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基于SketchUp與CityEngine的校園標志性建筑物三維建模方法

2017-09-09 02:47:30張麗瑩段平姚永祥李佳
軟件導(dǎo)刊 2017年8期
關(guān)鍵詞:三維建模

張麗瑩+段平+姚永祥+李佳

摘 要:校園標志性建筑物在學(xué)校對外宣傳和文化交流中起到重要作用,三維建筑物模型以多視角最直觀的方式呈現(xiàn),具有全面、立體、詳盡的優(yōu)點。利用SketchUp與CityEngine三維建模軟件,以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)圖書館為例,介紹了一種三維模型制作方法。首先,采用ArcGIS軟件提取遙感影像中建筑物對象的底面邊界、屋頂類型等數(shù)據(jù),再利用拍攝影像獲取紋理等信息;然后,基于SketchUp軟件進行總體建模、拉伸、拆分、結(jié)構(gòu)細化、紋理映射;最后,利用CityEngine進行地形添加、場景構(gòu)建、模型發(fā)布。實驗表明:該方法能夠充分發(fā)揮兩款軟件的優(yōu)點,規(guī)避其不足,顯著提高建模效率,對三維校園建設(shè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞:標志性建筑物;三維建模;SketchUp;CityEngine

DOIDOI:10.11907/rjdk.172260

中圖分類號:TP317.4

文獻標識碼:A 文章編號文章編號:1672-7800(2017)008-0199-03

0 引言

校園數(shù)字化宣傳系統(tǒng)中一般包含校園典型建筑物、校園地圖等,目前多數(shù)系統(tǒng)是基于二維平面地圖開發(fā)出來的,盡管能夠詳細地描述地理空間信息,但難以滿足學(xué)校對外招生宣傳、校園管理、導(dǎo)航等多方面的需求[1]。而校園標志性建筑物三維模型是采用三維立體化的方法生成逼真的校園實景圖,能夠?qū)⑿@信息詳盡展示出來,增強校園文化競爭力,提高學(xué)校對外宣傳能力和文化交流。

SketchUp 是一款面向方案設(shè)計的三維建模軟件,它提供靈活、便捷的手繪功能,用戶不需掌握其它知識就可直接進行建模,易上手、操作方便,單個實體建模速度快[2,3];而CityEngine 的建模功能和場景構(gòu)建功能強大,建模速度快[4],地形數(shù)據(jù)建立方便,而且作為一個三維展示平臺場景發(fā)布途徑多。將兩者與GIS平臺相結(jié)合,既彌補了GIS平臺在三維建模和編輯功能上的不足,充分利用現(xiàn)有GIS 數(shù)據(jù),提高三維建模效率,又可以將建筑物三維模型與GIS平臺進行無縫集成[5],在發(fā)揮CityEngine與SketchUp在建模方面優(yōu)勢的同時,能很好地規(guī)避其不足之處。

本文采用SketchUp和CityEngine構(gòu)建校園標志性建筑物三維模型。

1 三維建模思路與方法

本文研究對象為云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)圖書館,其建筑涵蓋了規(guī)則建筑、不規(guī)則建筑以及對稱建筑,具有典型性。三維建模的整體思路是先進行總體建模,然后分層建模、分塊建模,最后再對每個層次、每一模塊進行細化,按“從大到小,從粗糙到精細,從整體到局部”的原則[6]?;赟ketchUp和CityEngine 的三維建模和發(fā)布流程見圖1。

1.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

模型構(gòu)建需要獲取對象所在區(qū)域的遙感影像、數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)、建筑底面矢量數(shù)據(jù)、建筑物表面紋理信息、建筑物高度信息[7,8]。

1.1.1 建筑底面數(shù)據(jù)獲取

建筑底面數(shù)據(jù)是首先獲取空間分辨率為0.27m的研究區(qū)域遙感影像數(shù)據(jù),然后采用ArcGIS軟件對其矢量化獲取底面矢量數(shù)據(jù),結(jié)果如圖2所示。

1.1.2 地形數(shù)據(jù)獲取

地形數(shù)據(jù)體現(xiàn)了建模區(qū)域的地貌起伏情況[9],從Google Earth下載的空間分辨率為8.67m的 DEM數(shù)據(jù),整理后的研究區(qū)域DEM如圖3所示。

