基于Google SketchUp的數字化校園三維建模技術的研究

范葛芹，周榮生，盧其飛

(南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州 225300)

基于Google SketchUp的數字化校園三維建模技術的研究

范葛芹，周榮生，盧其飛

(南京理工大學泰州科技學院，江蘇 泰州 225300)

以南京理工大學泰州科技學院為例，著重研究了基于Google SketchUp的數字校園三維建模技術，并利用其與Google Earth和AutoCAD等軟件之間具有良好的交互性的優勢，著重闡述了Google SketchUp在數字化校園三維建模方面具有強大功能和特點以及在校園三維電子地圖等實際研究中的應用。

Google SketchUp；AutoCAD；三維建模；應用

0 引言

為了滿足人們能夠更加便捷和直觀的了解學校的規模、建筑設施、學校環境等方面的需求，數字化校園應運而生。在數字化校園的構建中，校園三維建模占著非常重要的地位，構建校園三維模型的方法也有很多種，目前主要應用于校園三維建模的方法有:基于攝影技術測量的校園三維建模、二維GIS(2D GIS)輔助下的校園三維建模、AutoCAD與3DS MAX結合的校園三維建模[1]、利用Google SketchUp進行校園三維建模。與前三種建模方式相比較而言，利用Google SketchUp進行校園三維建模具有操作簡單、易于掌握，節省物力等優勢。

1 Google SketchUp的簡介

Google SketchUp是一款三維設計軟件是由@last softwart公司所開發的一套直接面向地形三維數據建模的建模設計工具。因其具有獨特簡潔的界面，應用范圍廣泛以及易于掌握等優勢歷來深受廣大設計師的青睞。其建模過程不僅能夠充分表達地形特征而且完全滿足地形細貌，地物細微特征的要求，它使得設計師們直接在計算機上十分直觀的構建地形模型，并且構建的模型具有較高的準確性[2]。

2 三維建模的過程

以南京理工大學泰州科技學院為例進行三維建模方法的講解。在校園三維建模過程中，首先要獲取校園三維建模的數據，然后進行校園建模以及后期處理。校園建模一般分為地形建模和地物建模這兩方面。本文采用的校園三維建模數據是原始校區的設計圖紙及文檔資料，將原始校區的CAD圖數據導入Google SketchUp中，利用Google SketchUp中的推拉工具構建校園模型的外輪廓，按照“從大到小，從粗到細，從整體到局部”的方法對校園三維建筑模型進行一一的構建。然后收集校園建筑模型的紋理數據，對校園建筑模型進行紋理貼圖，使得模型更加的逼真。依據對建好的校園模型用途的不同，可以對最后整合好的校園模型進行渲染出圖，這種情況一般應用于校園電子地圖?；蚴窃贕oogle SketchUp中利用“視圖-動畫”這一功能制作校園動畫漫游，這一般應用于對校園的觀光和介紹。

2.1 數據獲取的方法

在校園三維建模中，一般需要獲取建筑物地形圖數據、高程數據和紋理數據這三大塊，它們是校園建模的基礎。當然獲取這些數據也有許多不同的方法，建模者一般可以通過以下這些方法來獲得所需要的數據：攝影測量數據、城市數字地圖、原始校區的設計圖紙以及文檔資料、利用Google Earth提供的免費影像[3]。一般情況下，城市數字地圖與原始校區的設計圖紙以及文檔資料應用于建筑物地形圖數據、高程數據的收集；攝影測量數據和Google Earth提供的免費影像應用于模型的紋理數據的收集。

在本次研究中對校園三維建模數據的收集主要采用的是原始校區的設計圖紙以及文檔資料和攝影測量數據這兩種方法，并且利用Google Earth提供的免費影像這一技術加以輔助。

