基于3DMax的校园场景可视化的设计与实现

曾影，张雪松，单莉

（华中师范大学城市与环境科学学院，湖北 武汉430079）

0 引言

随着计算机技术和地理信息技术的不断发展和进一步结合，很多学校建立起了各自的校园地理信息系统，在学校的信息化管理中发挥了一定的作用，但这些系统大都是基于2D或2.5D的，很难直观形象地表达地物［1］.随着虚拟地理环境的概念和技术的提出，三维GIS技术越来越广泛地应用于校园地理信息系统建设中.三维虚拟校园系统可以为数字校园提供一个三维平台，能生动地展现真实的校园景观，实现与用户的动态交互，从而能让用户对学校的资源和布局进行浏览和查询，具有很好的展示功能和实用价值［2］.常用的3D建模软件有AutoCAD、3DMax、Sketchup、CorelDraw等图形软件，利用它们可以做出形象逼真的三维模型.3DMax是由美国的AutoDesk公司开发的一种基于矢量的三维造型和动画设计软件，它可以制作出非常逼真的三维实体及动画.它主要是运用计算机图形生成和图形处理技术模仿真实现象，建立具体的模型，产生形象逼真的图像或动画［1］.

1 利用3DMax建模

利用3DMax平台进行校园景观模型的构建，首先利用截图工具获取Google Earth上的影像数据、再利用数码相机对建筑物获取近景和详细的影像资料.接着利用AutoCAD对影像资料进行矢量化处理，绘制出建筑物前、后、左、右、顶、底6面的CAD底图.然后通过3DMax对建筑物进行三维建模，最后将建筑物的纹理信息、高度信息整合到3DMax平台中，完成校园场景建模.

1.1 建模的方法及过程 3DMax中通常有3种建模方法，即多边形建模、面片建模及NURBS建模.建筑物多使用多边形建模方法，这是比较传统且目前发展最为完善的方法.把建筑物粗分为几个部分分批建模，建立墙体并按一定的比例把它们合成一个整体，这是最初的“坯房”，可以说是万丈高楼的地基.本文中的建筑物都是采用“矩形—编辑样条线—附加—挤出”的多边形建模方法进行建模的.模型建好之后再赋予模型材质和贴图，本文中采用“编辑网格—材质编辑器—位图”命令实现贴图和添加材质.最后加入灯光技术、摄像机技术，调整好角度便可渲染出图.

1.2 三维建模的基本步骤 三维建模的基本流程如图1所示：

图1 三维建模的基本流程图

1.3 建模精确度 模型精度的关键在于目标物数据资料的准确性.数据采集的方法有：从Google Earth上获取俯视图的影像数据；利用动态GPS采集相应的点位数据［3］；利用高分辨率数码相机进行纹理、贴图的采集和近景细节的拍摄；实地进行观测并手绘记录特殊视角；查阅建筑物的历史资料.根据建模过程中精度要求的差异有选择地采用不同的收集方法或综合几种采集方法来提高建模精度，建模过程严格按照采集的数据资料进行.

2 以校园办公大楼为例

2.1 图像数据的获取及矢量化

2.1.1 建筑物图像数据的获取 获取建筑物的影像数据是建模的第一步，首先从Google Earth上获取行政大楼俯视图的影像数据，再利用数码相机对建筑物进行近景拍摄获取细节信息，根据建筑物的特殊角度，如被树枝挡住不能进行拍摄的部分进行手绘记录，还可以查阅历史资料.

2.1.2 高度信息提取 高度信息在三维建模中是很重要的，主要用来表达三维模型的高度值，模拟模型和真实建筑间的高度关系.建筑物的楼层数通过现场观测获得，楼层数为5层，楼层高度以每层3.5m进行计算得出楼层总高度为17.5m，还可以把获得的影像数据放置于网格中，利用建筑各部分的比例进行模拟.

2.1.3 绘制建筑底图 把从Google Earth上截取的影像和利用数码相机拍摄的照片资料导入AutoCAD 2004，结合建筑物的历史资料和长宽高等信息绘制建筑物的俯视图、正视图、左视图、右视图和后视图的等底图，再把底图组合成一个整体，以便在3DMax中建模使用.如图2所示，这些建筑物底图都将用于建模过程中.一栋好的建筑模型取决于它的构造，建筑物底图的准确性十分重要，但在建模过程中可以适当地做一些细微的改动.

2.2 在3DMax中建模

2.2.1 在3DMax中进行几何建模 将建筑物的CAD底图导入3DMax中，利用旋转和拖曳等工具把各个方位的底图按方向和位置安置到位.采用“矩形—编辑样条线—附加—挤出”命令进行墙体的创建，实际上是二维转变为三维的过程.每一面墙体为一个单位，在墙面的基础上“挖出”门窗的位置，使之形成“空洞”，再把相应的门窗镶进去.完成之后把各部分组合起来，形成建筑物模型的基本框架，几何建模过程如图3所示.

图2 建筑物的底图

图3 几何建模过程

2.2.2 在3DMax中贴纹理和材质 本文中主要采用高清数码相机拍摄的地面近景影像补充要模拟的纹理.使用“编辑网格—材质编辑器—位图”命令实现贴图和增加材质.

