基于攝影測量技術(shù)的三維仿真模型建模方法研究

黃榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亞星 趙真真

( 閩江學(xué)院地理科學(xué)系 福建福州 350108)

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基于攝影測量技術(shù)的三維仿真模型建模方法研究

黃榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亞星 趙真真

( 閩江學(xué)院地理科學(xué)系 福建福州 350108)

為了解決傳統(tǒng)三維建模速度慢、數(shù)據(jù)量大、精度不高的問題,并且能夠盡可能地降低成本，快速地建立高精度的三維仿真模型，研究將數(shù)字?jǐn)z影測量引入到三維建模中，以快速地獲取地物高精度的幾何和高程信息，并結(jié)合3DS MAX軟件進(jìn)行三維仿真模型的制作，大大地提高了建模效率。

攝影測量；三維建模；3DS MAX

0 引言

目前,以“數(shù)字城市”為標(biāo)志的城市信息化建設(shè)正在全國范圍內(nèi)迅速展開。數(shù)字城市建設(shè)過程中，二維空間數(shù)據(jù)已不能滿足社會發(fā)展所需，三維模型將被廣泛建立和應(yīng)用。三維景觀模型的需求日趨增加，同時三維模型也便于決策者客觀全面分析和解決問題。

近幾年，很多學(xué)者對三維建模技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，例如，李雯[1]在《Auto CAD三維實體建模的方法研究》一文中提到，通過利用Auto CAD軟件中平面視口命令，將三維實體模型轉(zhuǎn)換為二維視圖的方法，并指出了在實際操作中容易遇到的問題以及解決方法；謝明輝[2]等通過ArcGIS以及SketchUp這兩大軟件為平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、處理，建筑物建模和三維模型與校園遙感影像的疊加等操作步驟，來實現(xiàn)三維數(shù)字校園的可視化；李香清[3]等從城市景觀模型特點(diǎn)出發(fā)，分析了既往各種三維建模方法，并以Skyline為軟件平臺，完成了黃河景觀帶的三維建模；胡春霞[4]等在城市三維建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，對文化遺產(chǎn)的相關(guān)實體、建筑物、展覽區(qū)、景區(qū)等進(jìn)行真三維建模，構(gòu)建文化遺產(chǎn)的真三維虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)了三維建模技術(shù)的應(yīng)用功能。綜合上述，三維建模技術(shù)發(fā)展愈加成熟，在城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查等領(lǐng)域?qū)ζ涞男枨笠踩找嬖黾印Ｄ壳埃鞣N三維建模技術(shù)方法也被大眾所關(guān)注，而大多數(shù)的研究都是基于傳統(tǒng)的三維建模方法上。隨著全數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在城市測繪行業(yè)中逐漸推廣和普及，利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)建立三維模型，是較為實用的一種方法，數(shù)據(jù)的獲取較為簡便，模型的建立也較為精確。因此，本文立足攝影測量技術(shù)的基礎(chǔ)，以3DS MAX為軟件平臺，進(jìn)行快速且準(zhǔn)確建立城市三維仿真模型的建模方法研究。

1 基于攝影測量的三維建模技術(shù)

數(shù)字?jǐn)z影測量是利用所采集的數(shù)字、數(shù)字化影像，在計算機(jī)上進(jìn)行各種數(shù)值、圖形和影像處理，研究目標(biāo)的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數(shù)字產(chǎn)品和可視化產(chǎn)品[5]。通過攝影測量技術(shù)，可以獲得高精度的地形圖、高程和數(shù)字正射影像等信息。

1.1 基于攝影測量的三維建模技術(shù)特點(diǎn)

基于攝影測量的三維建模技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)數(shù)據(jù)處理的全過程均在計算機(jī)上完成，其中包含了傳統(tǒng)的攝影測量的每個部分。

(2)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)具有成像速度快的特點(diǎn)，能夠迅速地捕捉到地面物體高精度的幾何特征和高程數(shù)據(jù)；地面建筑空間幾何精度可以達(dá)到厘米級，數(shù)據(jù)更新較容易[6]。

(3)基于攝影測量技術(shù)的三維仿真模型的制作與一些傳統(tǒng)的計算機(jī)動畫不一樣，這種模型的制作是根據(jù)攝影測量所得的地面建筑物真實的幾何和高程數(shù)據(jù)，建立真實的三維模型[7]，其坐標(biāo)是真實模型的空間坐標(biāo)，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

1.2 建立三維仿真模型

1.2.1 基本模型的制作

本次模型的建立，主要是在3DS MAX軟件中完成。利用3DS MAX建模軟件建模所采取的是測量建模中的直接依圖建模方法[8]。在運(yùn)用3DS MAX構(gòu)建三維模型時，首先通過攝影測量技術(shù)獲取三維建模數(shù)據(jù)，并對所獲取的三維建模數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)處理，隨后進(jìn)行基本模型的建立。

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入

建模的過程中，首先要將建筑物的基本輪廓以某個比例尺導(dǎo)入到3DS MAX中，然后把基準(zhǔn)定在某個易于識別的特征點(diǎn)上，將底圖在軟件界面上歸零。為了防止底圖會發(fā)生移動而導(dǎo)致真實的坐標(biāo)位置發(fā)生偏移，最好是將底圖在軟件界面上歸零。

