精細三維場景制作中數據量控制的方法研究

舒 琪

(上海市測繪院，上海200129)

一、引 言

隨著科技的不斷發展，城市的信息化成為必然的趨勢，智慧城市的不斷完善已經成為城市壯大新的契機和城市信息化建設的目標。三維模型能夠真實、生動地表達三維空間信息，因此成為智慧城市的研究重點。計算機技術和現代測繪技術的迅猛發展，計算機虛擬現實、仿真技術和地理信息系統的緊密結合，為城市空間地理信息系統的建設提供了嶄新的表現方式。通過計算機再現城市實際風貌，在逼真的三維視覺和與虛擬的三維‘城市’的相互交互中，對構成城市空間信息的主要要素(諸如建筑物、道路、水系等)進行多方位、多層次的觀察、分析，為人們認識和改造城市社會提供了嶄新的觀察和分析方法。數字城市和虛擬現實的應用，具有十分重要的理論和現實意義以及重大的技術經濟價值。

二、問題的由來

由原來的點、線擴展到如今的點、線、面，三維的數據量遠遠大于二維，數字三維景觀模型數據具有體量大、計算運行要求高等特點。在很多三維瀏覽和決策系統運行中需要對整個場景進行實時的計算和顯示。為了達到三維圖形顯示的實時更新，需要對大容量三維數據進行高速讀取、對視點位置變換及飛行漫游時快速響應，因此對計算機的內存、緩存、顯卡等有著很高的要求。如果硬件條件不足，運行三維數據會導致諸如模型數據無法讀取、三維場景顯示錯誤、系統崩潰死機等一系列后果。因此在通常情況下，為了滿足城市三維場景的瀏覽和分析，都是采用服務器或者移動工作站等具有高配置硬件的計算機來運行整個場景。這使得數字三維的應用和推廣受到了硬件上的很多約束和限制。

目前有不少控制數據量的方式已經被應用在各種三維項目中。第一種方式是采用白模型制作大場景。也就是說，針對一些大體量的三維城市街景，考慮到數據的快速讀取，大部分建筑物都被制作成簡單的白模型，不對其進行紋理的修飾，可以用來進行三維城市的水淹分析等專業應用，英國倫敦的城市建模項目采取的就是這種方式。不進行紋理修飾的白模型優點是數據量最小、人工干預成分較少和成本較低，但是也存在著場景直觀性不強、真實感較差等問題，因此更適合于一些專業分析領域的應用。第二種方式是建立紋理數據庫，將建筑的簡單模型按照現場建筑的大致顏色從紋理庫挑選類似的紋理進行貼面。采用這種制作方式完成的城市建筑三維模型，數據量比單純的白模型要大一些，場景中整體的真實性要稍強一些，但是個體還原真實性較差，因此更適合鳥瞰的交互式瀏覽以及應用于大批量的城市普通區域的三維模型建立。

對于一些需要重點展示或者進行近距離交互式瀏覽的區域，需要很強的真實感和很高的還原性，上述兩種方式就不太適用了。需要制作更精細的三維小場景從而能夠更好地還原場景的真實性和靈動性。制作更加真實的三維場景，需要對建筑本身的結構進行進一步的細化制作，對于真實紋理信息也要進行現場采集。這樣場景的數據量就大大提升了，對于運行場景的硬件要求也就隨之提高了。

針對這個問題，一方面可以通過提高計算機的硬件配置來解決，比如提高顯卡的內存容量或者采用圖形工作站。另一方面，這種做法因受硬件條件的限制較大，難以在目前的微機環境下普及和使用。

三、三維場景制作流程以及影響場景數據量大小的因素

上文介紹過了一些當下流行的控制數據量的方式，同時也指出了對于需要重點展示或者要進行近距離交互式瀏覽的區域需要制作出更精細的三維小場景。首先來介紹下常規制作精細的三維場景的制作流程(如圖1所示)。

圖1 精細三維場景的制作流程

了解了三維場景制作的流程后，需要研究流程中的哪些數據對于運行場景的硬件有著比較高的要求，影響場景的運行速度以及流暢性。

首先是紋理的制作部分。紋理文件需要大量的顯卡資源，因此紋理文件的大小對于運行計算機的顯卡有最直接的要求。其次是3DMax文件的大小取決于模型的尺寸大小以及模型的總面數。按照真實坐標系統搭建的三維場景中，模型的尺寸大小是按照建筑物的實際尺寸來制作的，不能隨意改變，因此只能夠通過控制模型的總面數來控制數據量的大小。此外，面數的增多直接影響到模型進入平臺后運行時的渲染速度，渲染的過程需要二級緩存容量的支持。

