3Ds Max与Sketch Up联合三维建模方法

陈富强 王彦良 王一凡 王必成 冯艳顺 王艳华

(1. 河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院, 河南 郑州 450006;2. 郑州师范学院 地理与旅游学院, 河南 郑州 450053)

0 引言

近年来,随着科学技术的不断发展,三维地理信息系统(geographic information system,GIS)逐渐替代了二维GIS,成了目前GIS领域中的研究热点[1]。三维GIS通过计算机将真实世界通过地理坐标以及遥感图像进行数字化,在地理信息系统中通过三维的方式进行展现,能够立体、直观的展示现实世界。三维建模技术通过计算机软件进行模型的创建,对真实的地物进行模拟,使用户能够通过计算机中的三维场景直观感受到真实世界场景,也可以通过三维模型了解当前真实世界的建筑布局等情况[2]。就目前来看,主流的三维建模方法有三维软件建模,倾斜摄影建模,三维(three-dimensional,3D)图形开发平台建模,三维激光扫描建模等方法[3]。其中三维软件建模法主要依靠人工建模,依赖于使用者的操作能力,构建的模型真实、美观,是目前使用比较多的三维建模方法。目前比较常见的建模软件有3Ds Max、Sketch Up、Auto 计算机辅助设计(computer aided design,CAD)、Solid Works等。其中3Ds Max是目前使用最为频繁的软件,其建模功能比较齐全,但是操作较为复杂,可以进行复杂精细的模型创建,需要进行较长时间的学习。Sketch Up软件是另一款使用比较普遍的软件,该软件的操作比较简便,可以进行简单快捷的模型创建,比较容易上手。其中代希波等人针对如何使用Sketch Up软件的问题做了详细介绍[4],方明对于3Ds Max软件的建模方法进行了研究[5],万宝林对3Ds Max和Sketch Up的建模过程进行了对比研究[6],陈建辉等人针对3Ds Max和Sketch Up的建模方法进行了分析研究[7],都取得了很好的效果。本文通过对3Ds Max和Sketch Up软件的研究,总结分析出两个软件的不同特点和优势,通过对两种软件的结合,得到一种更高效率的建模方法。

1 三维建模方法比较分析

众多三维建模方法中,三维软件建模法易于上手,且建模效果真实、美观。在三维软件建模法中,Sketch Up和3Ds Max软件是目前使用最为频繁的两种软件。

1.1 Sketch Up建模

Sketch Up软件在模型创建的同时就能呈现设计的效果,可以在不同角度、不同比例尺情况下实时浏览设计效果。该软件的界面也十分简洁明了,只有基础的几种绘图工具,可以通过简单的推拉操作完成模型的创建,使用者可以在短时间内熟练操作。其缺点是对于精细模型的创建较为困难,无法进行许多复杂的操作,只能创建简单模型。

对Sketch Up在整个三维建模过程中的使用来说,Sketch Up能够与Auto CAD直接对接,但是与SuperMap平台对接时较为烦琐,需要将建成的三维模型导入3Ds Max中并通过SuperMap插件，最终在SuperMap iDesktop中进行模型集成。

1.2 3Ds Max建模

3Ds Max软件中提供了大量的操作功能以及多角度的视图,使用者能够通过不同视图更为方便的建模。该软件具有十分优良的三维制作和渲染功能,其扩展性也比较好,模型的效果较为真实。但是，该软件的界面较为复杂,操作难度较高,非专业人员很难进行流畅使用[8]。

对于3Ds Max在整个三维建模过程中的使用来说,3Ds Max能够与多种建模软件进行模型的交互,可以通过Auto CAD将处理过的底图直接导入3Ds Max,在完成模型创建后,再通过SuperMap插件,将模型导入SuperMap iDesktop平台进行自动模型集成。

1.3 Sketch Up与3Ds Max建模方法对比分析

在对两款软件各自的特点了解之后,可以对两款软件进行对比分析,如表1所示。

表1 两款软件的对比分析

从两个软件的建模流程来看,Sketch Up软件进行建模时,需要先将模型导出到3Ds Max中,再使用插件才能将模型导入到SuperMap iDesktop平台进行交互,过程较为烦琐。3Ds Max软件建模只需要在模型完成后,通过插件将模型导入SuperMap iDesktop平台进行模型集成。

从两个软件的建模效果来看,Sketch Up软件构建的模型较为简陋,渲染效果比较简单,对于大多数基础简单的规则模型的构建效果较好,对于较为复杂的精细模型构建效果不够好。3Ds Max软件创建的模型比较精细,渲染效果真实程度较高,对于简单规则模型的创建效果较好,对于比较烦琐的复杂模型构建效果也有很高的真实程度。

从两个软件的建模速度来看,Sketch Up软件的建模速度比较快,可以直接通过工具创建规则模型,建模效率较高,对于规则地物能较快完成创建。3Ds Max软件的建模速度较慢,建模需要通过不同的工具对模型进行精细的修改,建模效率较低,对于大范围的地物建模周期较长。