(2)建立模型

建筑物模型建立是根據(jù)二維底圖和照片紋理進(jìn)行相關(guān)尺寸計算，然后在建模軟件中建立模型。在實際生產(chǎn)中，模型的建立要根據(jù)不同規(guī)范要求進(jìn)行取舍，并要求最大程度對模型的面數(shù)進(jìn)行精簡，同時不能損壞模型正確性，防止出現(xiàn)浪費(fèi)數(shù)據(jù)量的現(xiàn)象。

在三維建筑模型建立之前，需要對整個建筑物進(jìn)行一個整體結(jié)構(gòu)分析。將整體結(jié)構(gòu)分為多個部分，并依次對每個部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷各部分為規(guī)則體或是不規(guī)則體，確定建模方法；接著，再分別采用相應(yīng)的建模方法，對模型進(jìn)行構(gòu)建。整體結(jié)構(gòu)的分析有利于構(gòu)建完整清晰的建模思路，對整體結(jié)構(gòu)的全面梳理，能夠簡化建模繁瑣的過程，有利于提高建模的效率。在本次的建模過程中，主要采用了細(xì)分法和堆砌法這兩種常用的建模方法。細(xì)分法常用于不規(guī)則結(jié)構(gòu)的模型建立，先通過基本幾何體構(gòu)建一個大概的基本結(jié)構(gòu)，然后再將各個部分細(xì)分，進(jìn)行細(xì)節(jié)上的精化。堆砌法適用于較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)體，它是從零散到整體的建模方式，通過各個部分獨(dú)立構(gòu)建，最后一部分一部分地堆砌在一起，而組成整個大結(jié)構(gòu)體。本次選取的建筑物，主要由一幢主樓和兩側(cè)的兩幢小樓、以及主樓體前的廣場組成。從整體的結(jié)構(gòu)上來看，主要分成3大部分進(jìn)行模型構(gòu)建。而各個部分的結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，不能夠直接通過基本幾何體構(gòu)建完成，因此需要同時利用兩種建模方法共同建模，見圖1。

在三維模型建立中，對規(guī)則結(jié)構(gòu)的建立可以先根據(jù)外形分為方形建筑物、圓形建筑物、異形建筑物等。對方形或圓形建筑物類基本的規(guī)則模型建立較為簡單，只需要在3DS MAX中，依據(jù)底圖以及已知的高程值，通過修改器面板中的擠出命令來實現(xiàn)。異形建筑物的構(gòu)建，可以通過基本模型體精化得到。例如建筑物中的弧形體建立，規(guī)則的弧形體可以選擇兩點(diǎn)畫弧方法，確定并捕捉到弧體的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。而復(fù)雜的異形弧形體可以通過基本幾何體堆砌，利用布爾運(yùn)算命令，進(jìn)行相關(guān)操作運(yùn)算，即可得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。

1.2.2 地面建筑紋理的采集

制作三維仿真模型，需要建筑物真實的紋理信息。紋理信息主要包括實地拍攝的建筑物的相片和影像中的建筑物頂部信息，所以需要外業(yè)用高精度的數(shù)碼相機(jī)，沿著某個方向仔細(xì)地拍攝建筑真實詳細(xì)的紋理信息，作為構(gòu)建模型時的參考信息，以及在模型建立完成后的材質(zhì)貼圖。

通過數(shù)碼相機(jī)外業(yè)采集的紋理，存在拍攝角度、光照條件等客觀因素影響，需要通過制圖軟件Photoshop進(jìn)行裁切、校正以及變換等相關(guān)的處理，調(diào)節(jié)色彩、亮度、對比度等相關(guān)問題，以還原建筑物材質(zhì)本質(zhì)。如圖2所示，該圖為外業(yè)采集的未經(jīng)處理的紋理圖，可以看出圖上有一些遮擋物以及拍攝角度存在一定的傾角，此時需要對該圖片進(jìn)行角度糾正處理，并在正視基礎(chǔ)上去除遮擋的雜質(zhì)；除此之外，圖片中還有較大區(qū)域面積的瓷磚，由于瓷磚數(shù)量較多，而貼圖分辨率有限，會導(dǎo)致整體瓷磚的模糊，因此可以單獨(dú)處理好清晰的瓷磚模板，并根據(jù)實際瓷磚數(shù)量將模板平鋪在該貼圖中，即可解決瓷磚模糊的問題。

1.2.3 模型導(dǎo)出

建立好的模型要進(jìn)行質(zhì)量的檢查，模型是否已經(jīng)最大程度的逼近真實的建筑，紋理信息是否丟失是否失真，紋理的大小是否合格，命名是否規(guī)范，進(jìn)行質(zhì)量檢查過后的三維模型就可以導(dǎo)出，如圖4所示。

2 3DS MAX建立三維仿真模型關(guān)鍵技術(shù)