上這三種三維建模數據收集的方法在建模中省去了大量的人力和物力，大大提高了工作效率，并且提高了建模的精確度。

2.2 地形建模的方法

在校園三維建模中，地形建模是非常重要的部分。地形既有造景的功能又有作為景觀的功能，它是體現校園特征的重要表現方式。在沒有獲得地形準確數據的情況下，建模者可以利用工程測量方法來構建三維地形，如利用傳統的側角、量邊方法進行碎步測量，將碎步數據點導入cass軟件中生成等高線，然后與Google SketchUp和Google Earth相結合來進行構建三維仿真地形[4]。不過在有AutoCAD圖的基礎上最好利用AutoCAD圖，依照AutoCAD這種方法建出的三維地形不僅具有一定的精確度，并且會減少大量的人力和物力的消耗以及會大大的提高三維建模的工作效率。在本次研究中，制作三維地形時采用的便是利用精確的AutoCAD圖來構建三維地形，采用的是先進行局部構建然后進行整合的方法，首先將所需的地形CAD圖導入Google SketchUp中，具體做法：“打開Google SketchUp的工作界面，將單位改成mm，點擊文件菜單下的導入功能，然后打開拓展名為（*.dwg,*.dxf）的文件，點擊關閉，即可完成導入AutoCAD圖這一操作功能?！保ㄔ贏utoCAD進行導入之前要對AutoCAD建模數據進行預處理，詳細講解見下文2.4.1章節）然后利用Google SketchUp中的網格和沙盒工具對已導入到Google SketchUp中的線形進行編輯。具體做法：“將導入到Google SketchUp中的AutoCAD圖進行由線到面的編輯，利用封面的插件或是手動封面。然后利用投影工具將地形投影到網格上，利用推拉工具按照等高線的高程來對地形進行調整，最后利用軟化功能對地形進行軟化處理，使地形更加平緩，更加現實化?！?/p>

2.3 地物建模的方法

地物模型是體現校園真實感建模最為關鍵的部分，所以地物建模這一塊是最為重要和最耗時的地方。在本次研究中采用的是原始校區的設計圖紙，這在建模的精確度和便捷度上給我們提供了很大的幫助，并且大大的提高了工作效率。為了能夠更加清楚明了的闡述三維建模的過程，便以南京理工大學泰州科技學院宿舍2號樓建模的過程為例來對校園三維建模地物建模這一塊來進行詳細的講解。

（1）對建模數據進行預處理

本文中充分利用了Google SketchUp與AutoCAD具有良好的交互性這一優勢，不僅確保建模的精確性并且降低了建模者在三維建模方面的時間和精力。在Google SketchUp中建模時，如在（2.2節）中地形的構建中所講：首先使用Google SketchUp中“文件”菜單下“導入”的功能將所需建模的AutoCAD數據導入Google SketchUp中，但是為了導入Google SketchUp中的AutoCAD數據能夠順利的完成建模，我們需要對AutoCAD建模數據進行預處理[4]，大致有以下幾個方面：刪除與建模無關的信息，如圖案填充、文字、尺寸標志等；編輯線條。刪除重復的線條，將粗線全部炸開為單線；修改圖形屬性。將圖形的寬度和z軸值均設為0；

合并清理圖層。將所有圖形都放到一個圖層中。清理未使用的圖層；要對AutoCAD進行封閉。一般將要導入Google SketchUp中的AutoCAD改成單線以及進行封閉，封閉后的AutoCAD圖導入Google SketchUp中后進行分解后，只要用一根線進行連接，整個面便可封閉，這樣大大減少了后期在Google SketchUp中建模的工作量；尺寸單位統一。將AutoCAD圖都變成1：1的比例，單位為mm.加載AutoCAD圖形的時候，SketchUp中的單位也設成mm；在CAD導入Google SketchUp中不僅單位要改成mm，同時要勾選“保持繪圖原點”。

（2）模型的建立

導入AutoCAD圖。首先找到2號宿舍樓的AutoCAD的底面圖，對其進行預處理，將預處理過的AutoCAD底面圖導入Google SketchUp中，具體操作：打開SketchUp操作界面，修改單位為mm，點開“文件”菜單下的“導入”，打開拓展名為（*.dwg,*.dxf）的文件，點擊關閉，即可完成AutoCAD導入這一操作功能?！?/p>

進行封面。對導入到Google SketchUp中的AutoCAD圖進行分解，對分解后的圖形進行封面，因為在預處理中對AutoCAD已經進行封閉，所以只需要用線將面進行連接，即可完成封面工作。

高程建模。對已經封閉的底面圖，利用推拉工具（快捷鍵p）按照AutoCAD圖中所給的高程進行推拉，具體操作：在鍵盤中點擊快捷鍵P,即出現推拉工具的圖標，將推拉工具放置要推拉的底面上，在Google SketchUp界面的右下角“距離”框中輸入建筑推拉所需的高程，2號宿舍樓的高程為23.500 mm,在“距離”框中輸入2號樓的高程即可完成高程建模這一步驟（如圖1）。

