一种参数化快速建模技术及其应用

何兴富,胡章杰

(重庆市勘测院,重庆 400020)

一种参数化快速建模技术及其应用

何兴富∗,胡章杰

(重庆市勘测院,重庆 400020)

三维数字城市的快速发展催生了大量的延伸业务,常规的依赖于三维建模软件的手工建模方式越来越难以适应快速、规范化、可调整等专业业务对三维模型的更高要求。对此,基于参数和规则的建模技术应运而生。本文以参数化建模技术为基础,结合规则建模技术的特性,实现了一种基于断面的建构筑物快速建模技术,通过设计简单对象的断面和延伸线以及复杂对象各组成部件的断面和空间关系设计,实现建构筑物的快速建模。最后,展示研究成果在辅助城市规划和片区设计成果展示分析等工程项目中进行应用。

参数化建模;断面;快速建模;城市规划设计;道路模拟

1 引 言

三维数字城市经过十余年的发展,取得了长足的进步。在数据建设方面,从初期的基于专业三维建模软件手工建模,发展到现在基于三维激光扫描、机载LiDAR、倾斜影像等技术,都可以快速获取空间点云和立体影像数据快速建模[1];在应用技术方面,从初期的单纯三维展现,发展到为管理、分析、决策服务。三维地理信息技术已经广泛地应用于各行各业,尤其是城市规划、设计和公共决策方面[2]。新兴的应用领域同时也对相关的技术提出更高的要求,如要求模型具有一定的精度、具有可动态调整性等,这些都是当前流行的建模技术所不具备的。

本文分析了参数化建模技术的原理,结合新兴的规则建模技术,以城市规划设计中的相关应用为切入点,提出了一种基于断面的建构筑物快速建模技术,实现对具有一定规则的建构筑物三维快速建模,并可通过参数,实时、动态地调整模型的形态特征。最后以道路、铁路、单轨等城市规划设计项目中的应用为例,展示该技术的应用效果。

2 基于参数的设计技术

基于参数的设计技术是实现三维模型可动态调整的基础。利用三维建模软件生成的模型,获得的是模型的成果本身,丢失了建模的过程信息。如建筑模型,其依据是建模的底面及各层的平面图、立面图等,这些信息只能用于建模过程的参照,而无法与模型本身产生内在联系。一般把这种模型叫“静态”模型,同地理信息数据一样,具有“建成即过时”的特征。对此,一些学者、科研机构和软件开发商提出了新的解决方案,主要包括参数化设计,及在此基础上发展的规则建模等。

2.1 参数化设计技术

参数化设计定义了一个对象的特征和对象间各成员的相互关系。参数化模型可以被理解为一个系统,这个系统的成员之间“相互关联”。参数设计实际上也是对系统各成员之间的“关联关系”的设计,也就是制定系统的规则。而对参数化模型的调整也是指对这些关联关系的调整。只要能够明确给出各层级、层级各组成元素之间的关联关系,就可以建立成复杂但可控的参数化模型,并能够方便地创建一系列在形状或功能上相似的模型方案[3]。

参数化驱动设计技术最早被应用于工业设计领域,然后被引入到建筑设计、路桥设计等领域,如纬地道路系统即是基于参数化设计的解决方案[4]。

2.2 规则建模技术

规则建模指基于一定的规则描述,利用规则定义物体的形状及各部件之间关系的建模方法,主要有基于语义的方法、基于文法规则的方法等,是参数化设计技术的一个延伸。它主要面向特定的领域,如建筑设计等。

在参数化设计的基础上,规则建模技术通过集成领域知识库,将设计的领域知识转化为一系列复杂的规则和组件库。通过对规则的组合和解译,构建得到建构筑物三维模型[5]。规则建模具有参数化建模的优势,但更专注于某一领域。规则和组件库的积累将使新的建模工作效率越来越高,形成前期高投入低回报、后期低投入高回报的效率曲线。

3 基于断面的建模技术

在分析参数化设计的技术特征的基础上,结合规则建模技术的思想,本文提出了一种基于断面的建模技术。该技术的特点是利用一个初始断面,以一定的规则沿一条拉伸线拉伸,形成物体的三维形态,并基于规则给每个面赋予一定的材质,从而形成物体的三维模型。基于断面的建模关键技术主要包括以下几个方面。

3.1 断面坐标转换

断面坐标转换指将断面设计的平面坐标转换到拉伸线PsPe所在的空间坐标系中,如图1所示。

图1 断面坐标转换示意图

图1 中,断面点p(x,y)经坐标转换后得到空间点P(X,Y,Z),根据坐标转换原理,这一过程主要包括以下几个步骤:

