GIS中三维建模技术的方法介绍

GIS中三维建模技术的方法介绍黄尚超（广西基础地理信息中心广西南宁530023）【摘要】建模和纹理贴图是三维地理信息系统虚拟三维场景实现的基础。本文就三维建模中使用的相关软件、技术特点，并结合三维建模中有代表性的建筑物模型的建模过程为例，说明建模的过程与方法。【关键词】建模GISAutoCADPhotoshop材质3DsMax1引言地图是先于文字形成的用图解语言表达事物的工具。纸质的模拟地图是二维的静态地图。随着人们对空间感受与图形认识在数字环境条件下三维可视化的研究已经成为发展的重要特征之一。三维可视化技术使传统的二维的、静态的地图表示向三维的、动态的场景表示方向发展，利用虚拟现实技术（VR）在空间数据库支持下可以构建虚拟环境，在虚拟的数字空间中模拟真实世界中的事物，这就需要真实世界的事物在数字空间中的表示，于是催生了虚拟现实中的建模技术。虚拟现实对现实“虚拟”得到底像不像，与建模技术紧密相关。因此虚拟现实是近几年来信息发展研究的重点，实现“虚拟”的建模技术更是重中之重。众所周知，虚拟现实中模型的建模技术主要是通过AutoCAD、3dsmax、Photoshop、渲染器（VRay、Brazil）、计算机技术等相结合的产物。按照使用方式的不同，下面介绍在GIS中制作虚拟三维模型时的方法和常用的工具。2矢量图处理计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是指利用计算机的计算和图形处理功能，协助工程技术人员完成产品设计过程各阶段的工作，包括对产品进行设计、分析、修改和优化。它综合了计算机知识与工程技术知识的成果，它于1982年由美国AutoDesk公司研制和开发的通用计算机辅助绘图与设计软件，是当今工程技术设计领域广泛使用的现代化绘图工具。由于它易学、快捷、灵活方便的编辑修改功能、人性化的界面设计、高效等特点，在各个领域图形设计方面应用最广泛。使用AutoCAD可绘制并编辑基本的二维图形、三维图形。利用CAD配合3DSMax进行建模方便、快捷、有效，为了建模更加卓有成效，下面讲述建模前在CAD的基本操作。1.获取CAD图纸要找到获取要建模型的结构尺寸，例如通过大比例尺地形图、工程制图等，以上设计图是直接取得建筑物尺寸的最有效途径。2.分析CAD图看懂设计图纸，理解设计意图。这个环节是很重要的，尺寸大小如果不对，那么所作的努力就可能白费了。首先，要去熟悉图纸设计的空间尺寸，并快速地在脑海里呈现出来，然后理解空间的布局、格调、表现风格。经过构思和再交流等多个回合，形成最终方案。3.整理CAD图首先删除或通过图层隐藏不要的部份（等高线、地物符号、注记、标尺等一些辅助线），优化的图纸方便在导入3DsMax时方便操作，减少占用系统资源。优化CAD图是在计算机承载的范围内尽可能的减少建筑结构，从而减少模型的面数。省略的结构尽量用材质去表现其效果，这样会大大提高虚拟三维场景在系统中的运行速度，优化系统的性能，达到事半功倍的效果。3贴图材质Photoshop（简称PS）是美国Adobe公司开发的数字二维图像处理软件，是当今广为流行的图像设计与制作编辑工具，在制作虚拟三维场景中它主要用于模型贴图材质的制作与处理。通过外业采集回来的照片，经过PS处理后最终符合纹理贴图要求，贴图材质的好坏直接影响到整个虚拟场景效果和系统运行速度。模型最终效果好坏很大程度上取决于贴图材质视觉效果，在规定范围内适当用贴图材质去表现模型结构，这就要求有一定的美术功底。（如下图3），经过PS处理或制作后，贴在模型上将显得更真实、整洁、美观，减少了系统承载负荷。以下是处理材质的一些方法和技巧。1、材质处理材质的获取可通过实景拍照及基于照片制作的图片。我们都知道实地拍摄回来的相片大多需用PS处理后才能使用，这是因为在实地拍照过程中由于相机像素或人为因素等影响，导致照片出现倾斜、扭曲、斑点、模糊等现象。因此，三维场景让人赏心悦目清晰的材质是关键，所以我总是把全部材质USM锐化、材质去斑等处理。如果我们结合照片用PS制作同样的材质，这样的现象就不会出现了。在处理材质的时候，基于实拍照片，遵从先整体后局部的原则，首先从简单的材料开始建立基本底色材料，然后在上面添加细节材质效果。在添加细节前最好把基本材质保存起来。这样，当你需要建立相似材质的时候只要在基本材质上进行修改，对于做建筑物效果是很有用处的。完成以上过程大都是在“图层面板”里面实现的，因此要学会灵活运用图层功能。经验告诉我们，绘制不同的细节在不同的层上。比如，绘制成（如图1）材质，我们看到材质上面有窗户、门、护栏等材质。这个时候，就建一个图层，然后在这个图层里存放这些窗户，要记住一个图层放一样材质。如果你直接在原始图层上绘制这些细节材质，到时很有可能你想要修改或者擦除不合适的地方时，更加繁琐。