初步贴上的图片是很不规则的，我们需要运用修改工具中的UVW贴图坐标工具进行调整.为了增加美观性，可在进行纹理映射前，对采集的照片进行处理.受拍照时间、角度、光线等影响，可使用PhotoShop对照片进行光亮度和色调的调整；由于取景时受拍摄角度的限制，树木等掺杂因素影响需要进行修复、裁剪等处理，可利用仿制图章工具进行处理；在拍摄大型建筑物时得到的图片常常带有一定的倾斜，可以在PhotoShop中进行拉伸变换处理，从而获得良好的贴图文件.

2.2.3 添加摄像机、灯光和外景 在做好的主建筑模型的基础上，添加摄像机技术，通过调节焦距、镜头的位置来确定最后渲染出的产品的角度，摄像机一般放在1.6m的高度，模拟人看到的场景.在所显示的场景上添加外景的设置，最后加入灯光效果，根据具体情况细调灯光参数.本文中采用的是平行目标灯的灯光类型.

2.2.4 渲染成图 选择建筑物模型最佳的呈现角度，把场景调整好之后渲染出图.渲染出的图文件格式为tga，如图4所示.

2.2.5 在PhotoShop中进行后期处理并制作效果图 把在3DMax渲染出的效果图导入PhotoShop进行后期处理，加入灌木、人物、树林、草地、天空、瓷砖地面，使整个画面更加真实，有活力.注意从3D Max导出的文件拓展名为tga，tga文件通道选项中有Alpha通道，可以把天空和物体分离开来，便于添加远景和近景的psd文件.最后把效果图存储为jpg格式的图像文件，平面效果图如图5所示.

图4 渲染后导出3DMax的模型

图5 平面效果图

2.2.6 导入ArcScene里添加漫游技术 ArcScene中显示三维场景的关键在于为一维或二维符号赋予高程信息和渲染方式，将原来的点、线、面显示为三维物体.这可以通过改变点状地物、线状地物和面状地物的符号属性来实现［4］.根据不同地物三维再现的需要，校园中线状地物如道路可以根据线状地物的轮廓特征通过拉伸图片建立；面状地物如广场、草地等可以利用贴图实现；点状地物如路灯、垃圾桶、树木、建筑物、人等可以直接使用ArcGIS模型库里所提供的三维模型表达，特殊的地物如主要建筑物、次要建筑物及所要表达展示的地物，则由3DMax根据实际外观建模和渲染出的三维模型完成，根据一定的比例和方位，导入ArcScene场景中.

打开ArcMap软件，添加ShapeFile文件，然后把编辑完成的ShapeFile文件导入ArcScene中，添加外部模型和内部模型，调整角度，可以利用三维漫游、飞翔等功能，进行校园场景的浏览查询，还可以通过人机交互选择漫游路径和飞行途径，进行个性化浏览.最后使用Animation工具进行模拟场景的录像，最后导出录像.

3 建模过程中的困难和优化技术

3.1 在导入矢量化文件时需要注意的问题

1）导入CAD文件前，尽量删除与建模无关的内容，否则会将隐藏的CAD图块一起导入到3DMax中，极大地拖慢了3DMax的速度.

2）导入CAD文件时，要把单位设置为毫米，保证了导入3DMax中的CAD图与原CAD中的图比例为1∶1，这样可以在由平面生成立体的过程中，保证高度是按实际尺寸进行拉伸的.

3）导入CAD文件后，把各部分的CAD底图作“成组”处理，以便使用冻结和隐藏功能方便建模的操作.

3.2 校园场景可视化中3DMax的优化技术 为了提高建模的效率和美化模型外观，必须使用恰当的技术对3DMax文件进行优化，提高建模效率，降低文件大小，使模型外观更逼真，场景更明亮.

1）尽量采用标准几何体和几何图形工具建模.标准几何体的节点比较规则，运算量小，可降低文件的数据量.同时使用标准几何体建模也比较简单便捷.

2）去除冗余面.冗余面是指可要可不要的面.比如建筑物的底部和背面，它们的存在与否不会影响到场景的整体效果.

3）纹理技术.为了获得良好的纹理数据，收集纹理信息时应选择光照和天气都良好的时间，利用高清数码相机选择合适的角度进行采集，可提高纹理的清晰度和模型的精确度.

4）实例技术.在虚拟场景中有许多对象虽然位置不同，但几何图形是一样的，这时可使用实例工具，比如一栋楼不同位置的窗户、街道的树木等，在创建时可使用移动实例和阵列实例工具实现.实例工具与复制是有本质区别的，不会增加内存的负担，降低文件大小，提高系统的运行速度.

5）摄像机、灯光技术.在把模型渲染出图之前，先要创建摄像机，设置好角度、焦距、视野等参数，使效果图中的模型呈现出最优的视角.本文中使用的是目标摄像机类型，摄像机的高度是1.6m，模拟现实中人的视觉高度，角度是45度.为了使模型看起来更加真实，我们可以加入灯光效果，模拟现实室外场景的太阳光，本文中采用的是目标平行光类型，从摄像机的方向进行打光，更好地展示模型外形，使模型的外观明暗有别，雄伟壮观，突出立体感.

4 结论与展望

主要讨论了虚拟校园环境中建筑物及其他场景的三维建模方法，并利用3DMax软件对某一具体场景进行三维模型的创建.通过建模实例的设计与实现，验证3DMax在场景建模中的实用性和便捷性，总结了3DMax建模需要注意的问题和优化技术.虚拟现实技术和校园信息化的迅速发展，使虚拟校园技术的实现和设计更加快捷与简单.基于3DMax场景可视化的实现和优化技术，对地理信息可视化等领域的应用具有一定的借鉴价值，同时对于规划设计方案的优化具有一定的现实意义.

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