(1)从平面坐标映射到空间坐标

由于断面是二维的,要把它映射到三维空间,可以先默认该断面的法线方向为X轴,即将平面坐标系的xy平面映射为空间坐标系的YZ平面,从而有:

(2)考虑拉伸线的倾斜

不考虑拉伸线的方向,只考虑其倾斜时,相当于将断面绕Y轴旋转。设拉伸线的倾斜角为θ,则:

(3)考虑拉伸线的方向

考虑拉伸线的方向,即是将断面绕Z轴旋转。设拉伸线的方向为α,则:

通过坐标转换,可以将一个断面上的各个节点都映射到空间坐标系下,形成三维的断面。将这个三维断面沿拉伸线进行拉伸,并连接各相邻点形成三角面,即可得到基于断面的三维模型,如图1所示。

3.2 转折平滑

一般情况下,拉伸线可能包括多条线段,如果不处理各个线段之间的模型拼接,就会出现模型破裂、交叉等问题。因此,需要考虑各线段之间模型的平滑过渡,转折平滑包含平面平滑和竖向平滑两个方面。空间平滑也叫空间内插,主要采用的技术包括双线性内插、样条函数等[6]。但在工程设计领域,常采用插入圆曲线、缓和曲线等曲线的方式进行平滑。由于实际应用中,对内插的精度要求不高,故本文采用插入曲线方法。

一种通用的解决方案是,通过构建一套规则,提出统一的内插模式。在平面上,考虑线段的方向和交叉情况,任意两条线段的关系共有8种。针对每一种关系,制定相应的内插模式,即可实现任意两线段之间的平滑过渡,如图2所示:

图2 平面任意两条线的8种内插平滑模式

假设断面上任意一点P在相邻线段L1、L2上的空间坐标分别为P10、P11、P20、P21,则形成两条线段La{P10, P11}、Lb{P20,P21}。对这两条线段分别在平面和竖向两个平面内计算内插曲线Cp、Cv,整合Cp和Cv,即得到一条空间内插曲线。在内插的基础上重新构建三角面片,即可得到平滑的三维模型,如图3所示。

图3 平滑处理前(左)后(中)及贴图后(右)对比

3.3 变截面处理

通常,设计的对象不仅包括均匀的具有稳定断面的物体,还包括具有渐变特性的物体,如道路公交停车港的加宽、烟囱从底到顶的收窄等。这一部分物体的建模需要在标准断面的基础上,加入对宽度变化的约束,即具有一个变化的规则。这个规则包括变化的方式和变化的幅度等因素。将这一规则定义为:

Rw{S,D,Q,M,L}

其中:Rw为规则,w代表变宽widden;

S为规则起点,一般用该点到起点的长度表示;

D为变宽方向,在断面坐标系下从0°～360°;

Q为变化的量;

M为变化的模式,包括直线过渡和曲线过渡;

L为规则影响的长度;

通过将该规则绑定到建模流程,可以在距离起点S到S+L的长度范围内进行建模时,重定义断面,形成变宽的模型。以道路为例,效果如图4所示。

图4 变宽处理效果

4 断面建模技术的应用实践

基于断面的建模技术可以建立具有一定规则的物体,如道路、桥梁、铁路等,这些物体可以通过一个断面和变宽处理,即可实现三维模型的快速构建。对于复杂物体,如果可以将其分解为各个具有一定规则的部件,也可以通过先设计拉伸线、后设计断面的模式实现三维建模。

4.1 断面设计工具

断面设计是基于断面建模的基础。本文基于.NET平台的GDI+绘图技术,设计了一个横断面设计工具,可以实现对断面的复杂设计模式,并预置了三角形、矩形、椭圆、正多边形等标准组件,通过对这些组件的组合,可以形成复杂的断面。如道路路基断面、铁路路基断面、单轨轨道断面等。如图5所示。

图5 断面设计工具

4.2 线性物体建模

在城市规划设计中使用三维地理信息技术辅助规划、设计、分析和决策时,经常需要为道路、铁路、轨道交通、管线、沟渠等线性物体进行三维建模。在传统的建模工具如3ds Max等软件中,虽然可以使用拉伸建模的方式,快速建模这些物体的三维模型。但需要手工调整贴图,并且无法对模型进行动态调整。使用断面建模的手段,不仅实现快速、高效的建模效果,并且可以在位置和参数进行调整时,动态地反映出调整后的效果。从而对辅助分析和决策提供有力的技术手段,大大提高规划设计方案定稿的效率。大范围场景下的线性物体建模效果如图6所示。

