基于三維動畫軟件的城市三維仿真建模

摘要：城市三維仿真模型的構建對于智慧城市建設意義重大。本文詳細介紹了3ds Max在城市三維仿真建模與貼圖中的應用，探討了模型優化的技術，并以實際作業生產為例總結了包括建筑物、地形、交通路網、植被及附屬設施等在內的地形地物要素的建模技巧與方法。提出將近景攝影測量技術與3ds Max專業建模軟件相結合的方法，以實現下一步自動化或半自動化建模的思想。

1 引言

智慧城市全球峰會上提出了“構建智慧地球，從城市開始”的思想，使得城市越來越成為創新的中心。智慧城市建設作為提升城市競爭力及解決城市發展問題的重要途徑，已成為目前城市進步的重要手段與標志。在國外，如巴塞羅那智慧城市建設的主要驅動力是培育城市的競爭力；“智慧首爾2015”的目標是把首爾建成全球五大最具城市競爭力的“ICT之都”之一。國內也于2013年展開了以武漢、重慶、臨沂等9個城市為試點的智慧城市建設工作。而城市三維仿真模型作為支撐基礎，服務于城市規劃、管理、宣傳、選址、設計、項目審批、地下空間管理、應急指揮、城市旅游等方面，已成為貫穿整個智慧城市建設始終的重要技術。

目前三維城市仿真模型建模方法主要有：基于二維GIS的三維城市建模方法，基于CAD的三維城市建模方法，基于遙感影像的三維城市建模方法和基于激光雷達的城市建模方法。城市三維模型制作包括地形模型、建筑物模型、交通路網模型、植被模型、附屬設施模型及其他模型。其中，建筑作為城市的主題，其建模方法已被大量研究；而智慧城市建設已對整個仿真模型提出了精細化要求，必須對城市地形和其它地物模型也進行精細重建。

3ds Max具有可操作性強、直觀、方便易學、制作模型逼真、質感強等特點，在建模精細程度上有很大優勢。它具有強大的點、線、面、幾何體編輯功能，能夠精準確定模型的位置和尺寸，建模完成后還可以對模型的高度、底面大小等參數進行修改，從而生動描述對象的細節特征?；诖?，本文以3ds Max為主要建模工具，不僅列出建筑物精細模型的構建方法，而且從生產實踐的角度研究了城市地形、植被、路網、附屬設施等模型制作方案，對城市全景三維仿真的基本技術和優化方法進行研究與探討。

2 城市三維仿真基礎數據采集與建模方法分析

一般現狀區基于外業測量產生的1:500比例尺地形圖和外業逐景拍攝的圖片來制作模型，規劃區基于規劃設計圖和設計效果圖紙結合材質數據庫建立模型。這種建模方式的優點是可以逼真表達城市現狀地物和規劃設計成果的精細結構和材質特征。建模流程圖如下：

2.1 基礎數據準備

城市規劃區的數字高程模型依據規劃設計總平面圖制作，地表材質信息根據規劃設計方案的景觀設計從材質庫中選取相應圖片。城市建成區的數字高程模型采用1:500地形圖，利用數碼相機實地拍攝的照片制作紋理或從材質庫中選相似的紋理進行貼圖。其他區域的數字高程模型采用1:500、1:1000、1:2000地形圖，地表紋理信息采用1:2000真彩色正射影像或高分辨率彩色衛星影像圖片 。通常在建模前需根據實際需要，對地形圖或規劃圖中的信息進行篩選、精簡，遵循寧少勿多的原則刪除不必要的圖層，保留建筑物、標注、草地、樹木等所需要的圖層。同時設置3ds Max系統單位為米，導入上述數據后執行“成組”與“凍結操作”，方便模型繪制。

2.2 三維仿真模型的建立

立體模型通常有三種建模方法，即多邊形、面片及NURBS建模，實際生產作業中，我們使用多邊形建模最為簡便快捷，靈活運用3ds Max軟件的擠出、輪廓、倒角、放樣、捕捉、軸約束等命令制作模型。為便于入庫與統一管理，在模型制作前要依次建層：bui（建筑物）、floor（地形）、Alpha（灰度通道）、app（小品、附屬設施）、road（交通路網）、plant（植被）和other（其他）層。下面以實際建模工序依次介紹各層模型制作方法：

