室内三维地理建模

摘要：应用的系统本文将以佛山市天安科技园发展大厦为例，介绍基于AutoCAD，和3DMAX软件的建模、纹理贴图、灯光设计、动画制作、渲染的实现方法以及室内外建模的应用。引言随着计算机可视化技术的发展和2DGIS的成熟，在20世纪90年代初传统的GIS信息主要是以二维平面地图的形式呈现给用户，此种形式承继了普通二维地图的特点，对硬件条件要求较低，数据传输量较小，但其直观性差。20世纪90年代后，三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展使得建立3DGIS成为可能。就如今这个大数据时代而言，城市3DGIS也只是停留在外部建模的阶段，并没有展开到室内，也因此三维建模应用发展一直止步不前，例如：室内导航，应急指挥，城市规划等等，要是没有强大的三维数据作支撑，智慧城市的想法就是天方夜谭。但随着三维信息需求的急速增长，已经不能满足人们对三维数据的精确度、模型的逼真度更高的要求。为寻求一种高精度、高仿真的建模方法是建筑物室内外三维地理建模的首要任务。第一章数字城市1.1数字城市的概念“数字城市”（英文：digitalcity）是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真-虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。1.2实现数字城市三维可视化的意义中国科学院、中国工程院院士李德仁院士说：数字城市为城市规划、智能化交通、网格化管理和服务、基于位置的服务、城市安全应急响应等创造了条件，是信息时代城市和谐发展的重要手段。数字地球以空间位置为关联点整合相关资源(以地理信息系统和虚拟现实技术集成各类数据资源)，实现了“秀才不出门，能知天下事”。1.3数字城市的国内外研究状况1.4数字城市实现过程中所面临的问题第一章研究平台与研究思路1.1建筑物三维建模的硬件配备本文中三维建模的实验是采用AutoCAD+3DMAX+photoshop等软件结合完成。3DStudioMax，常简称为3dMax或3dsMAX，是Discreet公司开发的（后被Autodesk公司合并）基于PC系统的三维动画渲染和制作软件。广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。同其他三维建模软件想必它的优势主要是：对硬件要求低、容易上手。1.23DMAX建模的主要流程1.2.1建模阶段根据设计图纸建模和造型的修改工作，生成我们需要的造型。建模是所有三维工作的第一个环节，三维场景中所需要表现的内容都要靠模型来体现，模型的精确度会直接影响到最终的表现效果是否正确。完成模型的方法很多，用户可以通过3dsmax提供丰富的建模工具来创建模型，也可以直接导入外部所搜集的模型素材。1.2.2材质阶段模型能够表现物体的外观，但是并不能体现物体的表现效果，创建玩模型后的下一个环节就是要给模型添加材质。材质能够表现物体表面的特征，是木制的还是金属的等等。1.2.3灯光设定因为有光线的存在，我们的世界才会变得丰富多彩，3dsMax提供各种类丰富的灯光，灯光可以照亮场景，使场景中的对象产生阴影。只有给场景添加了灯光，我们所要表现的效果才会更加真实。标准的基于参数化的灯光可以使用户方便的控制灯光的属性，而光学灯光则依据真实世界灯光的特性，一热量单位来控制灯光的亮度。利用灯光可以将同一个场景表现为白天或者黑夜。1.2.4动画阶段对场景进行渲染输出，在3dmax中制作完成的场景称为工程文件，只有对场景进行渲染，才能将材质、灯光以及特殊效果表现出来。调整各个材质的参数，准确定义物体的物理属性，再进行光能分析计算，再进行各项参数的仔细调整，最后渲染输出。1.2.5渲染阶段对场景进行渲染输出，在3dmax中制作完成的场景称为工程文件，只有对场景进行渲染，才能将材质、灯光以及特殊效果表现出来。