互联网2D实景地图转3D拟真地图架构分析

王涛,孙述平,2,李艺贵,涂国雄,2

(1.三明学院海峡动漫学院，福建三明365004;2.台湾义守大学数字多媒体设计学系传播与设计学院，台湾高雄84001)

WANG Tao1,SUN Shuping1,2,LI Yigui1,TU Guoxiong1,2

(1.Haixia Animation College,Sanming University,Sanming 365004;2.College of Communication and Design,I-Shou University,Gaoxiong 84001)



互联网2D实景地图转3D拟真地图架构分析

王涛1,孙述平1,2,李艺贵1,涂国雄1,2

(1.三明学院海峡动漫学院，福建三明365004;2.台湾义守大学数字多媒体设计学系传播与设计学院，台湾高雄84001)

3D拟真地图制作架构将二维的实景平面数据三维化，主要使用3ds Max、Photoshop和网络实景2D数据建构出三维拟真地图。该流程从互联网实景2D地图上搜集对象数据，再以3ds Max制作3D模型并进行3D纹理贴图，提高拟真程度。应用互联网实景2D数据进行3D拟真地图制作，具有不受时间及空间限制的优点，且拟真性高，可作为媒体设计的应用元素。

媒体设计；3D拟真地图；互联网

WANG Tao1,SUN Shuping1,2,LI Yigui1,TU Guoxiong1,2

(1.Haixia Animation College,Sanming University,Sanming 365004;2.College of Communication and Design,I-Shou University,Gaoxiong 84001)

0　前言

3D拟真地图制作的目的是将二维的平面地图三维化。3D场景与对象目前已被广泛使用，不论是在媒体设计方面、游戏方面、电影方面还是医学领域皆有很高的技术和丰硕的成果，因此，地图的三维化是一种趋势。相较于二维的平面地图，三维地图的道路、建筑位置更能表示清楚，且其导览模拟能增加使用者的辨识度。因此，本制作以互联网地图现有的2D资料制作台湾义守大学三维地形地物模型，并分析和讨论其制作流程[1]。

3D拟真地图制作三维建筑的做法分为重点式建立细致三维模型、重点建筑物细致化与一般建筑物简单化、区域全面性细致化建筑物群这3种层级。

1)重点式建立细致三维模型。这是最基本、初步的一种方式。做法是将该地区地标或重要的办公大楼、桥梁、球场、古迹等建筑物建立精细模型并于表面加以贴图以提高拟真度。此方法的优点是可以凸显当地重要、指标性建筑物，而且在网络的浏览速度亦相当快速，缺点是缺乏整个城市的三维视景信息。

2)重点建筑物细致化与一般建筑物简单化。这是第二层次，亦是目前较广泛的做法，对于一般非重要性模型，需要建立全面、区域性的简易多边形块状三维建筑物模型。此方法的优点是既可凸显当地重要性指标建筑物，又可以对整个城市有一个立体的概观视景，供用户参考，在网络上浏览的速度亦不会令人感觉迟缓难耐，是一个较为折中的方法，唯一的缺点是，对一般性建筑物模型的制作有些过于简单，没有真实表达该建筑物的轮廓，不利于日后更深入的三维GIS 加值应用。

3)区域全面性细致化建筑物群。这是目前少数国家采用的方法，做法是不论建筑物的重要性与否，全面建立细致化的三维建筑物模型，并于表面予以贴附材质，该方法费时费力，需要投入极大的人力、时间等建立大规模的数据。而此法的优点是建立此数据库之后，将可得到该城市最真实的三维视景，并且每一栋建筑物都有最真实的信息，未来可达到较精细、准确度要求较高的查询、分析应用，缺点是此方法所建立的数据库内容在个人计算机上或许还可接受，但是要同时打开整个区域高度细致化的三维模型时，由于每个模型所使用的节点、组成边、组成面比简单化模型大得多，再加上贴附在模型表面的材质多为文件格式较大的图片档案，因此整个档案量将放大到目前网络流量不可负荷的程度，在网络上实时读取该区的模型数据时，用户将因等待感到不便，在“实时”的应用上较不适合。本研究是以“重点建筑物细致化与一般建筑物简单化”来制作3D拟真地图，以达到实时制作3D地图的目的。

一般而言 3D模型的制作会先进行现场勘查，量测实际的对象数据，拍摄照片，本研究的3D拟真地图建模流程与一般的3D地图建模流程在数据的撷取上有所不同。传统的建模流程是以实地勘查取得地形地物数据，因此，数据的来源较为确实，另外，由于是实地拍摄图片，可以依据需求进行拍摄，拍摄照片的分辨率、精致度也较整齐。但缺点是，实地勘察需要投入大量人力，并且需要大量的时间进行规划和拍摄，因此，虽然传统的建模流程能制作出符合拟真度的模型，但数据的取得受时间、空间及资源的限制。