圖1 宿舍區2號樓白模

（3）對模型進行表面處理

如圖1所示，已經拉出宿舍區2號樓的白模，在白模的基礎上要對白模進行表面處理，如加上門窗，樓梯等方面的表面紋理。首先對窗戶的處理，在處理窗戶時要比建白模精細的多，這里更加需要AutoCAD的精確數據與Google SketchUp的結合。具體操作：在AutoCAD中測量窗戶的位置、長度、寬度；返回Google SketchUp中利用卷尺工具（快捷鍵T）在模型上進行上下左右的拖拽來確定窗戶的位置，用直線工具（快捷鍵L）對確定的窗戶位置進行繪制成面，最后利用推拉工具（快捷鍵p）參考AutoCAD數據對窗戶面進行推拉。依次重復對窗口位置進行推拉，直至最后完成窗戶的繪制；完成窗戶的繪制后便對樓梯進行繪制：樓梯分為梯身和扶手這兩個方面，樓身分為踢面和踏面，這部分主要是參考AutoCAD數據然后利用推拉工具進行繪制，只要繪制好一層，利用復制功能一層一層的復制即可。扶手部分則利用圓形工具（快捷鍵C）、推拉工具（快捷鍵P）結合旋轉工具（快捷鍵Q）進行繪制。在窗戶與樓梯繪制完善后，對宿舍2號樓表面的處理也已經完成。

在對地物進行表面處理時（包括2號宿舍樓表面的處理）需要一提的是我們主要對建筑的南面和東面進行了表面處理，北面和西面則采用省略的方法，采用這樣的方法原因有二：第一，從實際研究應運方面來說；進行本次校園三維模型建立的最終目的是應用到校園電子地圖當中，在校園電子地圖中已經定好出圖的角度便是西南方，所以西北方根本不需要進行繪制，這樣可以減少大量的多余工作，提高工作效率；第二，從計算機運營方面:在Google SketchUp中盡量減少物體面的構建，線和面越多越會增加計算機的負荷，為了減少計算機的運行，避免后期渲圖時出現計算機承擔不了模型運行的負荷，導致崩盤的現象，所以采用西北表面進行省略的處理方法則是一個必要的決定。2號宿舍樓在完成表面處理后，這也是這座建筑在建模方面的最后階段，從這座建筑中可以看出利用Google SketchUp進行校園三維建?？梢詽M足對地物細微特征繪制的這一要求（如圖2）。

圖2 女生宿舍2號樓模型表面處理效果圖

2.4 紋理的貼圖

為了使三維數字校園更具有真實性和美觀性，紋理貼圖則是校園三維建模必不可少的部分。在建筑物表面紋理貼圖資料采集的過程中主要采用的方法是攝影測量數據和利用通過Google SketchUp從Google Earth中獲取校園影像的功能這兩種方法。由于Google Earth提供影像數據的分辨率通常為30m,無法或得高清的影像資料，所以一般在相機無法拍攝到的地方利用Google Earth提供影像數據：如建筑的屋頂；主要采用攝影測量數據這一方法來采集建筑物表面紋理貼圖資料，攝影測量數據是通過數字攝影測量而獲得的數據，可以提供豐富的紋理和幾何數據，在拍攝時要選擇最佳的角度，先進行局部拍攝，后期在phtoshop中進行修補和無縫處理，最后在Google SketchUp中進行材質優化。在對于道路、樹木、河流、草坪等建筑構筑物方面一般采用的是Google SketchUp中自帶的材質紋理[5]。為了使地物建模過程更加簡潔明了，便制作了地物建模的流程圖（如圖3）。

圖3 地物建模流程圖

3 場景優化

3.1 添加輔助建筑

為了使整個校園三維模型場景更加形象逼真，還需要對校園中的河流，路燈，植物配置，廣場，長廊，大門等輔助設施進行建模。本次校園三維建模的目的是應用于校園電子地圖，最終所需的是一張高清校園三維模型的效果圖，于是在添加輔助建筑中，植物配置、路燈等輔助建筑是在phtoshop中進行添加的，目的為了減少計算機的運行功率，提高計算機的工作效率同時也達到了校園植物配置場景優化的要求。

3.2 添加光影效果

添加光影是場景優化中不可缺少的部分，Google SketchUp具備“全球地理坐標定位”和強大“光影分析”功能，Google SketchUp的光影是太陽光，光影效果添加的方法是點擊Google SketchUp菜單欄“窗口”下“陰影”命令，便會出現調節陰影的工具欄，陰影的調節可以具體到某天某時，可以模擬建筑物在特定時間和地域下的日照陰影效果，還可以顯示三維模型在霧化天氣的效果，可以實時準確地再現現實場景[6]，光影效果使得校園三維模型更加形象逼真。