调整各个材质的参数，准确定义物体的物理属性，再进行光能分析计算，再进行各项参数的仔细调整，最后渲染输出1.2建模的思路解析除了必须的系统配置和场景设置之外，建模的好坏直接影响整个创作流程。比如一个不好的模型可能因为网格密度太大，占用过多的系统资源而导致师徒的交互能力下降；也可能因为存在不合理的面导致文理渲染出现不可预知的结果；也可能网络的拓扑结构不合理，角色在运动的时候出现错误等等。1.3建模常用方法1.3.1·多边形建模多边形建模是最为传统和经典的一种建模方式。编辑多边形是后来在网格编辑基础上发展起来的一种多边形编辑技术，与编辑网格非常相似，它将多边形划分为四边形的面，实质上和编辑网格的操作方法相同，只是换了另一种模式。在3DMAX7的时候新加入了对应的编辑多边形修改器，进一步提高了编辑效率。编辑多边形和编辑网格的面板参数大都相同，但是编辑多边形更适合模型的构建。1.3.2·面片建模面片建模是在多边形的基础上发展而来的，但它是一种独立的模型类型，面片建模解决了多边形表面不易进行弹性编辑的难题，可以使用类似编辑BEZIER曲线的方法来编辑曲面。面片与样条曲线的原理相同，同属BEZIER方式，并可通过调整表面的控制句柄来改变面片的曲率。面片与样条曲线的不同之处在于：面片是三维的，因此控制句柄有X、Y、Z三个方向。面片建模的优点是编辑顶点较少，可用较少的细节制作出光滑的物体表面和表皮的褶皱。它适合创建生物模型。面片建模的两种方法：一种是雕塑法，利用编辑面片修改器调整面片的次对象，通过拉扯节点，调整节点的控制柄，将一块四边形面片塑造成模型；另一种是蒙皮法(就是我们常用的POLYLINE+SURFACE)，类似民间的糊灯笼、扎风筝的手工制作，即绘制模型的基本线框，然后进入其次对象层级中编辑次对象，最后添加一个曲面修改器而成三维模型。面片的创建——可由系统提供的四边形面片或三边形面片直接创建，或将创建好的几何模型塌陷为面片物体，但塌陷得到的面片物体结构过于复杂，而且会导致出错。1.3.3·NURBS建模NURBS与曲线一样是样条曲线。但NURBS是一种非一致性有理基本曲线，可以说是一种特殊的样条曲线，其控制更为方便，创建的物体更为平滑。若配合放样、挤压和车削操作，可以创建各种形状的曲面物体。NURBS建模特别适合描述复杂的有机曲面对象，适用于创建复杂的生物表面和呈流线型的工业产品的外观，如汽车、动物等等，而不适合创建规则的机械或建筑模型。NURBS建模思路：先创建若干个NURBS曲线，然后将这些曲线连接起来形成所需要的曲面物体。或是利用NURBS创建工具对一些简单的NURBS曲面进行修改而得到较为复杂的曲面物体。NURBS曲面有两种类型：点曲面和可控制点曲面。两者分别是以点控制或可控制点来控制线段的曲度。最大区别是：“点”是附着在物体上，调整曲线上的点的位置使曲线形状得到调整；而“可控制点”则没有附着在曲线上，而是曲线周围，类似磁铁一样控制曲线的变化，该方式精度较高。创建NURBS曲线有两种方法：一种是先创建样条曲线再转为NURBS曲线；另一种是直接创建NURBS曲线。第二章3DMAX建模的具体实施2.1工程图数字化向有关部门提取图纸资料包括大比例、地形图文件、建筑单体及规划的工程图纸文件。原始资料获得后,利用AutoCad进行校正,将单个建筑物的轮廓线从摄取照片中提取如图（？），作为建筑物模型的底图资料并且按照一定的比例把图片做成地形贴图,方便后面模型的建立。整理单个集合体的各种建筑尺寸备用。图天安科技园发展大厦平面图图数字化后2.2模型制作2.2.1图层管理数字化后，创建图层能够更好完成人机交互和对数据的管理通常要对真实场景进行划分，分成相对独立的几个单元。如图是我对该栋建筑物模型的图层划分。(放置图层划分的照片)图层内部也要针对不同独立的对象成组，便于建模后期的处理与优化。如：玻璃幕墙、室内墙体、电梯、筒灯、柱子、垃圾桶、挂画等等考虑到电脑的硬件配置以及数据量和时间的关系，本文只将发展大厦一楼大厅作为内部渲染的案例进行实验研究。