三维地图已有人构思制作，但它最大的困难在于制作的建筑对象既繁多又庞大，若以传统的实地勘查方式来制作相当消耗资源，因此，现在的三维地图模型大多是藉由招揽的方式，用招揽的方式让世界各地的人分享自己制作的建筑模型，然后再合并这些对象制作而成。只是这种用招揽的方式缺乏规划，虽然可以搜集到大量模型，但缺乏完整性，因此最后发展成由三维模型(地标)和二维地图结合的半三维地图。本文的特色在于除了节省时间和增加便利性外，它有一个较为完整的规划，能完整地制作所需的区域。

1　3D拟真地图制作规格与方法

本研究制作三维地形地物模型所使用的工具为3ds Max、Photoshop以及互联网地图。互联网地图是数据的来源。可以通过查看地图记录建筑和地形的外观和尺寸，并从互联网地图撷取所需要的图片。由于从互联网地图撷取的图片往往都是歪歪斜斜的，因此需要利用Photoshop来修整图片。3ds Max是建模工具，负责制作地形和景物的模型。模型的建置分成三部分，分别是建筑、地形以及地物。本文以台湾义守大学为例制作3D拟真地图。整个义守大学3D拟真地图制作的过程是事先分别将各个模型的部分完成，然后再整合在一起，如图1、图2。三维地形地物模型分成三部分，分别是建筑、地形以及地物，如图3所示。架构分析如下。

图1　3D拟真建模完成资料互动流程图

图2　3D拟真建模完成模型互动流程图

图3　3D拟真建模架构阶层图

1.1建筑

制作建筑物的第一步，就是先上互联网地图寻找制作的对象(以台湾义守大学科技大楼为例)，了解这个对象的外观、特征以及比例尺寸(如图4)。

了解并记录建筑物对象的特征后，便可依据观看时所记录的数据使用3ds Max制作模型主体,如图5。制作模型的方法有很多种，使用多边形建模或是曲线建模都可以。

对象主体制作完成后需要“贴图”才会有拟真效果，因此必须在地图上截取需要的图片(或是有雷同的图亦可)进行贴图，要注意的是截下来的图通常不是工整的(或可能是模糊的)，因此在贴图前需要利用Photoshop处理图片(如图6)。

完成修图后，将处理好的图片依照记录的数据贴到对象上即可(如图7(a))。接着再完成剩余的零件(如屋顶、大门等，图7(b))。完成的对象与实景比较如图8所示。

图4　Google地图搜寻对象数据

图5　制作建筑主体

(a)

(b)图6　3D拟真物件贴图

(a)

(b)图7　3D拟真对象组件合成

图8　3D物件实景图

1.2地物

地物与建筑的建模方法基本相同。以网球场为例。首先，上互联网寻找网球场的数据和图片。然后，用Photoshop修饰图片(如图9)。最后，将模型建好贴上图便完成(如图10)。

图9　网络2D对象示意图

图10　3D拟真对象完成图

1.3地形

地形的建置与上述两者不同。由于有许多斜坡，必须调整高低差，因此，需首先利用地图以及等高数据作为调整地形高低度的参考标准，接着以该参考模型来制作地形(如图11) 。

图11　等高地形示意图

1.4合并建模

待地形完成后，即可将建筑和地物放入，再进行调整完成整体地形地物3D模型(如图12)。

1.5媒体动画制作

合并建模后的3D地图，可依据脚本进行相关动画制作，如图13所示。

使用3ds Max建模及制作动画的优点在于制作的流程相当多样化，相同的模型其制作的方法能够依据个人的想法和创意来制作，配合设计者擅长的做法和步调，提高建模的速度和拟真度。

图12　子对象(地形、地物、建筑) 整合

2　3D拟真地图应用与优劣分析

本建模流程较为费时的部分有三：第一，对象的分析和纪录。制作前必须充分了解建筑物的外观、格局和特征，尤其是比例，由于在观看地图时，没有实际大小的数据，因此须小心拿捏。第二，图片的修改和收集。一个建筑物往往有许多图需要处理，且建模的特效拟真皆由贴图决定，因此需要依需求调整图片。第三，检查动作。完成一个动作后及时检查比例、贴图和细节。制作一个建筑需很多贴图，各建模合并后所累积的贴图量更为庞大，因此，合并后贴图或比例错误、细节疏忽的修改很麻烦[2]。本研究建立的3D建筑、地物及地形对象如表1。

完成上述对象后便可开始整合。先以地形作为一个方向以及位置的辨识基础，再依序将3D建筑置入。放入时地形和建筑是无法契合的，必须通过微调和改变才能使其结合。结合后，只要再将地物依照位置排放就可完成如图14所示的3D地图。

除了分开制作子对象再整合的方法之外，还可以建筑物为互联网地图方向和位置的依据，再从建筑物延伸出地形。该方法的好处是建筑物和地形一体成型，不用再做额外的地形建置与微调。

表1义守大学地形地物3D拟真物件表

3D建筑综合教学大楼、科技大楼、理工大楼、活动中心、体育馆、国际学院、E咖啡地形人行道路、车道、大小广场、阶梯、坡道地物二一池、三二石、凉亭、游泳池、网球场、操场、篮球场、司令台、户外剧场、候车亭、大门、树林

