基于SketchUp虛擬場景快速建模

林遠

摘 要：隨著虛擬城市、虛擬旅游、虛擬建造等虛擬現實設計的迅速崛起，傳統的三維建模方式已無法滿足大批量場景建模的需求。文章通過對虛擬場景的數據采集、建模流程和模型優化深入研究，提出一種基于SketchUp平臺快速、高效的建模方法，旨在為大型復雜虛擬場景的構建提供借鑒與參考。

關鍵詞：SketchUp；虛擬場景；數據采集；建模流程；模型優化

檢 索：www.artdesign.org.cn

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

Rapid Modeling of Virtual Scene Based on SketchUp

LIN？Yuan

（Concord？University？College？Fujian？Normal？University，Fuzhou？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

隨著計算機信息技術的飛速發展，虛擬現實技術廣泛地應用于各個相關領域，虛擬城市、虛擬社區、虛擬展館、虛擬旅游、虛擬建造等應運而生。場景建模作為虛擬現實設計必不可少的環節，以其直觀、逼真等特點倍受推崇。然而，傳統的建模方式無論在模型精度還是工作效率上都已經無法滿足大批量建模的需求，如何快速、高效地創建場景模型已成為虛擬現實設計急需解決的課題。

一、SketchUp建模平臺的選擇

SketchUp是目前為數不多的直接面向設計過程的三維設計平臺，具有以下優勢：

1.界面簡潔友好，功能精簡高效，沒有其它三維軟件的復雜性，能夠輕松進行方案設計、施工輸出以及漫游交互。

2.可以直觀地在屏幕上設計構思，并隨著思路的拓展，不斷增加模型細節，同時可以依據方案設計各個階段特點，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，可直接賦予表面材質，并可生成2D配景，形成手繪淡彩效果，真正實現設計與表現一體化。

4.可以直接以場景頁面作為關鍵楨，利用場景轉換產生的頁面漸變過度畫面，生成漫游動畫并實時展示。

5.能夠與Google Earth無縫銜接，隨時在Google Earth虛擬環境中瀏覽和展示設計方案，方便檢查設計過程中存在問題與缺陷。

6.海量在線3D模型庫可供三維場景直接調用，極大減少基礎建模的繁復勞動，提高工作效率。

二、場景數據的采集與處理

虛擬場景是建立在真實場景的基礎上，場景數據的準確性和可靠性直接關系到場景構建的質量，場景數據主要包括地形數據、地物數據和紋理數據。

（一）地形數據

虛擬場景地形數據可以依托于Google Earth衛星影像。Google Earth衛星數據屬于Quickbird圖像數據，其解析度最高可達幾米。衛星影像高解析度保證了地面的公共資源、環境、空間與地貌深層次地應用，為虛擬場景地形、地貌提供了詳細、豐富的影像信息。

（二）地物數據

地物幾何數據可以通過實地測量、高分辨率衛星影像及已有規劃圖等多種途徑獲取，包括地物長寬高以及各部分空間數據，尤其是地物高程數據至關重要。高程數據獲取有多種方法，其中利用全站儀測出平距和傾角通過數學公式計算高程的方法較為簡易，且精度較高。對于精度要求較低的高程數據可在SketchUp中導入Google Earth二維影像并校準太陽方位角，同時調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。無法觀測的地物可通過多角度數碼相機拍攝，依據參照物比例進行估算高程。

（三）紋理數據

通過數碼相機實地拍攝可以獲取地物紋理貼圖以及建筑細節圖片，對模型后期貼圖和細部表現極為重要，其數據質量直接決定場景的仿真度和體驗效果。拍攝時，參數設置應保持一致，尤其是像素設置應滿足貼圖要求，盡可能地對地物有一個綜合性的描述。采集的紋理數據往往還需要進行數字處理，以適合模型貼圖的精度及細節要求。此外，還可以搜取Google Earth街景照片和互聯網上相關地物圖片。

三、模型創建的流程與方法

虛擬場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景的重要組成部分，是模型創建的重點。endprint

（一）地形模型

SketchUp建模平臺可以通過“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，并可以對三維地形模型進行編輯、貼圖等操作。此外，也可以導入地形等高線，運用“沙盒”工具快速創建地形模型。

（二）建筑模型

虛擬場景中的建筑模型主要采用幾何建模方式，細部結構以圖片代替實體建模。

1.生成建筑平面。首先導入Google Earth衛星影像，并以二維形式顯示地圖，為場景建模提供精確的坐標和參考。設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閉合生成建筑平面，平面輪廓勾畫應與衛星正射影像相吻合。為便于觀察，可通過“X光模式”，透過表面觀察、編輯模型內部結構。

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

3.細化模型結構。要真實地再現建筑原貌，必須對初步模型進行細化，突出細部結構。可先通過“虛顯隱藏物體”命令，顯示墻體隱藏邊線，再對其中一個墻面以“推拉”工具制作門窗組件，再利用陣列命令應用到需要開門窗的墻面位置。走廊造型可先繪制走廊地面，拉升地面至相應高度，刪除不需要的面片即可。在較復雜模型中，樓梯可簡化為大致斜面，以圖片代替臺階實體細節。

4.賦予材質紋理。為真實地反映客觀環境，需要對場景幾何模型進行紋理映射。建筑紋理包括側面和頂面兩個部分，頂面的紋理可以從高分辨率衛星影像提取，進行紋理映射。在SketchUp中，可以方便地導入實地拍攝的圖像文件，對幾何體表面自動識別映射。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，應依據建筑造型采用相應的方式，曲面建筑可采用投影貼圖方式。

（三）附屬地物模型

附屬地物包括基礎設施和其它地物，此類模型應盡可能做到精簡。

1.基礎設施。道路、綠地等基礎設施可依據Google Earth衛星影像，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，以減少場景模型的負載。可先導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部結構，再以“橡皮”工具擦除輪廓以外的圖像，同時按住Shift鍵擦除輪廓線，最后調整人物等地物大小至正常比例并創建組件，勾選“總是面向相機”選項，以使組件始終面向觀者。

四、場景模型的精簡與優化

為減少模型的數據量，最大限度保證虛擬場景的流暢運行，必須對模型進行優化處理。具體方法如下：

1.以相應的紋理圖片代替精細建模，簡化模型的創建過程，降低實體模型的復雜程度，同時可以輕易模擬出真實細節。

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

3.減少模型生成的面片數，簡化重復構件，及時刪除視窗中不可見的面或對象，以達到簡化場景幾何圖形的目的。

4.運用組件簡化重復形體，減少場景模型的運算量，提高虛擬場景的運行效率。

綜上，SketchUp平臺集操作簡單、建模快速、貼圖方便以及模型精簡等優勢于一身，克服了傳統建模方式的諸多不足，其獨有的2D配景技術、豐富的插件資源和海量的3D模型庫都為大型場景構建提供了有力的技術保障。基于SketchUp平臺的建模與優化方法能夠快速、 高效、低成本地構建三維場景模型，有效降低系統資源占用，減少場景渲染時間，便于網絡傳輸和場景展示，同時還可以在Google Earth中實時預覽，實現快速漫游，是海量建模的首選。

參考文獻：

[1] 安潔玉，程朋根，丁斌芬.基于Google Earth二維影像獲取建筑物高度的方法[J].地理與地理信息科學，2010，26（6）.

[2] Trimble Navigation Limited.SketchUp Users Guide[DB/OL].http：//help.sketchup.com/en/article/116174， 2013.

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