浅谈三维建模技术在数字北海地理地理空间框架建设中的应用.docx
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浅谈三维建模技术在数字北海地理地理空间框架建设中的应用
浅谈三维建模技术在数字北海地理地理空间框架建设中的应用
陶衡
(广西航空遥感测绘院广西南宁530023)
【摘 要】 “三维数字城市建设”是数字北海地理空间框架建设的子项目之一,内容包括三维矢量数据采集、纹理采集、建模。
本文将就这些内容的具体工作方法、技术规范,结合工作实例进行探讨与说明。
【关键词】 三维矢量数据纹理采集建模3DSMaxPhotoshop
1引言
当前,数字城市的研究和实践正在广泛开展。
经国家建设部批准,北海市成为建设部“十五”重大科技项目“城市数字化综合应用”的示范城市。
在“数字北海”地理空间框架建设项目中,包含了“三维数字城市建设”子项目,基于3DSMax的三维建模技术在其中得到了广泛的应用。
2前期准备
城市三维建模是一项庞大的工程,如果前期工作准备不充分,会对后期的建模工作产生极大地影响。
首先应明确三维场景制作的作业技术路线。
基于vrmap软件平台制作三维场景的工艺流程如下图所示:
从流程图可以看出,前期工作主要有三个步骤:
2.1用已有DEM、DOM数据生成地表模型
将已有的DOM贴到已生成的数字高程模型DEM上,生成地表模型。
2.2三维矢量楼房数据采集
三维矢量楼房数据可以利用已有的影像数据和空三加密成果,在数字摄影测量工作站JX—4中创建立体模型进行采集。
采集过程要注意以下几点要求:
1)所有建筑物楼房采集数据均为面状封闭体。
2)所有数据不可以有交叉、打结、回折,如下图所示:
3)同一建筑物楼房进行分段采集或者楼房和楼房之间连接时必须是3维捕捉,不可以有悬挂节点。
4)弧形的面状采集时,应采集尽量少的节点,点与点之间的距离尽量一致(等分);
5)火柴盒式/平顶的建筑物按矩形采集,两节点之间不能有多余的点。
通过立体像对,我们可以对一部分结构规则的建筑的总体结构有一个准确、直观的认识。
这一类建筑的结构是“垂直式”的,即顶面结构与底面结构是基本一致的,一般是老式的居民房或小区住宅楼,对于这一类建筑,直接对其顶面进行矢量采集就可以反映出它的整体结构。
需要注意的是一部分高楼不是单一的“垂直式”建筑,而是有底座结构和各种附属结构,例如百货商场,这时候需要采集多个矩形面才能反映出该建筑的整体结构。
除了“垂直式”的建筑,还有结构复杂的城市大型建筑如星级酒店、别墅群,该类建筑的特点是顶面有许多装饰性的结构,在立体像对中,装饰性的顶部结构遮挡了建筑的本体结构,或者由于建筑本身的高度较高,利用立体像对很难看清建筑侧面的一些突出结构。
对于这一类建筑,可以在取得纹理数据(即建筑物外观的实景相片)后,通过相片判断建筑结构,再进行建筑物的矢量采集。
结构规则的简单楼房,可直接沿屋顶采集
有底座的高楼,需要采集多个矩形面
顶部有装饰结构的楼房,楼房主体已经被遮挡,此时可以选择采集底部结构
这间酒店正门还有许多结构,在立体像对中难以看清,需要配合相片判断结构
将采集好的数据导出*.dxf格式的二维、三维矢量数据各一份,整理入库。
三维矢量楼房数据采集成果(部分)
2.3纹理及地名采集
纹理及地名采集是前期准备工作极其重要的一环,目的是为了能让建模人员通过建筑的实景照片判读建筑结构,更准确地把握建筑结构,同时通过对照片的处理进行建模的贴面工作。
2.3.1采集流程
1)拍摄负责人在调绘片上划分区块,并制订拍照计划,将拍摄区域分为多个区块。
2)确认拍摄方位和路名:
将区块图与地图核对,确认拍摄区域方位和路名及查看公交。
3)外出素材拍摄:
拍照、绘制平面图、填写素材记录单。
4)拍摄资料整理:
要标注每个建筑的拍照方向。
(当时记录清楚不用再整理)。
5)整理素材记录单:
字迹要工整,易于辨认。
6)整理照片:
每个实体(不一定是建筑也可能是绿化,路口,雕塑等)对应一个目录,目录名称与实体名称和素材记录单里的实体名称对应。
7)提交照片、素材记录单和平面图。
2.3.2建筑采集标准
1)上能见天,下能到地,左右要留空;高大建筑角度不够,需在远处对建筑进行拍照,在近处照片需左右上下相接重叠。
2)对于同一建筑用一张照片无法拍摄完全的,不能表现建筑的高、矮、长、短的,照片之间需要有重叠部分进行首尾相连,以便表现出建筑的风格。
3)拍摄的时候要使相机镜头与建筑实体之间尽量避免不需要的杂物,如汽车、行人、电线、衣物等等。
尤其是实体上的广告牌,不能让杂物遮档住字面和画面。
4)拍照要做到先整体后局部。