1.1.3 高度信息獲取

在三維建模過程中,高度信息是必不可少的屬性。高度信息獲取的是采用測距儀獲取某一層的高度,然后乘以樓層數(shù)計算得來,用這種方法得到的高度信息存在一定的誤差,但是對于一般的可視化三維模型而言已經(jīng)足夠,而且速度快,工作量小。

1.1.4 表面紋理信息獲取

利用手工和規(guī)則建模,所建立的三維模型都只起到形體模擬的作用,這種沒有紋理的三維模型被稱作為裸模,不能從視覺上感受真實的實景三維效果,因此需要對已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型進行紋理映射[10]。表面紋理信息主要包括建筑、道路、植被等類型的圖片。采用Photoshop對拍攝的照片紋理進行透視裁剪得到需要的部分,然后進行亮度調(diào)整、圖像糾正,最后進行數(shù)據(jù)壓縮,以得到清晰美觀、數(shù)據(jù)量小的紋理信息。

1.2 三維建模方法

在獲取建筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型。借鑒結(jié)構(gòu)實體幾何模型(Constructive Solid Geometry,CSG)的建模思想,將建筑物分解為主體、屋頂、附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)件,然后逐步構(gòu)建各個構(gòu)件。

1.2.1 建筑物主體三維建模與細化

在ArcSence中將圖書館底面二維矢量數(shù)據(jù)依據(jù)height屬性將其轉(zhuǎn)為3D要素,即Multipatch格式[11],通過轉(zhuǎn)換工具“Conversion Tools-To Coverage-Feature Class To Coverage”將Multipatch數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為SketchUp可以識別處理的Collada數(shù)據(jù)格式,最后在SketchUp軟件里面導(dǎo)入Collada數(shù)據(jù)。由于在ArcSence中轉(zhuǎn)換而來的數(shù)據(jù)高度都是一致的,要利用push_pull拉伸工具,將各個樓房垂直拉伸到實際高度,通過拉伸處理生成圖書館建筑主體,如圖4(a)所示。

根據(jù)樓層數(shù)與教室數(shù),采用Spilt拆分工具對各墻面進行拆分,生成各側(cè)墻面格網(wǎng),生成墻體、門和窗原始結(jié)構(gòu),如圖4(b)所示,再次采用push_pull工具對門、窗進行推移或拉伸,生成門、窗體,如圖4(c)所示。

1.2.2 建筑物屋頂建模

建筑物一般包含屋頂,屋頂按結(jié)構(gòu)類型的不同一般分為平屋頂、坡屋頂和曲面屋頂。本文研究對象屋頂類型主要是平屋頂和坡屋頂中的四坡式。建立坡屋頂模型首先構(gòu)建屋頂,然后利用推移translate工具繪出屋頂支撐結(jié)構(gòu)底面,再通過拉伸操作生成屋頂支撐結(jié)構(gòu),接著選中支撐結(jié)構(gòu)頂面,最后利用推移工具向外擴展生成屋頂結(jié)構(gòu)面,拉伸至屋頂實際高度,選中頂面,利用縮放工具對4個角進行比例縮放,生成四坡屋頂,如圖5(a)所示。而平屋頂?shù)慕⒈容^簡單,首先確定屋頂高度,利用push_pull操作將屋頂拉伸,接著選中屋頂,用推移工具繪出天臺外圍,再利用push_pull生成屋頂,如圖5(b)所示。endprint

1.2.3 建筑物附屬構(gòu)建

在構(gòu)建建筑主題后,需要構(gòu)建建筑物的附屬結(jié)構(gòu),其主要包括走廊、陽臺、樓梯、臺階以及屋梁柱等,附屬結(jié)構(gòu)看似簡單,但是在增強模型真實感方面起著重要作用。

圖書館四面臺階眾多,臺階的生成可采用加法或減法來生成。以4個臺階為例,用減法生成臺階,首先根據(jù)臺階的最高、最長和最寬3個參數(shù),生成一個原始的最大四面體,然后將其平均分割,根據(jù)實際臺階平面,一階一階往里推移,逐個生成臺階。加法生成臺階,是先根據(jù)臺階的長、寬、高繪制第一級臺階,利用拉伸工具提升到臺階高度,接著利用縮放工具,將第一級臺階頂面往里縮放一個臺階平面,再拉伸到實際高度,重復(fù)以上操作,直至完成臺階的操作。兩種方法建模結(jié)果如圖6所示。

屋梁柱的構(gòu)建,主要是用拉伸工具來實現(xiàn),根據(jù)實際建筑物的信息,先繪制出梁柱所在位置、大小、形狀,再根據(jù)拉伸、推移工具來實現(xiàn),最后加以紋理貼圖。

