林遠(yuǎn)

摘 要：隨著虛擬城市、虛擬旅游、虛擬建造等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)的迅速崛起，傳統(tǒng)的三維建模方式已無(wú)法滿足大批量場(chǎng)景建模的需求。文章通過對(duì)虛擬場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集、建模流程和模型優(yōu)化深入研究，提出一種基于SketchUp平臺(tái)快速、高效的建模方法，旨在為大型復(fù)雜虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：SketchUp；虛擬場(chǎng)景；數(shù)據(jù)采集；建模流程；模型優(yōu)化

檢 索：www.artdesign.org.cn

中圖分類號(hào)：J504；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1008-2832（2014）07-0086-03

Rapid Modeling of Virtual Scene Based on SketchUp

LIN？Yuan

（Concord？University？College？Fujian？Normal？University，F(xiàn)uzhou？350108，China）

Abstract ：With the rapid rise of the virtual city， virtual tours， virtual construction and other virtual reality designs， the traditional three-dimensional modeling has been unable to meet the needs of high-volume modeling. This paper has a indepth research on virtual scene data acquisition， modeling process as well as model optimization， and come up with a rapid and efficient modeling method based on SketchUp， aiming to provide reference for the construction of largescale and complex virtual scenes.

Key words ：SketchUp； virtual scene； data acquisition； modeling process； model optimization

Internet ：www.artdesign.org.cn

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域，虛擬城市、虛擬社區(qū)、虛擬展館、虛擬旅游、虛擬建造等應(yīng)運(yùn)而生。場(chǎng)景建模作為虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)，以其直觀、逼真等特點(diǎn)倍受推崇。然而，傳統(tǒng)的建模方式無(wú)論在模型精度還是工作效率上都已經(jīng)無(wú)法滿足大批量建模的需求，如何快速、高效地創(chuàng)建場(chǎng)景模型已成為虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)急需解決的課題。

一、SketchUp建模平臺(tái)的選擇

SketchUp是目前為數(shù)不多的直接面向設(shè)計(jì)過程的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1.界面簡(jiǎn)潔友好，功能精簡(jiǎn)高效，沒有其它三維軟件的復(fù)雜性，能夠輕松進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、施工輸出以及漫游交互。

2.可以直觀地在屏幕上設(shè)計(jì)構(gòu)思，并隨著思路的拓展，不斷增加模型細(xì)節(jié)，同時(shí)可以依據(jù)方案設(shè)計(jì)各個(gè)階段特點(diǎn)，快速生成各種形式的三維作品。

3.采用多邊形建模方式，生成模型極為精簡(jiǎn)，可直接賦予表面材質(zhì)，并可生成2D配景，形成手繪淡彩效果，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與表現(xiàn)一體化。

4.可以直接以場(chǎng)景頁(yè)面作為關(guān)鍵楨，利用場(chǎng)景轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的頁(yè)面漸變過度畫面，生成漫游動(dòng)畫并實(shí)時(shí)展示。

5.能夠與Google Earth無(wú)縫銜接，隨時(shí)在Google Earth虛擬環(huán)境中瀏覽和展示設(shè)計(jì)方案，方便檢查設(shè)計(jì)過程中存在問題與缺陷。

6.海量在線3D模型庫(kù)可供三維場(chǎng)景直接調(diào)用，極大減少基礎(chǔ)建模的繁復(fù)勞動(dòng)，提高工作效率。

二、場(chǎng)景數(shù)據(jù)的采集與處理

虛擬場(chǎng)景是建立在真實(shí)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，場(chǎng)景數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到場(chǎng)景構(gòu)建的質(zhì)量，場(chǎng)景數(shù)據(jù)主要包括地形數(shù)據(jù)、地物數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。

（一）地形數(shù)據(jù)

虛擬場(chǎng)景地形數(shù)據(jù)可以依托于Google Earth衛(wèi)星影像。Google Earth衛(wèi)星數(shù)據(jù)屬于Quickbird圖像數(shù)據(jù)，其解析度最高可達(dá)幾米。衛(wèi)星影像高解析度保證了地面的公共資源、環(huán)境、空間與地貌深層次地應(yīng)用，為虛擬場(chǎng)景地形、地貌提供了詳細(xì)、豐富的影像信息。

（二）地物數(shù)據(jù)