如果拍摄距离允许要尽可能做到一张照片拍摄建筑的一个面,这样便于建模人员理解和处理照片。
拍摄时应注意照片的连续性,所以常应用顺时针或逆时针的拍摄顺序,不能出现跳跃性的拍照。
5)尽量将相机视线垂直于要拍摄的面。
注意相机视角与拍摄面的夹角不能小于50度。
6)对建筑实体进行拍摄的时候,必须反应出建筑的整体结构,不能出现部分建筑结构漏拍。
对于杂乱无章及无法进入内部的建筑,尽量获取其顶视照片(配合立体像对),并且要沿四周进行整体拍照。
7)建筑为两层(不包括两层)以下的如配电房,垃圾房等小型建筑视情况省略。
对于小区同一类型风格、高矮相同、颜色相同的建筑,只需拍摄一幢即可,不过至少要有一张能体现多幢建筑样式风格相同的照片;有门面的建筑就算是建筑风格样式完全和内部或临近的建筑一样,也一定要单独做为一个实体进行拍摄,重点表现门面,同时标注与那个楼结构一样。
8)正拆迁与建筑的区域:
(1)可只将拆迁范围准确标记,不须每个建筑拍摄;需记录名称。
(2)在建区域,需收集工程效果图和cad资料,空地除外。
9)内部建筑完全杂乱无章的建筑群体,尽量拍摄该区域的顶视照片,并对典型建筑取样拍摄;若民房区整齐或比较整齐的,对典型建筑取样拍摄,单个独立的建筑就一个个采集;若单个建筑密集度高的区域,以一排为一个单位画实体,备注写明一排共几幢;对建筑样式不一样的也需区别对待,绝对不能共用实体和照片。
10)建筑形状较复杂的,需多角度的进行拍摄,并标注照片的拍摄方向,所有建筑的照片要反映整体结构,且具备细节纹理。
11)拍摄门店时范围要完整,不要过小。
门店必须拍摄清晰,门店的相片尽量不要有人、车等太多的杂物。
3三维建模
建模需要用到的软件主要是Photoshop、AutoCAD、3DSMax,Photoshop主要用于贴图的制作,AutoCAD主要用于对采集数据的预处理。
3DSMax是Autodesk开发的基于PC系统的三维动画渲染和制作软件,集三维建模、动画制作、渲染为一体。
广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、游戏及工程可视化等领域。
下面我们就来探讨使用3DSMax建模的过程。
3.1单位设置
首先要进行单位的设置,我们使用的是VRMap平台,平台的默认单位是米,3DSMax模型导入平台后会转换成平台的默认单位,因此在3DSMax中设置的单位可以使用默认单位“英寸”。
需要注意的是每个建模人员所建的每个模型都必须使用统一的单位,否则导入平台后就会出现模型大小不一的问题。
3.2建模过程
(1)将cad线导入max软件:
将三维矢量楼房数据(*.dxf)转换成dwg格式导入3DSMax中。
(2)复制一份要制作建筑的cad线,定位其坐标为(0,0),保持其高程不变。
这么做的原因是:
采集的矢量楼房坐标离3DSMax的原点坐标非常远,由于3DSMax中对坐标记录的位数限制,偏离原心过远会出现捕捉、切割等命令的不精确,从而模型中会产生废点线面,所以需在原点附近制作模型,完成制作后再移动至准确的地理位置。
(3)将已经移至(0,0)点的建筑cad线,目测旋正。
(4)用三维矢量楼房数据的高程减去地面高程,得到建筑的高度。
将建筑cad线降至此高度,此时建筑cad线的高程为建筑本身的高度。
注意:
将建筑cad线移至原点附近才可进行此步骤,避免先降高程再移动cad线。
(5)在3DSMax主界面中转到顶视图,按照cad线重描出二维闭合图形,该图形的坐标为(0,0,0)。
由于三维矢量楼房数据采集的矩形面并不完全正交,新画出的二维图形要使其正交化,各点要横平竖直(除圆弧外观的建筑)。
输入各坐标的数值可以很方便的改变图形的坐标和高程
注意:
按照cad线重描的原因是直接对cad线进行各种操作可能会导致3DSMax出现难以预料的软件错误。
(6)挤压绘制出的二维图形,成为三维物体,挤压高度与步骤(4)的cad线高程相同。
挤压完成后将三维物体转换为可编辑多边形。
用面挤压出的立体,高度与三维矢量数据的高程契合
(7)使用可编辑多边形的模型结构修改功能,视不同的建筑结构做出修改。
完成模型制作。
可以在模型主体上对其它结构进行挤出操作后再修改,但挤压面过多容易造成模型结构线错误,因此最好采用对多个结构分别进行建模,最后再进行拼接的建模方法。
(8)对照片进行图像处理,修正,使用的软件是Photoshop。
处理照片是建模过程中最花时间的工作,一个复杂模型的建模过程中,处理照片的工作量往往比模型制作的工作量还要大很多,因此,拍摄照片的好坏程度以及Photoshop操作的熟练程度,就直接决定了建模的速度和质量。
