魏翔，彭清山

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

虛擬城市建筑模型快速構(gòu)建方法研究

魏翔?，彭清山

(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430022)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬城市作為數(shù)字城市的重要組成部分也得到了快速發(fā)展。而虛擬城市建設(shè)的主要內(nèi)容就是大量城市三維模型的構(gòu)建，因此如何提高建模效率一直是虛擬城市建設(shè)者努力的方向之一。本文提出了一種基于二維數(shù)據(jù)的建筑模型快速構(gòu)建方法，在利用程序自動(dòng)化建模方面做了嘗試。

虛擬城市；建筑模型；快速構(gòu)建

1 引 言

隨著城市快速發(fā)展，人們對(duì)全面了解和認(rèn)識(shí)城市的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的地圖、影像和視頻等信息媒體已經(jīng)不能滿足人們更高層次的要求，而虛擬城市的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題，它可以將整個(gè)城市用虛擬現(xiàn)實(shí)的方式展現(xiàn)到人們面前，甚至還可以追溯城市歷史，推演城市變遷過(guò)程。

所謂虛擬城市是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存貯技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用3S技術(shù)、遙測(cè)、仿真－虛擬技術(shù)等對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類型的三維描述，用于模擬和表達(dá)城市地形地貌、城市道路、建筑、交通、水域等城市環(huán)境中的現(xiàn)象和過(guò)程[1]。虛擬城市是對(duì)真實(shí)城市的數(shù)字化三維重現(xiàn)，其重點(diǎn)在于城市三維模型的構(gòu)建。而對(duì)于一個(gè)城市而言，建筑數(shù)量往往多達(dá)幾十萬(wàn)棟，進(jìn)行如此大規(guī)模的建筑模型構(gòu)建，工作量十分巨大，因此，尋求一種快速高效的建模方法是虛擬城市建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2 建模方法

目前，建筑模型構(gòu)建方法主要有三種:①通過(guò)二維數(shù)據(jù)結(jié)合高度屬性進(jìn)行建模。②通過(guò)影像建立立體像對(duì)獲取三維數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。③通過(guò)三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接進(jìn)行三維重構(gòu)。其中第一種方法是直接利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，而后兩種方法都需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)。

在城市的發(fā)展建設(shè)過(guò)程中，城市規(guī)劃和測(cè)量單位積累了十分豐富的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，充分利用這些已有的二維數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，是當(dāng)前一種比較經(jīng)濟(jì)可行的建模方法。

本文以二維數(shù)據(jù)與其高度屬性值作為建模數(shù)據(jù)源，使用3ds Max腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的快速建模程序自動(dòng)完成簡(jiǎn)單模型的創(chuàng)建和貼圖，最后可根據(jù)需要對(duì)模型進(jìn)行檢查和整飾，具體建模過(guò)程如圖1所示。

圖1 快速建模流程

3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

3.1 二維數(shù)據(jù)

二維數(shù)據(jù)通常包括GIS、地圖和CAD等平面圖形數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)精確測(cè)量和定位，可以作為三維建模時(shí)的底線圖。由于這些平面圖形數(shù)據(jù)中還存在一些誤差或錯(cuò)誤，因此，首先需要對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，以保證二維數(shù)據(jù)的合理性和正確性。例如，一棟建筑的邊界線應(yīng)該是一條連續(xù)且閉合的曲線，不應(yīng)該出現(xiàn)交叉或重疊的情況。本文在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，將建筑圖形數(shù)據(jù)定義為一組依次記錄各個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)值的坐標(biāo)串，以便在3ds Max軟件中能夠準(zhǔn)確的還原出建筑邊界線。

3.2 屬性數(shù)據(jù)

建筑屬性數(shù)據(jù)主要來(lái)自測(cè)量、調(diào)查以及其他文件資料，對(duì)于建模相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)主要包括表1所示數(shù)據(jù)。

建筑屬性數(shù)據(jù) 表1

建筑ID是每棟建筑的唯一標(biāo)識(shí)符，用來(lái)關(guān)聯(lián)其圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及模型數(shù)據(jù)。建筑樓層數(shù)據(jù)必須提供，通過(guò)貼圖方法，將反映出建筑模型層數(shù)特征，同時(shí)，如果無(wú)法提供正確的建筑房頂和基地高程，那么建筑高度將由樓層數(shù)乘以單層高度推算得出。房頂類型可根據(jù)城市建筑特色選取特征房頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，例如:平頂、雙坡屋頂和帶女兒墻的平頂?shù)?。由于建筑表面材質(zhì)和基調(diào)色各不相同，所以應(yīng)分別區(qū)分為幾類，然后以建筑表現(xiàn)出的主要材質(zhì)和顏色進(jìn)行歸類，如建筑表面材質(zhì)可分為磚墻、瓷磚、石材、玻璃幕墻等，建筑基調(diào)色分為白、灰、黃、紅、藍(lán)等。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文本中也包括以上屬性信息，建筑ID和樓層數(shù)是必須要準(zhǔn)確提供的數(shù)據(jù)，其他屬性數(shù)據(jù)如果不能提供，則以默認(rèn)值作為其屬性值。

3.3 紋理數(shù)據(jù)

(1)由圖片素材制作紋理

城市建筑中的大部分墻面、門、窗的樣式和顏色都比較固定，具有一定的相似性。因此，可以從已有的圖片素材庫(kù)中選取符合要求的圖片，再進(jìn)行加工處理后，制作成自己需要的紋理，如圖2所示。這種方法制作速度快、紋理分辨率高，圖像清晰美觀并且可以多次重復(fù)使用。