2.2.2基础模型建立首先确定平面的布局与功能，了解建筑的层高、门高、梁高、窗高等尺寸，将CAD平面图导入3Dmax(如下图所示)，建立建筑的基础模型。一定要准保建筑尺寸的准确。以天安科技园发展大厦为例，分析工程图可知这栋建筑1-3层每层的内部结构都是不同的，4-18层是标准层。清楚了建筑的结构，就可以开始粗建模。结果如图所示：通过挤出命令得到的结果如图所示：最终通过复制的方法把楼层搭建起来。(粗模型图片)注意事项：在保证模型质量的情况下尽量减少精细度。比如在使用Shape中的Line建立模型时要尽量将Interpolation选项中的Steps值设置到最小的程度，一般设到1～3即可满足要求，Steps值过高会极大的增加转换后的模型面片数。2.2.3贴图和模型材质设计在虚拟现实系统中为了增加模型的逼真效果，通常把取自实际环境的数码照片做为纹理,另外部分图片要进行处理，让常用的图像处理软件比如Photoshop能够处理RGB或RGBA格式的文件,设定纹理图片的大小，要做为纹理的图片长度和宽度，否则模型在实时漫游中纹理可能发生扭曲变形。在模型中，纹理是影响数据量的重要因素。纹理的大小直接关系到文件的渲染速度和整个数据量大小。因此，在处理贴图时，应将纹理尺寸（在不影响模型外观的前提下）调整到尽可能小。在特定情况下，可在3DMAX中调整。赋予材质后如图所示：2.2.4动画制作基本动画概述：（1）3dmax中的关键帧：3dmax通过在时间线上几个关键点定义的对象位置，自动计算连接关键点之间的其他点位置，从而得到一个流畅的动画。在3dmax中，需要手工定位的帧称为关键帧。（注：在3dmax中可以改变的任何参数，包括位置，旋转，比例，参数变化和材质特征等都可以设置。（2）时间配置：3dmax是根据时间来定义动画的，最小的时间单位是点（Tick）一个点相当于1/4800秒，在用户界面中，默认的时间单位是帧。（注：默认情况下，3dmax显示时间的单位为帧，帧速率为每秒30帧。）时间配置对话框包括：帧速率、播放、动画、关键点步骤。如图所示：（3）创建关键帧要在3dmax中创建关键帧，就必须在打开动画按钮的情况下在非第0帧改变某些对象。一旦进行了某些改变，原始数值被记录在第0帧，新的数值或者关键帧数值被记录在当前帧。这是第0帧和当前帧都是关键帧，这些改变可以是变换的改变，也可以是参数的改变。键帧由时间和数值两项内容组成。编辑关键帧3dmax提供了4中方法：1）在视口中：使用3dmax工作的时候总是需要定义时间，常用的设置当前时间的方法是拖拽时间滑动块。当时间滑动块放在关键帧之上的时候，对象就被一个白色方框环绕。如果当前时间与关键帧一致，就可以打开动画按钮改变动画数值。2）轨迹栏（TrackBar）：轨迹栏（TrackBar）位于时间滑动块的下面。当一个动画对象被选择后，关键帧以一个红色小矩形显示在轨迹栏（TrackBar）中。轨迹栏（TrackBar）可以方便的访问和改变关键帧的数值。3）运动面板：运动面板是3dmax的6个面板之一。可以在运动面板中改变关键帧的数值。4）轨迹视图（TrackView）：轨迹视图（TrackView）是制作动画的主要制作区域。基本上在3dmax中的任何动画都可以通过轨迹视图（TrackView）进行编辑。3、使用TrackView（1）TrackView的用户界面轨迹视图（TrackView）的用户面有4个主要部分，它们是层级列表、编辑窗口、菜单栏和工具栏。轨迹视图（TrackView）的层级提供了一个包含场景中所有对象、材质和其他可以动画参数的层级列表。单击列表中的加号（+），将访问层级的下一个层次。层级中的每个对象都在编辑窗口中有相应的轨迹。（2）访问轨迹试图TrackView可以从“图表编辑器”（GraphEditors）菜单、四元组菜单或者主工具栏下访问轨迹视图（TrackView）。（注：4、轨迹线：轨迹线是一条对象位置随着时间变化的曲线。曲线上的白色标记代