四、場景搭建中控制數據量的一些方法

1．模型結構上的優化

從前面可知模型的尺寸大小是按照建筑物的實際尺寸來制作的，不能隨意改變，因此只能通過控制模型的總面數來控制數據量的大小。在模型結構的處理中，如何減少重復面的產生是控制模型數據量的一個關鍵所在，也是一個技術關鍵點。

在針對室外結構建模的過程中，應該注重對于一些隱藏在模型內部的、場景瀏覽中不可見的面的清理，從而使三維數據的控制既能節約系統資源，又滿足場景瀏覽需求。

針對一些室內主要結構的建模，省略承重柱、門窗等插入樓板的頂面底面是一個很好的做法，包括門窗嵌入墻體的部分面的省略。這些小的措施既能節約資源，同時又不會影響三維場景的瀏覽。

這些針對室內外建模過程中的一些小細節、小方法不僅不會影響三維場景的瀏覽效果，又能有效減小模型數據的體量，從而加快三維數據在場景的加載速度，提高三維場竟的可觀賞性。

2．紋理制作的優化

紋理制作的恰當與否直接影響到整個場景的數據量大小。通常紋理制作有一些通常性的要求。

1)紋理的像素尺寸應該是2的n次冪(2、4、8、16等)。紋理尺寸不必是正方形，但是建議做成正方形，像素的大小最好不要超過1024。

2)一般情況下，貼圖的分辨率一般設置在72像素/英寸。

3)貼圖可選格式為JPEG格式。同一模型的貼圖名稱按照具體規定依次進行數字排列。

除此之外，為了盡量減少紋理資源的數據量，還可以采取以下一些方式。

1)一個單一色塊圖形。尺寸為2·2的文件大小是4 bytes，而尺寸為8·8的文件大小則達到了64 bytes，文件增大了15倍。對于單一色塊的紋理，應該盡量采用比較小的尺寸來制作。紋理圖像大小對于整體場景的紋理文件大小有著決定性的作用。

2)盡量將墻和窗的紋理分開制作，這樣既能分離材質，使得模型在進入虛擬現實或者在3ds Max軟件中可以進行不同材質特效的調整。同時也可以在制作同一個模型的過程中提高貼圖的利用率。

3)對于類似居民小區的建筑(如圖2所示)，根據其建筑物之間相似性較強的特點，應該整個小區一起制作以完成紋理貼面。這樣的制作方式可以使得同一張紋理能夠被重復使用，減少重復紋理出現的可能性，從而減少整個場景的紋理數據量。

圖2 居民小區建筑三維模型

3．利用透明貼圖代替結構的制作

對于精細場景而言，陽臺等附件的制作對于場景的真實性可視化有著很重要的作用。然而對于還原真實性和可看性有重要作用的陽臺部分結構會比較復雜。很多建筑物的主體結構并不復雜，總面數在一兩千個面左右。而建筑的配件結構(比如陽臺，每個陽臺至少需要4個面才能制作完成)，對于高層而言建筑總面數的增加是巨大的，在進入虛擬現實軟件運行的過程會出現卡死現象。

針對這種情況，可以利用紋理圖片本身的特性，對于陽臺的不同部分采用不同的透明度。制作一張TGA格式的透明貼圖(如圖3所示)，將陽臺的墻面、半透明圍欄以及圍欄上方應該透明的部分集合到一張貼圖上，從而只需要為陽臺豎直方向上的墻制作一個共同的面片。利用紋理貼圖中的平鋪功能設置樓層數，從而達到減少模型總面數的效果。這種方法對于成片的高樓小區的場景制作有著極其重要的作用。圖4所示為利用透明貼圖的方式制作的陽臺，能夠表達出陽臺結構。

圖3 透明貼圖

圖4 陽臺三維模型

4．模型的動畫部分的優化

在精細的三維場景的運行中，動畫也是提升整個場景真實性和可看性的重要元素(如圖5所示)。在3ds Max的輸出中，輸出動畫文件大小與動畫的幀數有著直接的關系：動畫時間越長，文件的大小就呈級數遞增。因此對于場景動畫制作，最佳的方法是將靜態的人物模型導入到Virtools等虛擬現實軟件中，利用軟件本身的腳本設定人物動作和行走路徑。這種方式也同樣適用于車船等物品。

圖5 動畫

五、結束語

城市的發展越來越快，測繪科技同樣日新月異。隨著數字城市建設的不斷推進，傳統的二維城市信息系統已經不能滿足要求。從控制數據體量的方式來解決三維應用和推廣中的局限性也必將成為三維數字城市技術發展的一個重要環節。三維數字城市技術也會越來越成熟，必將有著廣闊的發展前景。

[1]朱元嫣，陳能，戴晟．旅游場景三維可視化方案[J]．上海師范大學學報：自然科學版，2007，36(4)：98-103．

[2]閻鳳霞，張明燈．三維數字城市構建技術[J]．測繪，2009，32(2)：93-96．