用3DSMAX软件进行三维建模的技术路线图。

图1 3DSMAX建模技术路线

  为了便于大家对3DSMAX建模数据处理流程有个详细的了解,下面将整个建模工艺流程分为6大部分进行介绍。
  1、基础数据的获取
  三维建模的基础数据包括建筑物的平面图、高度信息及实地照片。常用的获取建筑物平面数据的方法有三种:(1)从城市的大比例尺线划图中提取建筑物的平面图;(2)利用高分辨率DOM影像数据勾绘出建模建筑的平面图;(3)数字化野外测量。
  高度数据的获取有几种常用的方法:一是利用激光雷达测距仪获取建筑物的高度信息;二是从高分辨率航空影像或遥感影像中提取建筑的高度;三是按照建筑物的层数粗略的估算建筑物的高度,如假定居民楼的楼层高度为3米,医院、学校等公共服务型建筑的楼层高度为3.5-4米。
  建筑纹理是城市三维模型构建中的重要组成部分,这主要从实地拍摄的建筑照片获取。因此,所拍摄照片的质量高低决定了构建的建筑三维模型的逼真程度。为了提高实地摄影的工作效率和照片质量,在建筑照片采集过程中应注意以下几个方面:
  (1) 照片采集前,应根据已有的建筑平面数据大致了解建模建筑的整体构架。
  (2) 为了保证拍摄照片的质量,需根据日照强度选择合适的相片采集时间;
  (3) 采集过程中,为便于通过照片把握建筑的空间构架,必须按照顺时针或逆时针顺序拍摄建筑物的实体照片;同时,选择一个广阔的视角,拍摄几张建模建筑的全景照片。
  (4) 为便于建筑纹理提取,拍摄过程中必须注意拍摄角度,尽量从正面获取建筑纹理照片。
  在本文提及的三维建模项目中,选定的建模建筑的平面图大部分都从1:500大比例尺线划图数据中提取;那些没有大比例尺线划图的部分新建的建筑,则通过影像勾绘或野外实测方法获取其平面图。由于项目条件所限,所有建模建筑的高度信息均采用房屋层数粗略估计的方法获取。
  2、数据预处理
  由于建模过程中要求对单个建筑模型进行归零处理,为此,在构建建筑三维模型之前,可将建筑的平面图转换为CAD格式数据;并在CAD中将其旋转、归零,致使建筑平面图的任意一条边与坐标轴平行,任意一点与坐标原点重合。
  3、模型构建
  基础数据处理好之后,即可利用3DSMAX软件开始构建三维模型。首先将旋转、归零后的建筑平面图导入3DSMAX软件。此时,注意将模型的系统单位和显示单位均设为“米”,否则,构建的三维模型的尺寸将不正确。之后,根据建筑的平面图和实地照片,利用3DSMAX软件的“绘制样条线”和“挤出”工具构建出建筑物的三维模型。注意,对于那些如图2中所示的商居两用的复合建筑物,构建模型时可根据实体照片将其拆分成多个独立的对象分别建模,之后,再将这些对立对象的三维模型组合得到整个建筑的三维模型。这样可以降低复杂建筑的建模难度。另外,对高层建筑房顶结构进行三维建模,建筑物的实体照片可能无法拍摄到楼顶的结构,此时可参考建模区域内已有的高分辨率DOM影像数据。

图2 本文项目中的两栋商居两用建筑实体照片

  4、材质处理
  利用Photoshop软件对建筑实地照片进行处理,得到建筑物的纹理贴图。在纹理处理过程中,必须确保建筑物主要纹理,尤其是临街面的真实完整和图像清晰;而且建筑材质贴图中不能存在人、车及植物等非建筑结构的物体;纹理的尺寸要遵从模型构建技术标准;纹理名称要遵从一定的命名规则,如在本文项目中,纹理名称是以“建筑模型的编号+纹理照片序号(其中纹理照片序号用两位自然数表示)”。
  5、纹理贴图
  纹理处理好之后,即可利用3DSMAX软件的材质编辑窗对构建的三维模型进行材质贴图。至此,整个建筑的三维模型就基本完成了,如图3所示。图3中的三维模型是图2中左边那栋建筑的三维模型。

图3 本文项目的某栋建筑的三维模型

  6、模型检查
  为了确保所构建的三维模型的质量,需按照前文的技术标准对构建的三维模型进行检查。检查内容主要包括:
  (1)是否存在多余的线、面结构。
  (2)纹理贴图的尺寸是否符合标准。
  (3)模型是否能够正常打开和显示。
  (4)模型的元数据文件中的参数是否正确。
  3.3 3DSMAX建模过程中遇到的问题及解决方法
  1、模型存在多余结构
  模型存在多余结构是指模型存在多余的线或面。多余线或面结构的存在增加了模型的数据量,不利于数据在三维场景中的显示。其中多余面是最常见的问题,这是由于模型的多个对立对象之间共面造成的。其解决的方法是:将模型的底面删除,此时,从模型底部仔细检查整个三维模型,根据共面会产生闪烁现象,将两个完全重叠的面中小面删除即可。注意,在3DSMAX软件中,默认的环境光是黑色,它不利于判断模型是否存在共面现象,因此,在模型检查前,将模型的环境光调亮点。
  2、模型贴图丢失
  模型贴图丢失是指在模型打开或渲染时出现模型贴图丢失的情况。这可能是由于贴图文件名的更换或者该贴图现已经不是模型的贴图。此时可通过文件菜单下的“资源追踪”工具处理丢失的贴图文件。遇到此类问题时,需先判断丢失的贴图是否该三维模型使用的纹理贴图。若缺少的材质文件属于模型的贴图,则可通过文件菜单下的“资源追踪”命令重新加载丢失的贴图;反之,则通过“文件—>资源追踪—>在丢失的文件处点击右键,选择浏览—>在弹出的浏览图像文本框中选择‘设备’,并单击‘确定’”步骤将丢失的贴图彻底删除。
  4 结论
  通过广西某城市建筑物三维模型的制作,实现了以二维大比例尺基础地理数据和建筑物实地照片为基础构建建筑物精细模型的方法。这为今后在“数字城市”进程中,充分利用城市现有的二维基础地理数据构建三维城市景观模型提供了技术参考。

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