因此，之前要是建立了相应的图层，你就可以很轻松删除或修改不需要的细节，做出你想要的效果。2、材质存储处理我们都知道图像是以很多个像素点来表示的，像素点在计算机里以一个矩形存在，是因为当材质被贴到屏幕所显示的一个3D模型上时，材质处理器必须决定哪个图素要贴在哪个像素的位置。由于材质是2D图片，而模型是3D物件，所以通常图素的范围与像素范围不会是恰好相同的，要解决这个像素的贴图问题。首先，我们在处理材质时，贴图纹理比例要适当。保存的贴图纹理尺寸最好是矩形，贴图长宽比尽量为1：1、1：2（128x128，256x512，512x1024），如果贴图实在太长或太宽，则将模型面进行分割，单独贴图。保存的贴图像素尺寸应该是2的N次方（128，256，512，1024）。在贴图清晰程度可以接受的情况下，应尽可能小。其次，贴图材质保存格式应为“*.*jpg”。3、材质处理常用工具和快捷键（1）菜单命令有新建（Ctrl+N）、拷贝/粘贴（Ctrl+C/Ctrl+V）、变换（Ctrl+T）、标尺（Ctrl+R）、参考线、曲线（Ctrl+M）、填充（Shfit+F5）、定义图案、图像大小、画布大小等。（2）窗口工具有裁切工具、矩形选框工具、渐变工具、文字工具、魔术棒工具等。（3）窗口面板有历史记录面板、图层面板、通道面板等。4建模3DSMax是Autodesk出品的一款著名3D动画软件，它是世界上应用最广泛的集三维建模、动画制作、渲染为一体的著名软件，广泛应用于游戏开发、3D影视和设计行业等众多领域。随着版本不断的升级，它的三维建模、材质编辑、环境控制、动画设计、渲染输出、后期制作等功能日趋完善，极大地提高了工作效率。首先在建模之前，先总体认识所建的模型是否会在Skyline等软件平台进行场景演示时影响系统的运行速度，应尽量避免场景模型数量过多、单个模型过于细碎、繁杂、贴图量过多（计算机承载的范围内）等。因此，在创建场景时就必须注意：1、设置3DSMax系统标准单位为“米”。2、适当简化模型结构，减少模型面数，尽可能的控制在1000面以下，有代表性巨型模型控制在4000面。3、删除看不见的面。4、尽量用贴图表现复杂模型、条状的模型，如护拦之类的材质可通过透明贴图来减少几何模型面数。5、单个模型面数在模型中两个面交替不要出现闪烁现象。6、做完一个模型模块都应转为可编辑多边形。由于3DSMax提供建模用到的工具繁多，为了提高工作效率，就必须养成良好的建模习惯。在3DSMax软件里提供了个性的自定义快捷键设置，设置自己的一套操作方式，这样工作起来才能游刃有余。常用命令及相关的设置如下：（1）自定义快捷键的设置“自定义”—“自定义用户界面”—“键盘”面板里设置。设置建模常用的工具如：挤出、UVW贴图、转化为可编辑多边形等快捷键。如图4图4（2）模型贴图方法：按下键盘中的M键，打开材质编辑器。贴图球个数一般为24个（6x4）如图5。“1——8”步骤贴图顺序操作，在步骤“3”中弹出“材质/贴图浏览器”里选择“位图”，贴完一次都要转为可编辑多边形。图5图6模型最终效果图5结束语综上所述，在笔者的工作中，这样做出的三维模型在三维GIS中，应用SkyLine软件平台上运行时真实、美观、流畅，提高了用户的沉浸感，系统运行速度得到了很大的提高。但是虚拟三维场景要想和真实世界一样缤纷多彩，这就要花更多的时间在几何建模和PS的制作处理材质上，软件平台就要求支持更多的特效，对于计算机硬件要求也就更高了。随着研究的深入，三维建模技术会得到进一步改善和提高。基于图像的建模技术就是当今虚拟现实建模技术研究的热点，它的出现极大的降低建模技术环节的门槛与成本。到时候，只要用数码相机就可以“照”一个三维模型。总的来说，虚拟现实中的三维建模技术正在向高精度、易用的方向发展。【参考文献】[1]张国权、孙全党等.AutoCAD2006中文版应用教程.北京：电子工业出版社，2007：2[2]孙启善、徐丽、张波.室外效果图完美建筑表现.北京：兵器工业出版社，2007.4：8-20[3]李自力.虚拟现实中基于图形与图像的混合建模技术[J].中国图像图形学报，2001.6[4]苗雪兰、刘瑞新.计算机图形学理论及应用技术[M].北京：机器工业出版社，2007：210-232[5]王汝传、张登银.虚拟现实中3D图形建模方法的研究[J].计算机辅助工程，2000.12（4）.25-30[6]朱庆、高玉荣、黄铎、危拥军.GIS中三维模型的设计.武汉大学学报，2003.6[7]祝国瑞.地图学.武汉：武汉大学出版社，2004.1：1-35地址：广西南宁市建政路5号邮编：530023Tel:[phone]Email:[e-mail]广西基础地理信息中心版权所有2005-2010广西基础地理信息中心制作