图14　3D拟真地图

本研究探讨了传统的3 D地图建模架构和以互联网2D地图建至拟真3D地图架构的优劣。表2是传统的3 D地图建模架构和互联网2D地图建至拟真3D地图架构的优劣比较表。表2显示制作过程中，以互联网地图作为蓝图来建模，有以下缺点：第一，互联网地图其实观看的地方有限，它并非每个区域都会拍摄，这会造成建模上的缺失，而且互联网地图拍摄的角度也有限，这亦会使得高处的部分模糊或是建筑被其他的对象挡住，因此必须另外再搜集一些网络的图片来辅助。第二，互联网地图因拍摄时间不一，可能拍摄的是几年前的建筑，会缺乏建筑的真实性，也会造成远近距离的景物不同的现象。

互联网地图的建模架构没有空间、时间的限制，取得数据也非常方便、快速，只要连结互联网搜索引擎便可取得，但也具有数据不完善，图片的分辨率不佳及互联网地图数据的实时性不足的缺点[3]。

表2实地勘查与网络撷取数据比较

优缺点实 地 勘 查互联网地图优点1)对象的数据取得较为完整2)拍摄的照片较为工整、完整,且其分辨率较高1)无空间、时间的限制2)资料取得方便缺点1)有空间、时间的限制1)资料不完善2)需考虑源数据的时间性3)照片分辨率低

虽然以互联网地图作为建模数据的基础还有缺陷，但网络庞大的实景数据量足以弥补互联网地图的不足，因此，以在线数据作为3D拟真建模基础已成为数字内容的发展趋势。3D地图的文件格式经过转换后，可突破时间及空间的限制进行诸多应用。本文以3D动画的模式呈现其应用结果，效果较为理想，如图15所示。

图15　拟真3D动画应用

本3D拟真地图制作架构最大的优点和创新处在于建模不受时空限制，以互联网模型来说，大多是由当地人制作后分享，以互联网的数据来制作则不受距离的限制，即便是国外的建筑模型亦可制作[4]。此外，在地形设定上发现以卫星拍摄的地形图虽然拟真度高，但是其精确度却不足，造成地形无法与建筑模型契合。由此可知，地形不能只靠卫星拍摄，还必须如同本制作架构，将地形视为一个三维的模型，利用卫星拍图、等高线地形图等资料来建构。目前一般三维地图是将三维建筑配合卫星拍摄来建构，以上空俯视的拟真度来说的确良好，但若以缩小的视角去浏览反而三维的效果会差许多，这是由于地图只有建筑物和地形，并无其他相关地物作视觉搭配，因此三维地图还是需要地物去辅助内容。使用本制作将3D建模技术与互联网地图结合，除保持一定的拟真程度外，地图内容包含了完整的地形、地物与建筑物，且制作过程不受时间和空间的影响，使该3D拟真模型更能运用于其他相关用途，而不仅限于一般地图的使用(见表3)。

表3子对象的作用与影响

物件影 响建筑作为建模象征,为一模型的辨识特征,是三维地图的主体地形作为建模基础,影响整个建模的配置和方向地物作为建模辅助,辅助其拟真程度,提高实景游览的真实性

3　结论

目前虽然已使用虚拟现实来建造相关的3D拟真环境，但3D拟真地图的制作仍然还在不断探索和发展中[5]。本研究期望在未来能排除距离与时空因素，使用网络2D实景数据快速地建构出实时的3D拟真地图。本研究开发的3D拟真地图制作架构使用互联网取得Google 2D实景地图作为基础资料，快速地建出实时的3D拟真对象及三维地形地物图，整合建构出所需的3D拟真地图。这项技术可利用在多方位的媒体设计上，甚至可作为救灾防灾及司法单位治安维持的参考工具。

[1]陈鸿泰.以多视景虚拟现实建立网际三维地理信息系统之研究[D].高雄：台湾中山大学，2001.

[2]贺雪晨.虚拟现实技术应用教程[M].北京：清华大学出版社,2012.

[3]洪炳镕,蔡则苏,唐好选.虚拟现实及其应用[M].北京：国防工业出版社,2005.

[4]江高举.3ds max 8造型设计与应用[M].北京：国防工业出版社,2006:1-5.

[5]盛昀,朱学忠.数字化校园应用系统架构的研究[J].西安工业学院学报,2004(4):361-363.

责任编辑：庄亚华

Internet 2D live-action turn photorealistic 3D map structure analysis

3D simulation map was constructed mainly through converting the practical sight of 2D plane data into 3D simulation map by using 3ds Max,Photoshop and 2D network reality sight.The process started with gathering practical sight of 2D plane data,and went on to make 3D models with 3D texture mapping to increase the simulation precision by using 3ds Max.Making 3D simulation map by applying 2D network reality sight had advantages like no time and space limit,higher fidelity and greater adaptability to media design as important elements.

media design；photorealistic 3D map；Internet

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.007

2016- 05- 03

福建省教育厅课题(JAS150550)；三明学院社科课题(A201406/Q)

王涛(1985—)，男，讲师。

TP391.41

A

1671- 0436(2016)04- 0028- 06