（1）地形模型：地形三維模型包括山體、水系、水涯線、堡坎、斜坡、陡崖、山脊山谷線等地形地貌?？刹捎靡韵聝煞N方式建模：第一類是采用三維地形數據自動生成三維模型，并疊加數字正射影像來表達，即DEM+DOM模式；第二類是采用3ds Max建模軟件，交互進行三維模型制作，即精細地形模式。城市中精細地形模型制作以后者為主，采用由外向內逐塊制作的步驟，參考地形圖上采集的高程點信息制作地形模型。

（2）交通路網模型：包括道路、軌道交通及橋梁、道路附屬設施三部分。路網之于城市，就如血管之于人體，只有當路網準確無誤地構建出來時，我們才可以確定各地塊的大小范圍，從而進行下一步的分工合作。一般在城市區域的三維建模任務中，主干路網由專人完成，路網周圍地塊的總體模型制作好以后再由作業員合并到路網模型進行接邊處理。

（3）建筑模型：對于作為城市主體的建筑物模型來說，不僅要依據CAD底圖來制作，還要根據照片來分析建筑物的方位、體量以及精細結構，以此來權衡模型與貼圖之間資源的占用率和工作效率。一般建模時先根據CAD地形圖描出輪廓，擠出“火柴盒”式幾何模型，再根據照片上分析出的各個立面的進退層次關系、屋頂結構等制作出貼合實際的精細模型來。

（4）植被模型：包括在道路兩旁成行栽植的行道樹，在小區、綠地、公園種植的景觀樹木，在綠地種植的灌木、花草，其他植被。樹及盆栽模型的制作常采用基于交叉圖像的建模方法，即制作一定高度的十字交叉面，通過對十字面貼加帶有Alpha通道的紋理來表現，一方面在視覺上彌補了單張固定照片的缺陷，同時又降低了因圖像轉動而需要的計算量。草地直接按照路的造型擠出平面，通過后續貼圖完成模型制作。

（5）其他：附屬設施以及上述未包括但需要在三維場景中表現的部分如通信基站、高壓線走廊等，建模方法更為繁瑣，一般生產中都是通過材質庫來輔助實現，在材質庫中索引到和實際相同或接近的實體，通過場景融合、移動、旋轉等操作來建模。

2.3 三維場景材質設計

在進行外業取景拍攝時，受拍照時間、角度、光線等影響，極易在亮度、色調、飽和度等因素上產生差異，而這些差異的存在反映在貼圖上將直接影響整個系統的整體表現；同時受拍攝角度的限制、樹木等摻雜因素影響需要進行修復、裁剪等處理。因此在進行紋理映射前，需要用專業的圖像處理軟件PhotoShop對外業采集的圖片進行正射糾正、調色、修復等處理，實現模型紋理數據表現效果的和諧與統一。

對于同一個面上不同表現的紋理，最好在PhotoShop中新建一層，全部都做完放在此層，用標尺分區隔開，統一調好亮度對比度等參數再逐小塊的設置大小然后保存。這樣可以保證同一面墻的相同顏色的紋理都具有相同的表現，會更加逼真。另外在不影響模型表現的情況下，紋理單元應盡可能小。由于在模型運行平臺上紋理尺寸為2的n次方時計算速度最快且無扭曲變形現象，因此我們制作時應設置像素尺寸為2的m次方*2的n次方。保存時設置分辨率為72，品質為8；盡量使紋理單元為正方形且寬和高像素大小均不超過512，長寬比盡量為1：1或1∶2，如果貼圖實在太長或太寬，則將貼圖與模型面進行分割。這種方式制作出的紋理圖片，我們一般將其保存為jpg格式。

需要注意的是，在城市精細模型表現中，帶欄桿的圍墻、透明玻璃、陽臺、廣告牌、樹等有一定通透性的模型要表達的逼真，需要借助Alpha通道來實現。在PhotoShop中用多邊形套索工具選中實際不透明物體，存儲為通道。其白色部分在場景中正常顯示，黑色部分透明顯示，灰色部分將半透明顯示，保存時勾選Alpha通道，這時我們將此灰度通道單元保存為tga格式。

2.4 模型優化

事實上模型優化工作貫穿建模及貼圖始終，在建模過程中就應該刪除多余的點、線、面及放樣體等。對于三維模型，面數直接決定表現效果。就理論而言，三維模型面數越多，其表現越細膩、越貼近真實。但在三維虛擬場景中，畫面運行的每一幀都是借助CPU和顯卡實時計算得出，如果模型和面的數量太多，將導致系統的運行速度急劇降低，甚至無法正常工作。因此減少不必要的面片是質檢工作至關重要的部分。