3.3 渲染出圖

在對Google SketchUp中模型進行渲染時，vray和lumion渲染器都是很好的選擇對象，vray偏向室內，做景觀lumion優勢要更強一點，Lumion具有入門簡單、渲染時間快、陰影逼真等優勢，在校園三維建模中需要對校園環境和建筑表面進行大量的渲染，綜合考慮在本此研究中采用了lumion渲染器。在渲染出圖時，遇到了比較棘手的事情，由于在Google SketchUp中構建的校園三維模型是按照一比一真實比例進行建模。所以構建的校園三維模型很大以至于無法正常的轉換成高清的圖片。為解決這個問題，經過小組討論以及老師的點撥后，決定采取分區域導出，然后在phtoshop中進行“拼圖”完善的方案，在出圖的過程中為了避免圖片轉換時變動模型的角度和視覺產生變化，導致最后在phtoshop中拼圖產生誤差，解決方案是在Google SketchUp中添加場景以固定導圖時的角度并最終完成了校園三維模型的效果圖（如圖4）。

圖4 南京理工大學泰州科技學院校園三維模型效果圖

4 數字化校園三維模型在實際研究中的應用

4.1 數字化校園三維模型在校園三維電子地圖中的應用

校園建模在校園三維電子地圖中占著非常重要的部分，校園三維電子地圖是運用Google SketchUp建模技術與Lumion的后期效果處理技術的結合，這二者相結合完成數字化校園地圖的基本模型，轉換為具有三維效果的二維矢量圖片，最后在運用計算機API接口技術，實現對原有二維平面地圖的二次開發，并嘗試搭建數字化校園3D電子地圖服務后臺。從校園三維電子地圖建立的具體流程中可以清楚的看出校園三維電子地圖的制作過程和校園三維建模在校園三維電子地圖制作中的重要性（如圖5）。

圖5 校園三維電子地圖制作流程圖

5 小結

經過本文利用Google SketchUp對校園建模的描述，可以發現利用Google SketchUp建模具有很多優勢如：Google SketchUp功能強大，界面簡潔，操作簡單，使用者容易掌握，能極大的節約建模時間，提高工作效率； Google SketchUp與其他的軟件具有良好的交互性，如Google Earth、AutoCAD、Cass等軟件，大大提高了三維數字建模的工作效率；利用CAD為Google SketchUp提供的建模數據，大大降低了生產成本并且保證了建模的精確度；Google SketchUp數據儲存量相對較少并且可以進行三維模型共享，這對數字城市、自然保護區，城市規劃參考等方面具有很重要的參考功能。隨著人們需求不斷的提高數字化校園將會不斷的應用到實際當中來，Google SketchUp的數字化校園三維建模也會得到廣泛的應用。

[1] 李水祥, 洛佳男, 李佳興, 李琳慧, 張雪松. 基于Google SketchUp的三維電子地圖制作與發布[J]. 華中師范大學學報(自然科學版), 2011, 02:329-333.

[2] 張惠均, 張文先. 基于SketchUp地形建模的三維可視化研究[A]. 測繪出版社. 《測繪通報》測繪科學前沿技術論壇摘要集[C]. 測繪出版社:, 2008: 6.

[3] 肖靜. 虛擬校園三維建模的相關技術問題研究[J]. 軟件, 2013, 11:152+160.

[4] 張瑞菊. SketchUp結合GoogleEarth在虛擬校園中的應用[J].計算機應用, 2013, S1:271-272+297.

[5] 時盛春, 雷亮, 常志文, 周慧. 基于Sketchup的數字校園三維建模技術研究[J]. 價值工程, 2015, 25: 168-169.

[6] 宋潔華, 趙志忠, 李婷, 王平, 李少偉. 基于Sketchup的虛擬城市三維建模[J]. 淮海師范大學學報(自然科學版), 2010.

Research on 3D Modeling Technology of Digital Campus Based on Google SketchUp

FAN Ge-qin, ZHOU Rong-sheng, LU Qi-fei
(Nanjing University of Science and Technology Taizhou College, Jiangsu 225300, China)

taking Nanjing University of Science and Technology Taizhou College as an example, focuses on the 3D modeling technology of digital campus Google based on SketchUp, and using Earth and Google and the AutoCAD software has a good interactive advantage, focuses on the Google SketchUp has powerful function and characteristics in the digital campus 3D modeling and application in 3D campus map of practical research.

Google sketchUp; AutoCAD; 3D modeling; Application

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.01.012

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目(201613842013Y)

范葛芹(1993-)，女，南京理工大學泰州科技學院，環境設計專業；周榮生(1994-)，男，南京理工大學泰州科技學院，環境設計專業；盧其飛(1995-)，男，南京理工大學泰州科技學院，環境設計專業。

本文著錄格式：范葛芹，周榮生，盧其飛. 基于Google SketchUp的數字化校園三維建模技術的研究[J]. 軟件，2017，38（1）：53-57