图6 大范围场景线性建模效果

4.3 复杂物体建模

与线性物体不同,复杂的物体一般无法使用一个断面实现建模。如建筑一般包含裙楼、楼体、楼顶造型等,必须使用多个断面共同协作。规则建模技术在建筑物建模上进行了大量的研究,但一般都是基于大型商用软件实现,且需要制定复杂的规则,不利于技术的推广和使用。

在线性物体建模的基础上,通过制定一些规则,可以将一个复杂的物体分解为多个线性物体的组合,各部件模型共同构成复杂物体的模型。主要的规则有:

(1)连续性规则。定义模型是连续构建还是间隔构建,如一座桥梁,其路面是连续的,但桥墩、路灯等部件是间隔的。

(2)附着规则。可以将一些拉伸线附着到其他拉伸线的相对位置上,从而实现物体部件之间的内在联系。

(3)空间运算规则。当不同的部件之间发生空间拓扑结构冲突时,可以通过三维体布尔运算,实现三角面的裁剪。

连续性规则和附着规则定义了部件如何表现以及部件拉伸线之间的空间相对关系。空间运算规则用于解决各部件模型之间的合并和拼接问题,最终影响到建模的整体外观效果。常见的空间运算规则包括:

(1)裁剪:用于解决两个部件模型之间出现交叉的情况,通过计算三角面的交线,裁掉位于模型内部的面。裁剪一般用于两个部件衔接处的内侧。

(2)拼接:用于解决两个部件模型之间出现缝隙的情况,通过计算两个部件头部断面的空间关系,自动封闭断面之间的缝隙。拼接一般用于两个部件衔接处的外侧。

通过整合这些规则,可以将一个复杂建构筑物分解为各个部件,对每个部件定义其拉伸线框架及各拉伸线之间的附着关系,并为每条拉伸线定义断面信息。在各部件独立建模后,通过空间运算进行剪切和拼接,即可得到建构筑物的整体三维模型。这一建模过程效果如图7所示。

图7 基于断面的桥梁建模效果

5 结 论

本文针对当前三维数字城市建设和应用中对三维模型快速构建和动态调整的需求,以参数化设计和规则建模的思想为指导,实现了利用断面进行快速建模的方法。针对线性物体,可以直接使用断面、延伸线和变化规划的组合直接进行三维建模,针对复杂物体,通过对物体部件进行拆分和分开定义、空间组合实现三维建模。

基于断面的快速建模方法具有原理简单、容易实现、模型可调整等特点。一方面,解决了基于建模软件的三维建模难以修改的问题,另一方面,解决了规则建模中规则定义复杂,需要具有一定编程知识的问题。该方法为各类具有规则的建构筑物快速模拟和动态调整提供了一种有效的解决方案。目前,这一建模方式在园区开发中道路和场地方案设计、规划建筑方案设计等应用领域取得了较好的应用效果,也可以推广到三维数字城市建设和应用的其他方面,辅助规划分析和决策,提高决策的水平和效率。

[1] 李永泉,韩文泉,黄志洲.数字城市三维建模方法比较分析[J].现代测绘,2010,33(2):33～35.

[2] 王瑜,刘西涛,李键玲等.3D-GIS技术的发展与应用[J].甘肃科技,2009,25(8):57～59.

[3] 金建国,周明华,邬学军.参数化设计综述[J].计算机工程与应用,2003,16(7):16～19.

[4] 何兴富,谢征海.基于地理设计的三维道路设计系统研究与实现[J].地理信息世界,2013,20(6):72～76.

[5] 徐汝坤.Esri CityEngine-开启三维规则建模新篇章[OL/ DB].http://wenku.baidu.com/view/bb0c5f3e31126edb6f1a 1015.html

[6] 周汝良,丁琨,石雷.稀疏观测数据的空间内插方法的分析与比较[J].云南地理环境研究,2008,20(4):1～6.

Research and Application of a Modeling Method Based on Section

He Xingfu,Hu Zhangjie
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

The rapid development of 3D digital city brings a lot of extension services,and ask for a fast、standardized and adjustable model build method,but current work mode which depends on 3D modeling software cannot accommodate such needs.So,modeling based on parameters and rules developed.This paper uses parameters modeling technology and binds with rules modeling features,presents a modeling method based on section for building and structures.At last, shows the application effect on assistant urban planning,and present of area design project.

parametric modeling;section;quick modeling;urban planning and design;road modeling

2014—03—05

何兴富(1982—),男,工程师,主要研究方向为GIS应用系统研究与开发。

国家测绘地理信息局青年学术和技术带头人科研计划课题(2013-19)