基于以上对比,对于校园内如建筑物楼体、地面、湖泊、绿化带等规则的地物模型,使用Sketch Up软件对其大致轮廓进行简要的创建。对于校园内建筑的细节特征,以及教学楼室内场景、桌椅、指示牌等不规则的精细模型，则使用3Ds Max进行重点创建。利用两个软件的优势联合建模,其流程如图1所示。

图1 联合建模流程

2 数据获取与处理

对于三维模型的创建,需要多种地理信息数据的支持。包括影像数据、纹理数据、测量数据、地物特征数据等。对于这些数据的获取与处理是构建三维模型流程中最为重要的工作。

2.1 影像数据获取

影像数据可以直接通过Google Earth获取。例如，可以在Google Earth的卫星影像中，将视角调整到郑州师范学院校园位置,通过工具将测量区域的影像下载,在CAD中自动提取建筑物的外部轮廓,如图2所示。

图2 CAD图纸与卫星影像叠合

2.2 测量数据获取

传统测量数据的获取主要通过全站仪、钢尺量距等技术手段,耗时耗力,获取信息单一,效率低下。而本次测量数据采用地面三维激光扫描技术快速获取,精度较高,信息丰富,效率极大提高。

2.3 纹理数据获取与处理

纹理数据是通过地面三维激光扫描仪内置高清相机自动获取的。

在Photoshop软件中进行纹理数据的处理,由于在模型建成后需要导入SuperMap iDesktop进行集成,所以纹理图片需要符合SuperMap的要求。在纹理数据中,也有类似墙体标语、树木等纹理需要进行背景透明化处理,以保证模型建成后能有很好的展示效果,如图3所示。

图3 标语贴图

2.4 地物特征数据获取

地物特征数据通过三维激光扫描点云数据自动分类及提取获得。对于地物的整体特征,以及地物之间的相互关系特征,通过三维激光扫描仪内置相机的高清影像获取。

3 三维联合建模方法研究

基于之前对于Sketch Up和3Ds Max软件的对比分析。首先使用Sketch Up软件对建筑物楼体、地面、湖泊等地物模型进行简要的校模型创建,之后将模型导入到3Ds Max中,在3Ds Max中对模型进行细节添加以及室内场景和精细模型的创建,并对模型进行优化,最后将模型分批导入SuperMap iDesktop平台进行园场景的集成。

3.1 Sketch Up简要建模

在建模前，将Sketch Up软件的单位设置为m,以便之后和3Ds Max进行对接。首先创建一个左下角坐标与原点重合的长方形面片,将面片的长宽设置为之前测量的影像数据的对应长宽,之后将通过Google Earth获得的影像赋予该面片。将使用Auto CAD处理获得的完整底图导入Sketch Up中,将底图的左下角坐标调整到与原点对齐,并检查底图和影像是否对齐,保证位置准确。在Sketch Up中利用软件的直线绘制工具,对封闭线框的任意一条边线描边,即可将底图线框变成面状的二维图形。

3.1.1室外场景构建

首先对校园中的室外场景进行创建,为后期的模型提供框架定位。在创建地面、湖泊等二维地物时,通过对所选区域的线框描边,就能获得所需的面状图形,完成对二维地物的创建,如图4所示。

(a)地面 (b)湖泊

在对山体模型进行创建时,可以通过软件中的曲面起伏工具将该平面拉出山体,之后对山体上的水池以及道路模型进行添加。

3.1.2校园建筑模型构建

之后进行建筑物楼体的建模,通过Sketch Up软件对建筑物的大致轮廓进行创建,将图形拉出立体模型后,对楼体进行简单的模型结构划分。在对建筑物进行建模时,将建筑拉出高度后,使用拆分工具对楼体进行拆分。根据建筑物的结构,将模型的各个面,依照建筑物窗户、墙面、空调机等的分布位置,使用拆分工具自动拆分,使建筑物各部分的轮廓在模型上划分为相应的格网。由于直接进行构建的模型可能跟真实地物的特征有差异,在创建后需要结合建筑物的点云数据特征,对各部分的位置大小进行调整,达到真实的效果。之后对建筑物侧面凸起或凹陷的部分,使用推拉工具推入或拉出,达到真实的效果。

在完成模型构建后,将模型导出成*.3ds格式进行储存,便于模型导入3Ds Max进行模型合并。

3.2 3Ds Max精细建模

打开3Ds Max软件,将软件单位设置为m。之后将从Sketch Up导出的*.3ds格式的模型文件导入到3Ds Max中。为防止坐标的偏移,检查影像图左下角坐标是否与原点对齐,之后开始模型的创建。在软件中对建筑物的细节进行添加,对室内场景进行构建,以及对椅子、指示牌、树木等精细模型进行创建。

3.2.1建筑模型细节添加

由于建筑物已有简单的框架结构,只需要在3Ds Max中对楼体的细节特征进行添加即可。使用3Ds Max中的编辑工具,将需要修改的建筑物转化为可编辑多边形,通过可编辑多边形中面层级下的倒角、切角工具,以及其他的修改器,对建筑物的门框、屋檐、楼梯等部分的细节进行添加,使模型的真实精细程度更高。