在3DS MAX中建立三維場景，三維模型整體面的總數(shù)量、模型的總個數(shù)以及貼圖文件的數(shù)量和貼圖文件的大小直接決定了文件所含的數(shù)據(jù)量，從而影響了整體的運(yùn)行速度。所以如何對三維模型進(jìn)行優(yōu)化，減少文件數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)行速度是三維模型建立的關(guān)鍵之一；除此之外，三維模型紋理貼圖的外業(yè)拍攝和處理貼圖的方法以及效果，在對三維模型的渲染中起著至關(guān)重要的作用。

在進(jìn)行三維建模時，要時刻注意模型所使用的頂點(diǎn)數(shù)、邊數(shù)以及面數(shù)，盡量精簡優(yōu)化模型，以免造成不必要的數(shù)據(jù)浪費(fèi)；在不影響整體的情況下，刪除隱藏的多余的面。外業(yè)紋理的采集有一定的原則性，外業(yè)紋理的拍攝過程中，要注意拍攝的時間、拍攝的角度等問題，最好是選擇陰天或者陽光較為柔軟均勻的時間進(jìn)行，能盡量避免照片的色彩失真問題，可以更好地還原建筑物的真實場景；其次，在拍攝的過程中盡量地沿著建筑物的某個方向進(jìn)行，并且盡可能地進(jìn)行多個角度的拍攝，有利于對建筑物結(jié)構(gòu)特征的識別；除此之外，為了讓建模者能通過照片很好地理解建筑物結(jié)構(gòu)，需要盡可能多的照片和一定的空間想象能力，以及熟悉一些建筑物建筑結(jié)構(gòu)的基本常識等。

三維仿真模型是要盡可能的還原建筑物真實形態(tài)，因此對模型紋理的處理要保持貼圖紋理的清晰度。由于色彩等客觀因素的限制，在紋理采集過程中可能會出現(xiàn)色彩失真、角度傾斜、紋理丟失、紋理遮蓋等各種各樣的問題，這就需要建模者有扎實的貼圖紋理的處理技巧，否則就會影響三維仿真模型制作的精度。

3 結(jié)語

隨著攝影測量技術(shù)的深入發(fā)展，當(dāng)今的攝影測量技術(shù)已趨于成熟，它在數(shù)字城市的建設(shè)與發(fā)展中起到了巨大的推動作用，已經(jīng)成為建設(shè)數(shù)字城市的核心技術(shù)基礎(chǔ)。本文通過實際操作，對基于攝影測量技術(shù)三維建模技術(shù)進(jìn)行闡述，通過充分發(fā)揮攝影測量技術(shù)與 3DS MAX 建模軟件的優(yōu)勢，將二者結(jié)合起來對建筑物進(jìn)行快速地三維建模，從三維建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取，到三維仿真模型的建立，過程操作迅速簡易，有效地提高了建模的速度。利用該方法進(jìn)行精模型的建立，避免了復(fù)雜繁瑣的操作過程，且建模精度較高，能達(dá)到規(guī)范要求，最重要的是該方法建立的三維模型都具有真實的三維空間坐標(biāo)，符合實際建模的需求，有助于數(shù)字城市的建設(shè)。當(dāng)然也還存在著很多問題，需要廣大人員進(jìn)一步研究探討。

[1] 李雯. Auto CAD三維實體建模的方法研究[J]. 電子設(shè)計工程, 2015(11):48-50.

[2] 謝明輝, 張奇. 基于ArcGIS和SketchUp的校園三維模型設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報, 2015, 31(5):90-92.

[3] 李香清, 閆浩文. 基于Skyline數(shù)字城市三維建模方法探索[J]. 甘肅科技, 2015, 31(2):66-67.

[4] 胡春霞, 張紅軍, 張鳳梅,等. 基于城市三維建模技術(shù)的文化遺產(chǎn)三維虛擬系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代測繪, 2015(3):30-33.

[5] 沈文慧, 寶力杰, 姚姝娟. 數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用[J]. 西部資源, 2015(2):111-115.

[6] 趙麗梅. 基于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的三維建模方法探討——以數(shù)字沈陽三維建模為例[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)旬刊, 2015(2):19-20.

[7] 曾浩, 范巍, 劉惠,等. “數(shù)字城市”三維建模技術(shù)[J]. 地理空間信息, 2013(3):26-28.

[8] 何威, 潘紅偉, 呂建勛. 3Ds Max在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用[J]. 科技與創(chuàng)新, 2015(13):100.

Research on modeling method of 3D simulation model based on Photogrammetry Technology

HUANGRongLINCencenWUJiaSHENXuefanLIYaxingZHAOZhenzhen

(Department of Geography, Minjiang University, Fuzhou, 350108)

The ways of traditional 3D modeling has some problem, such as slow speed , large amount of data, low accuracy and so on. In order to solve those problem, digital photography measurement was introduced into the three-dimensional modeling, which can access feature high-precision geometry and elevation information rapidly. Otherwise, this paper based on 3Ds Max as software platform, to realize the efficient modeling.

Digital photogrammetry; 3D Modeling; 3DS MAX

福建省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201510395027)

黃榕(1993.12- ),女。

E-mail:78532858@qq.com

2016-05-19

TU198

A

1004-6135(2016)10-0107-03