(9)将照片处理成多张矩形贴图后,就可以给模型附材质贴图了。
(10)模型完成后导出3ds格式文件。
建模过程要注意一些细节规范,可以养成良好的建模习惯,同时可以令模型既美观又精简。
具体的细节规范如下:
a.模型按实际尺寸建模,场景模型的位置要与实际的地理位置保持一致。
b.直径0.5米以内的小于半圆的弧形(如半圆阳台或顶棚,见下图),段数为3或4,更大的(如半圆楼体)为5段。
c.直径0.1-0.5米以内的圆柱体(如立柱),段数为6,更小的为3或4段(如铁杆或钢丝)。
更大的不能超过16段(如柱体的楼)。
d.在画长的beizel曲线时,点与点之间不要太密,尽量均匀,段数为2-3。
e.直径0.2米以内的1/4圆,段数为2,直径1米以内的1/4圆,段数为3,像楼体大小的1/4圆,段数为5。
f.当两个物体的面比较接近时,物体的厚度不应太小,否则会出现图象忽闪的现象。
g.如遇两模型各种相接情况的模型,如水平相接或地面相接等,将看不见的接触面删除,保证没有共面、相距太近的面和看不见的面。
提交模型中无用的点、线要移除掉。
所有的点必须焊接。
红色的面应该删除
h.如用布尔、形体合并或切面时,将无用边缘多出的点焊接或移除掉。
图中红色点为无用节点,应将其移除
i.没有破面和不合理的面出现。
没有重叠在一起的面,若重面会出现闪烁现象。
j.当背面纹理没有时,可和前面的纹理相似,但符合现实情况。
贴图中应注意的细节和规范如下:
a.VRMap只认jpg、bmp、avi格式的贴图。
b.贴图象素大小为2的n次方,正方形或长方形均可。
表现内容真实,有层次贴图大小最好不要超过1024*768,除非比较重要的图,一般不要超过此上限。
c.贴图名不要超过8个字符(英文一个字母算一个字符,中文一个字算两个字符)。
命名规则:
建模人员名字缩写+日期(年月日)代码+贴图序号
说明:
其中年的表示用26个字母(a代表01,b代表02,c代表03,以此类推)
2001年
a
2002年
b
2003年
c
2004年
d
2005年
e
2006年
f
2007年
g
2008年
h
2009年
i
2010年
j
2011年
k
2012年
l
2013年
m
2014年
n
2015年
o
2016年
p
2017年
q
2018年
r
2019年
s
2020年
t
2021年
u
2022
v
2023
w
2024
x
2025
y
2026
z
月的表示用“abcdefghijkl”12个字母
1月
2月
3月
4月
5月
6月
7月
8月
9月
10月
11月
12月
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
日的表示用数字即可
例如:
建模人员名字缩写为th,日期为2010年7月28日,该建模人员今天处理的第一张贴图就命名为thjg01.jpg。
d.为保证贴图清晰,大的面不要用一张贴图。
将大的面折分,分别赋上材质。
e.有透视角度的照片处理贴图时,要去除透视角度,做到横平竖直。
f.照片中有其他混乱的物体时(人、车、植物、电线杆、电线等),在模型贴图中全部处理干净。
g.对于相临两个面的贴图要做到对齐窗缝、门缝、砖缝等。
不合格的贴图,窗缝和砖缝错开
h.保持贴图的真实性,最大可能的吻合于照片,不得擅自篡改。
不能有半个窗,半个门等不合理的贴图。
i.为保证贴图表现真实,每张做完的贴图要经过亮度/对比度,色相饱和度,色阶等图像调整。
3.3提交模型成果
提交的内容:
模型文件(max文件、3ds文件)和贴图文件
要求与说明:
1)同一批的所有建筑模型在同一场景里(一个max文件)且贴图和max文件在同一目录中。
2)模型和贴图符合建模规范要求。
4导入平台浏览
建模工作完成后,将地表数据和模型文件(3ds文件)导入平台。
效果如图:
5结束语
三维建模是一项操作性很高的工作,建模人员在建模过程中会使用不同的操作进行建模。
尽管操作各异,但建模人员都遵循一定的流程,参照严格的规范,这样才能保证了最终导入平台浏览的模型真实、美观,保证整个项目顺利地进行。
【参考文献】
[1]石磊、宋振波.模型制作实例教程.2004年
[2]宋振波.模型规范与标准.2009年
[3]徐健.照片采集培训.2009年
[4]李绍勇.3dmax范例导航.北京,清华大学出版社:
2007年
[5]刘东飞、李春林.3dmax白金手册.北京,清华大学出版社:
2007年
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- 浅谈 三维 建模 技术 数字 北海 地理 空间 框架 建设 中的 应用