3 城市區域建模實例

3.1 實驗區概況

重慶市勘測院位于市內江北區，屬于丘陵、山地混合地形，地面起伏較為明顯，地面植被覆蓋均勻，建筑數量及分布適中、色調鮮明，是三維仿真建模的典型素材。建?；A數據采用1:500比例尺的地形圖，紋理數據采用Canon PowerShot SX30 IS數碼相機逐景拍攝取得。

3.2實驗區建模過程

經分析對實驗區內的地物建模從道路部分開始制作，以主干道為例主要建模方法如下：在頂視圖中，創建“線”命令描出小段道路，閉合樣條線并轉化為可編輯多邊形，選中路延伸方向的一條邊，拖拽“擠出”到下一采樣高程點，輸入高程值，依次進行。對于道路拐彎處應選中多邊形對邊，進行“連接”操作，給定合適數量的分割數并連接，然后在點編輯模式下通過調節節點做出路的造型。主干道制作好后，可通過放樣、輪廓、擠出等命令制作道牙、人行道道路附屬及路邊花壇等造型。至此制作出的模型結果如下：

制作好區域“骨架”后，接下來就是建筑模型的繪制了。在頂視圖中勾出建筑“火柴盒”式輪廓后，再進一步制作精細模型。制作精細立面及屋頂造型主要用到“快速切片”、“裁剪”和“倒角”等命令，將不同表現的模塊分在不同的面上，便于貼圖。建筑高度擠出數量首先參考地形圖上的屋頂標高，沒有標高的要按照實際體量進行估算。重要建筑的坡屋頂需制作帶厚度的屋檐，普通建筑的坡屋頂可以不用制作屋檐；女兒墻需用實體制作，厚度應根據建筑的大小而定，一般在0.2-0.8米之間；靠近樓體、沿街的大型廣告牌及重要結構需實體制作。為了減少模型復雜度，提高其在平臺上的運行效率，一般建（構）筑物表面突出少于1.5米的可以不用制作，而是用貼圖來表現。某棟建筑簡模及精細模型對比如下：

模型制作完成后，根據外業取景制作符合要求的紋理單元。對原始圖片進行正射糾正、復原、調色等處理前后示意圖對比如下：

其中建筑物頂部紋理可以近景拍照取得，也可以直接從遙感相片中根據坐標提取得到，由于不存在遮擋，提取信息量足，所以效果較好。生產中我們使用UVW修改器進行貼圖。普通紋理單元在應用給場景時，直接將紋理圖片拖入場景，給定材質U、V值，用BOX方式或法線匹配調整使之適應。帶有Alpha通道的紋理單元應用時要借助于渲染器中的材質球，設置完成后“將材質指定給選定對象”即應用到場景。再設置UVW修改器中的參數即可完成帶有通道的紋理貼圖。貼圖時應注意觀察整個場景的色調應風格統一、明暗適中。

3.3實驗區模型優化

模型優化應檢查建筑物模型的形狀、紋理、色彩、質感等，地形模型真實性，貼圖的合理性，植被模型類型的正確性，附屬設施模型的正確性及協調性等方面。特別要注意模型與路網接邊是否符合要求，路口處理的合理性，區塊之間的接邊情況，包括模型接邊以及貼圖紋理是否合理、道路兩邊地物的協調性。

由于3ds Max本身的局限性，場景規模過大時實時漫游較為困難，因此小場景的質量檢查可以直接在Max中進行，大場景模型的質檢就需要借助MultiGen Creator軟件進行三角形簡化。MultiGen Creator是專門為復雜虛擬場景實時漫游設計的建模工具，本身不適合精細建模，但對于較大場景地理環境的生成及瀏覽具有絕對的優勢。但不管哪個軟件質檢，需要檢查的項目都是一致的。

4 結束語

本文闡述了城市三維仿真建模的流程與方法，總結了生產作業中的經驗事項，為類似項目的模型制作提供一定的參考。目前城市三維仿真建模方法正在全速發展中，基于3ds Max的建模方法雖滿足了我們對模型精細度的需求，但需要外業勘測、拍照，內業數據處理也是一項較為繁重的工作，因此尋求新的輔助建模的方法勢在必行。接下來，將以“最大限度的利用外業拍回來的照片提取更多有用信息”為切入點，重點研究近景攝影測量得到的相片有用信息的提取與利用，將近景攝影測量與3ds Max軟件相結合，尋找一種更為完善的方法進行城市三維模型重建與紋理映射。

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