3.2.2室内场景模型构建

在建模之前,需要将建筑底面复制,把室内场景的天花板补齐,根据建筑的高度数据确定大厅高度。在对室内场景进行创建时,可以通过选择模型,在可编辑多边形的要素层面使用法线翻转,之后在对象属性页面勾选背面消隐,使模型内部能够显示,方便模型创建。然后利用对室内场景的特征观察以及测量数据,对桌椅、花盆、显示屏、告示牌等精细地物进行创建。在创建模型时,需要先创建一个近似的标准几何体,之后通过可编辑多边形中的挤出、倒角、插入等工具,对标准几何体进行细节部分的修改,使模型逐步贴近真实地物特征,完成模型创建。在创建标语、树木等需要通过透明贴图展现的模型时,对标语可以直接创建平行于墙面的面片,对树木可以创建两个相互交叉且垂直于地面的平面,之后使用贴图使其达到真实的效果。

3.2.3小型地物模型构建

由于整个场景的室外部分较为空旷,需要对小型地物模型进行创建,丰富场景。对校园场景中长椅、垃圾桶、树木等小型地物模型的创建方法,与室内场景中的部分地物类似,通过可编辑多边形中的编辑工具对已创建的部分室内模型进行修改,即可完成创建。对于真实校园环境中数量较多的树木、垃圾桶等地物,在布置场景时可以适当减少模型的数量,尽量获得最好的视觉效果,达到美化场景的目的。

3.3 模型优化

由于较大范围的三维模型创建会带来庞大的数据量,在模型集成时会对软件以及电脑硬件产生很大的压力。为了方便三维模型在后续过程中的使用,需要对三维模型数据进行优化,要求尽量以最少的模型实现最佳的展示效果。对模型进行优化可以通过以下两种方法实现：一种是通过删除面片实现,删除模型中看不到的面,如建筑模型的底面或模型内部的面可以删除;删除模型中相互重叠的重复面,如紧贴的墙面可删除其中一个面。通过删除面片的方式减少模型的多边形数,使模型得到优化[9]；另一种是通过修改面片实现,将模型中较为复杂的模型面片修改为较为简化的面片,如圆柱状模型的侧面可简化为6个面,建筑侧面可简化面片连接的直线。

3.4 校园场景集成

最后需要使三维模型能够在GIS软件中使用。使用3Ds Max创建的模型需要通过插件导入SuperMap iDesktop平台。在SuperMap iDesktop软件中新建一个文件型数据源文件,用于储存模型数据。通过3Ds Max插件生成数据集,将模型数据以数据集的形式导出到文件型数据源的udb文件中。在生成数据集页面中,可以设置模型的经纬度参数以及模型的纹理来源。

打开SuperMap iDesktop软件,在软件中打开存有模型数据的udb文件。可以在工作空间管理器中看到打开的数据源文件,在该文件目录下,可以看到之前分别保存的数据集。将数据集添加到新球面场景中,在图层管理器中双击已添加的数据集,可以看到模型出现在之前设置的经纬度坐标。将各部分数据集依次添加到该球面场景中,就成功地将整个三维校园模型在SuperMap iDesktop平台中集成[10]。在软件中可以通过球面场景内的缩放、漫游功能进行整个校园场景的浏览,如图5、图6所示。

(a)大门场景 (b)新校区全景

(c)宿舍楼场景 (d)喷泉场景

(a)文汇楼B、C区大厅场景 (b)文汇楼A、D区大厅场景

(c)文博楼大厅场景 (d)教室场景

在软件中也可以进行飞行路线的设置,可以使场景按照设置的路线进行场景浏览。在飞行管理功能下,可以进行飞行路线的添加以及管理[11]。选择新建飞行路线,在使用过程中可以用场景相机添加站点和鼠标拾取添加站点两种方式添加飞行路线站点,在添加站点的过程中可以对站点的高度、倾斜角度、方位角等进行修改,在设置完所有站点后,完成对飞行路线的设置。在飞行路线设置中,也可以对站点之间的飞行速度、飞行时间进行设置,使飞行路线的浏览过程达到最好的展示效果。

4 结束语

本文立足于三维GIS的快速发展,对于当前较为常用的两种建模软件的特点进行了比较分析,探讨了3Ds Max与Sketch Up软件结合各自优点进行联合建模的方法,并以校园模型为例详述了整个建模的流程。本文成功地结合了3Ds Max软件适合复杂精细建模的优点以及Sketch Up软件适合简单规则建模的优点,加快了整个校园模型的创建时间,使整个建模周期缩短。并且模型在三维GIS平台中也具有良好的展示效果,模型真实美观。但在整个过程中也存在着一些不足,例如对于山体模型的表现不够精细。在之后的工作中，可以考虑和倾斜摄影建模相结合的可行性。