圖2 由圖片素材制作的紋理

(2)由實(shí)際照片提取紋理

如果需要體現(xiàn)模型的真實(shí)性，那么就需要從建筑物照片中提取紋理。但是，實(shí)際拍攝的照片受拍攝角度的限制，照片大多是以透視角度成像的，如圖3所示，而貼圖需要的是正射紋理，因此需要對(duì)照片進(jìn)行糾正處理。另外受光影和其他物體遮擋的影響，還要對(duì)照片進(jìn)行裁切、修補(bǔ)和色彩還原等處理，才能完成紋理制作，如圖4所示。這種方法制作的紋理體現(xiàn)了較強(qiáng)的真實(shí)感，但拍照和紋理制作將消耗較長(zhǎng)工作時(shí)間。

圖3 實(shí)際拍攝的照片

圖4 由實(shí)際照片提取的紋理

4 建模流程

4.1 動(dòng)建模方法

在3ds Max中，通過(guò)程序讀取帶有建筑屬性值和建筑邊界線頂點(diǎn)坐標(biāo)值的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件定義為txt格式，文件中一行數(shù)據(jù)表示一個(gè)建筑模型，每個(gè)建筑模型的數(shù)據(jù)之間以“；”分割。

主要腳本代碼如下:

獲取數(shù)據(jù)后，即可由頂點(diǎn)坐標(biāo)值創(chuàng)建出建筑邊界線，形成閉合曲線，然后根據(jù)基底高程和房頂高程獲得建筑高度，通過(guò)Extrude方法擠出模型體，最后，根據(jù)建筑屬性值為模型賦予材質(zhì)紋理。

4.2 默認(rèn)貼圖方法

建模過(guò)程中，程序會(huì)根據(jù)屬性數(shù)據(jù)中提供的信息，自動(dòng)完成模型貼圖。一般情況下，對(duì)于一個(gè)建筑模型的貼圖是以“面”貼圖方式進(jìn)行的，如圖5所示，在垂直方向上，以建筑的樓層數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，有多少層結(jié)構(gòu)，就將貼圖的重復(fù)次數(shù)調(diào)整為多少次，以垂直方向上的窗戶數(shù)量表現(xiàn)樓層數(shù)。而在水平方向上，將建筑模型立面區(qū)分為建筑縱墻(沿建筑物長(zhǎng)軸方向布置的墻)和山墻(沿建筑物短軸方向布置的墻)，在模型縱墻墻面上，根據(jù)面的大小確定貼圖樣式和次數(shù)，較大的面上貼圖的窗戶數(shù)量也較多。而在山墻面上，一般不設(shè)置窗戶，以墻面紋理為主，當(dāng)山墻面較大時(shí)，可設(shè)置一列窗戶或兩列窗戶。

主要腳本代碼如下:

以上代碼將完成建筑模型一個(gè)立面的自動(dòng)貼圖，如圖6所示，依次循環(huán)選擇建筑模型的各個(gè)立面，即可完成整個(gè)建筑的默認(rèn)貼圖。

圖5 “面”貼圖方式

圖6 模型立面自動(dòng)貼圖

4.3 人工整飾

建筑模型雖然可以自動(dòng)完成建模和貼圖過(guò)程，但是貼圖樣式比較單一，缺乏真實(shí)感。如圖7所示的模型就是利用程序自動(dòng)完成貼圖后的模型，如果該建筑是普通居民住宅或工廠倉(cāng)庫(kù)等建筑，只要求能夠反映出建筑體和基本色調(diào)，那么可以通過(guò)這樣的簡(jiǎn)單模型來(lái)表示。而如果該建筑是重要建筑或臨街建筑，這樣的效果顯然不能滿足虛擬城市的建設(shè)需要，因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行人工整飾，通過(guò)調(diào)換紋理樣式和顏色，或用照片紋理替換默認(rèn)紋理的方法來(lái)增加模型真實(shí)感。圖8所示的模型就是經(jīng)過(guò)人工整飾后，賦予照片紋理后的模型效果。

圖7 程序自動(dòng)完成的模型

圖8 人工整飾后的模型

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，虛擬城市的建設(shè)正處于起步階段，其方法和技術(shù)也在試驗(yàn)和探索中。根據(jù)用戶需求的不同，三維模型的構(gòu)建方法也各不相同，但是，快速高效、真實(shí)美觀、精簡(jiǎn)平衡是所有建模工作者努力的方向。本文以提高建模效率為目的，提出了基于二維數(shù)據(jù)的建筑模型快速構(gòu)建方法，這是在利用程序自動(dòng)化建模方面做的初步研究。借鑒這種思路，還可以將程序建模方法逐步推廣到水系、道路、植被、景觀小品等其他模型的快速建模方面。

[1] 劉曉艷，林琿，張宏.虛擬城市建設(shè)原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社，2004

[2] 王華.3ds MAXScript腳本語(yǔ)言完全學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].兵器工業(yè)出版社，2006

[3] [美]Kelly L.Murdock，田玉敏，沈金河譯.3ds Max8寶典[M].北京:人民郵電出版社，2007

[4] 孫家廣，楊長(zhǎng)貴.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社，1998

[5] 鄔倫，劉瑜，張晶等.地理信息系統(tǒng)——原理、方法和應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2006

Research on Rapid Modeling Method for Architectural Model of Virtual City

Wei Xiang，Peng QingShan
(Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China)

With the development of virtual reality technology，virtual city that is an important component of digital city has obtained fast development.The main work of virtual city is to construct a large number of 3D models，so how to improve the efficiency is always one of hard efforts of virtual city construction.This paper provides a rapid modeling method based on 2D data to construct architectural model of virtual city，and presents an automatic modeling technology using computer program.

virtual city；architectural model；rapid modeling

1672－8262(2010)06－23－03

P208

B

2010—01—27

魏翔(1980—)，男，工程師，主要從事虛擬城市的建設(shè)與研究工作。