圖書館相鄰兩個建筑之間是通過走廊相連接的,可先在一個建筑面上繪出走廊形狀,在矢量圖上測量出兩個建筑之間的距離,直接利用拉伸工具,輸入長度,走廊主體形成。走廊是由底下均勻分布的四根梁柱支撐,梁柱的生成也可直接利用拉伸工具,依據(jù)實際測量繪出的梁柱底面數(shù)據(jù)拉伸而成,如圖7所示為走路底面及其三維模型。

在構(gòu)建了所有模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際各模型最小單元大小生成相應(yīng)的紋理圖片,利用材質(zhì)工具進行貼圖,生成整個建筑模型,為了使其三維模型具有較強的真實感,可以對其進行光線模擬、陰影渲染,進一步增強三維景觀的真實感和可視化效果,最終三維模型如圖8所示,將其導(dǎo)出為KML格式便于利用CityEngine進行三維模型的發(fā)布。

2 基于CityEngine的三維模型場景構(gòu)建與發(fā)布

在CityEngine中導(dǎo)入基于SketchUp構(gòu)建的KML格式三維模型,并建立對應(yīng)的地形及相應(yīng)的三維場景進行優(yōu)化并發(fā)布。

2.1 場景構(gòu)建

CityEngine的場景內(nèi)容以圖層的方式來組織,主要包括光線控制圖層、場景背景圖層、地圖圖層以及靜態(tài)模型圖層。光線控制圖層和場景背景圖層隨著場景的創(chuàng)建而自動生成且不能刪除,靜態(tài)模型圖層是隨著第三方三維模型的導(dǎo)入而自動生成,而地圖圖層是通過手動設(shè)置生成。

地圖圖層的常用類型是地形和紋理。地形圖層是以創(chuàng)建地表真實起伏形態(tài)作為場景的高程基礎(chǔ),可用于對地形的展示或地形建模;紋理圖層是用來在場景中創(chuàng)建一個平面背景底圖。首先是建立地形數(shù)據(jù),直接利用現(xiàn)有的空間分辨率為8.67m的DEM數(shù)據(jù),在ArcGIS軟件中裁剪出合適的研究區(qū)域,生成三維起伏地形數(shù)據(jù),將影像及地形數(shù)據(jù)保存為TIFF格式;然后在CityEngine中將地形數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)疊加,生成真實地表。將KML模型加載進來,通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放工具將模型放置到合適的位置。

2.2 模型發(fā)布

CityEngine可以作為一個三維展示平臺,將場景直接導(dǎo)出為CityEngine Web Scene在網(wǎng)絡(luò)端直接提供瀏覽,為三維建模提供了一個有效的場景發(fā)布途徑。具體發(fā)布步驟如下:

(1)導(dǎo)出生成的模型數(shù)據(jù)。選擇“文件—導(dǎo)出模型—CityEngine Web Scene”,進行模型參數(shù)設(shè)置,輸出的所有對象可以作為一個實體導(dǎo)出,則單個對象不可以被選擇,也可以將每個對象作為單個實體導(dǎo)出,則每個對象都可以被選擇,本文選擇作為一個實體導(dǎo)出。

(2)對導(dǎo)出圖層進行設(shè)置。包括圖層貼圖的轉(zhuǎn)換質(zhì)量、是否帶有貼圖、圖層是否可見。

(3)瀏覽器中預(yù)覽。在文件導(dǎo)航窗口中選擇導(dǎo)出的場景文件,選擇“Open With”,通過瀏覽器打開場景(見圖9)。瀏覽器的選擇是有限制的,瀏覽器必須支持WebGL,常用的有Google Chrome、Firefox等。

(4)共享場景數(shù)據(jù)??蓪⑵浒l(fā)布到ArcGIS Online、Google Earth、網(wǎng)站等多種平臺上進行共享。

3 結(jié)論

本文采用SketchUp、CityEngine與GIS專業(yè)軟件相結(jié)合的方式創(chuàng)建校園三維模型。在模型建立的過程中能夠充分利用現(xiàn)有的GIS 數(shù)據(jù),快速、簡便地構(gòu)建三維模型,減少人工干預(yù),縮短建模周期,且在結(jié)合過程中充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,可以達到比較理想的效果,能夠為數(shù)字校園三維空間可視化建設(shè)提供借鑒。

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