地物幾何數(shù)據(jù)可以通過實(shí)地測(cè)量、高分辨率衛(wèi)星影像及已有規(guī)劃圖等多種途徑獲取，包括地物長(zhǎng)寬高以及各部分空間數(shù)據(jù)，尤其是地物高程數(shù)據(jù)至關(guān)重要。高程數(shù)據(jù)獲取有多種方法，其中利用全站儀測(cè)出平距和傾角通過數(shù)學(xué)公式計(jì)算高程的方法較為簡(jiǎn)易，且精度較高。對(duì)于精度要求較低的高程數(shù)據(jù)可在SketchUp中導(dǎo)入Google Earth二維影像并校準(zhǔn)太陽(yáng)方位角，同時(shí)調(diào)整地物三維模型陰影使其與二維影像陰影完全重合，以此量取高程。無(wú)法觀測(cè)的地物可通過多角度數(shù)碼相機(jī)拍攝，依據(jù)參照物比例進(jìn)行估算高程。

（三）紋理數(shù)據(jù)

通過數(shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝可以獲取地物紋理貼圖以及建筑細(xì)節(jié)圖片，對(duì)模型后期貼圖和細(xì)部表現(xiàn)極為重要，其數(shù)據(jù)質(zhì)量直接決定場(chǎng)景的仿真度和體驗(yàn)效果。拍攝時(shí)，參數(shù)設(shè)置應(yīng)保持一致，尤其是像素設(shè)置應(yīng)滿足貼圖要求，盡可能地對(duì)地物有一個(gè)綜合性的描述。采集的紋理數(shù)據(jù)往往還需要進(jìn)行數(shù)字處理，以適合模型貼圖的精度及細(xì)節(jié)要求。此外，還可以搜取Google Earth街景照片和互聯(lián)網(wǎng)上相關(guān)地物圖片。

三、模型創(chuàng)建的流程與方法

虛擬場(chǎng)景模型主要包括地形模型、建筑模型和附屬地物模型。建筑模型往往是虛擬場(chǎng)景的重要組成部分，是模型創(chuàng)建的重點(diǎn)。endprint

（一）地形模型

SketchUp建模平臺(tái)可以通過“添加位置”命令或工具，直接從Google Earth獲取較高精度的二維和三維影像地形，并可以對(duì)三維地形模型進(jìn)行編輯、貼圖等操作。此外，也可以導(dǎo)入地形等高線，運(yùn)用“沙盒”工具快速創(chuàng)建地形模型。

（二）建筑模型

虛擬場(chǎng)景中的建筑模型主要采用幾何建模方式，細(xì)部結(jié)構(gòu)以圖片代替實(shí)體建模。

1.生成建筑平面。首先導(dǎo)入Google Earth衛(wèi)星影像，并以二維形式顯示地圖，為場(chǎng)景建模提供精確的坐標(biāo)和參考。設(shè)置視圖為頂視圖作為平面參照，以SketchUp繪圖工具繪制輪廓并自動(dòng)閉合生成建筑平面，平面輪廓勾畫應(yīng)與衛(wèi)星正射影像相吻合。為便于觀察，可通過“X光模式”，透過表面觀察、編輯模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.創(chuàng)建初步模型。主要是墻體和屋面部分，墻體模型以地基平面為準(zhǔn)，利用“推拉”工具拉升地基平面，生成精確墻體。拉升時(shí)，可輸入相應(yīng)的高度值。斜屋面模型可先移動(dòng)建筑平面至墻體頂部，畫出屋脊線，然后再垂直移動(dòng)屋脊線至相應(yīng)高度生成屋面。最后將建好各個(gè)組件進(jìn)行拼接，形成初步模型。

3.細(xì)化模型結(jié)構(gòu)。要真實(shí)地再現(xiàn)建筑原貌，必須對(duì)初步模型進(jìn)行細(xì)化，突出細(xì)部結(jié)構(gòu)?？上韧ㄟ^“虛顯隱藏物體”命令，顯示墻體隱藏邊線，再對(duì)其中一個(gè)墻面以“推拉”工具制作門窗組件，再利用陣列命令應(yīng)用到需要開門窗的墻面位置。走廊造型可先繪制走廊地面，拉升地面至相應(yīng)高度，刪除不需要的面片即可。在較復(fù)雜模型中，樓梯可簡(jiǎn)化為大致斜面，以圖片代替臺(tái)階實(shí)體細(xì)節(jié)。

4.賦予材質(zhì)紋理。為真實(shí)地反映客觀環(huán)境，需要對(duì)場(chǎng)景幾何模型進(jìn)行紋理映射。建筑紋理包括側(cè)面和頂面兩個(gè)部分，頂面的紋理可以從高分辨率衛(wèi)星影像提取，進(jìn)行紋理映射。在SketchUp中，可以方便地導(dǎo)入實(shí)地拍攝的圖像文件，對(duì)幾何體表面自動(dòng)識(shí)別映射。紋理貼圖有三種方法：普通貼圖、包裹貼圖和投影貼圖。貼圖時(shí)，應(yīng)依據(jù)建筑造型采用相應(yīng)的方式，曲面建筑可采用投影貼圖方式。

（三）附屬地物模型

附屬地物包括基礎(chǔ)設(shè)施和其它地物，此類模型應(yīng)盡可能做到精簡(jiǎn)。

1.基礎(chǔ)設(shè)施。道路、綠地等基礎(chǔ)設(shè)施可依據(jù)Google Earth衛(wèi)星影像，以“直線”和“圓弧”工具勾畫道路、綠地等輪廓并封面，再把地形切換至三維模式，利用沙盒工具“曲面投射”命令把道路、綠地等平面投射到地面，使之與地形坡度吻合，最后匹配道路、綠地紋理。

2.其它地物。人物等其它地物可采用照片匹配方式建模，通常以2D形式呈現(xiàn)，以減少場(chǎng)景模型的負(fù)載。可先導(dǎo)入人物等地物圖片并炸開，使其與地面保持垂直并處于XZ軸平面，利用“直線”工具勾畫人物等地物輪廓及細(xì)部結(jié)構(gòu)，再以“橡皮”工具擦除輪廓以外的圖像，同時(shí)按住Shift鍵擦除輪廓線，最后調(diào)整人物等地物大小至正常比例并創(chuàng)建組件，勾選“總是面向相機(jī)”選項(xiàng)，以使組件始終面向觀者。

四、場(chǎng)景模型的精簡(jiǎn)與優(yōu)化

為減少模型的數(shù)據(jù)量，最大限度保證虛擬場(chǎng)景的流暢運(yùn)行，必須對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。具體方法如下：

1.以相應(yīng)的紋理圖片代替精細(xì)建模，簡(jiǎn)化模型的創(chuàng)建過程，降低實(shí)體模型的復(fù)雜程度，同時(shí)可以輕易模擬出真實(shí)細(xì)節(jié)。

2.通過SketchUp“模型信息”面板清除建模過程產(chǎn)生的共面線以及未使用的材質(zhì)、組件、圖層、樣式等冗余物件，大型場(chǎng)景還可以通過SketchUp提供Ruby腳本進(jìn)行快速清理。

3.減少模型生成的面片數(shù)，簡(jiǎn)化重復(fù)構(gòu)件，及時(shí)刪除視窗中不可見的面或?qū)ο?，以達(dá)到簡(jiǎn)化場(chǎng)景幾何圖形的目的。

4.運(yùn)用組件簡(jiǎn)化重復(fù)形體，減少場(chǎng)景模型的運(yùn)算量，提高虛擬場(chǎng)景的運(yùn)行效率。

綜上，SketchUp平臺(tái)集操作簡(jiǎn)單、建?？焖?、貼圖方便以及模型精簡(jiǎn)等優(yōu)勢(shì)于一身，克服了傳統(tǒng)建模方式的諸多不足，其獨(dú)有的2D配景技術(shù)、豐富的插件資源和海量的3D模型庫(kù)都為大型場(chǎng)景構(gòu)建提供了有力的技術(shù)保障?；赟ketchUp平臺(tái)的建模與優(yōu)化方法能夠快速、 高效、低成本地構(gòu)建三維場(chǎng)景模型，有效降低系統(tǒng)資源占用，減少場(chǎng)景渲染時(shí)間，便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和場(chǎng)景展示，同時(shí)還可以在Google Earth中實(shí)時(shí)預(yù)覽，實(shí)現(xiàn)快速漫游，是海量建模的首選。

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