Skyline平臺下真實感模型生成方法研究

李國柱，馬 波

(昆明市測繪研究院，云南昆明650051)

Skyline平臺下真實感模型生成方法研究

李國柱，馬 波

(昆明市測繪研究院，云南昆明650051)

以廣泛投入實際應用的3D GIS平臺Skyline為基礎平臺，從著色的角度研究真實感模型的程序自動生成方法。程序生成的方式除了可以增強對象的立體感之外，還可以對構成模型的面片數量加以控制，以免對系統造成運行負擔。最后將程序成功地運用到管線的自動建模及數據管理中。

Skyline;三維建模;光照處理;著色模式;真實感渲染

一、引 言

三維GIS［1-2］是目前地理信息技術發展的主流方向之一。現已投入到實際應用中的平臺包括Arc-Scene［3］、Skyline［4-5］和 MapGIS K9［6］等。此類平臺提供了針對行業常規數據的支持，能夠無縫地將既有的2D GIS數據集成進來，進而進行空間分析等。其中最為顯著的地方是提供了對3D GIS的支持，總體來看都提供了針對三維場景的加載、顯示、漫游和行業相關的分析和操作等。實際上，對局部區域進行三維場景構建時，針對目標對象的三維建模［7］是其中的重點，具體工作中常通過借助3D Studio MAX或是Maya等造型軟件進行。在工作中，主要依托Skyline作為底層的三維平臺，其中通過造型軟件所制作出的模型在三維視覺效果上并不盡如人意。具體的問題包括：采用造型軟件加工出的白模，在導入系統時由于不能控制子面片對光照的反應，會導致立體感的缺失;使用Skyline系統中內嵌的基本幾何組件來構建復雜對象時也很難體現出立體感。技術上，為了能夠獲取到模型更優的顯示效果，可通過增加模型面片的方式進行。但是隨著構成模型面片數量的增長，會導致系統的加載延遲。為了能夠進一步提升模型加載的效率及其較優的顯示效果，本文研究Skyline平臺下強立體感模型的構建方法。

二、模型的表示及真實感渲染的原理

在基于面片的計算機圖形學中，模型通常由頂點集合和面片集合所構成。技術上常采用頂點索引列表的方式，即將構成模型的全部頂點存放在一個公有數組中，而對于構成模型的子面片的頂點序列則利用對應頂點在數組中索引予以記錄。如圖1所示的立方體，基本面片為三角形。該立方體對象由8個頂點和12個子三角面片構成。在內存中存放時，8個頂點的坐標單獨存放于一個公有數組中，面片中涉及的頂點采用在數組中對應的索引予以記錄。通過頂點索引的方式不僅能夠有效地減少頂點重復存放導致的內存浪費，還可以規避因為浮點數計算的精度問題所帶來的模型開裂問題。

圖1 模型的存儲結構

頂點索引順序依據外法線原則進行。對于模型的真實感效果而言，并不取決于模型是否采用頂點索引的存儲方式，而是取決于三維平臺底層渲染引擎對待面片法線和頂點法線的方式。

面片的外法線是平臺底層三維引擎進行光照計算的依據。通過計算給定面片法線與光線的夾角，能夠計算出光照強度，從而獲取面片本身的明暗程度。影響面片光照效果的量除了法線外還有材質，材質影響著對象表面對光線的反射和散射等的程度。明顯的，構成模型的每個面片的法線能夠使模型呈現出真實感。渲染引擎中考慮的光照模型包括環境光、散射光和鏡面反射光等。在進行具體的真實感處理時，都歸類為對頂點的處理。

在計算出面片的光照強度之后，與立體感存在直接相關的便是著色模式的選擇，一般可以分為固定著色、恒定著色和光滑著色。固定著色是在不考慮光照的影響下，采用一種單一的顏色將構成對象的多邊形填充為實心多邊形的一種著色模式。恒定著色則是在顧及光照的條件下，根據構成物體的每個面片的法線進行著色的一種方式，這種著色模式是針對面片而言的。恒定著色運用在由平面構成的物體上具有較強的優勢，而對于類似球體這樣由曲面構成的物體，在面片交界處能看到明顯的分界。光滑著色是為了能夠解決該問題而被提出的一種著色方法，其基本原理是針對每個面片分別計算法線，然后對于多個面片公共的交點采用各面片法線的均值，實際上是一種插值計算方法。

圖2和圖3分別為立方體和空間球體在不同著色模式下的效果。圖2(a)和圖3(a)為線框繪制效果;圖2(b)和圖3(b)為固定著色模式下的效果;圖2 (c)和圖3(c)為恒定模式下的著色效果;圖2(d)和圖3(d)為光滑著色模式下的繪制效果。通過觀察可以發現，固定著色模式下的繪制效果是沒有立體感而言的。對于立方體這樣由平面構成的對象恒定著色的效果要優于光滑著色，光滑著色在頂點處出現的過渡，反而導致效果變差。對于球體而言則剛好相反，光滑著色的效果在描述曲面對象時優于恒定著色。

圖2 立方體在不同著色模式下的效果

技術上來講，對于模型所采用的著色模式取決于底層渲染引擎中，即三維渲染引擎中應該提供相應的選擇機制以輔助決定對模型進行渲染時是采用恒定著色模式、光滑著色模式或是其某種組合方式。

圖3 空間球體在不同著色模式下的效果

三、Skyline平臺的著色模式

關于Skyline平臺中的建模，一般包括兩種方式：通過內置基本幾何組件構建或是借助于3D Studio MAX等造型軟件進行建模，然后利用第三方插件轉換為系統支持的模型格式。

就系統對模型的真實感處理而言，未有明確的文檔對光照計算方式和著色模式作出說明。模型的立體感是通過對材質和光照的反應，繼而通過著色模式所體現出來的。對格網模型中的面片進行著色處理后，獲取的是白模，為了彌補模型的細節和提升視覺效果，需要再進行紋理貼圖處理。技術上，紋理貼圖不是立體感的核心。

以白模為對象，經過對內置幾何體組件和程序自動生成的模型對比后發現，內置的幾何組件采用固定著色的模式;對于導入的模型，在默認情況下系統底層引擎以頂點為單位。Skyline平臺中對模型的存放同樣遵循頂點坐標和索引的方式，對于給定的頂點，該點的法線取該點共享面片法線的均值。也就是說，一般情況下，會采用光滑著色，所以對于構建出的模型在頂點處有光滑的感覺。而為了能夠在此平臺中體現出明顯的立體感，需要對頂點的坐標進行分裂處理，通過這樣的處理，才能讓系統將共點面片分別視為不同的面片，進而采用內嵌的基于面片的著色模式。

就實際情況而言，Skyline平臺對面片格網是提供了恒定著色模式和光滑著色模式的，在操作接口上沒有提供控制著色的選項。直觀來說，模型是以圖1的方式進行存儲，著色效果如同圖2(d)和圖3 (d)。對于曲面對象而言是可以的，但是常規情況下，對于面片模型則不能滿足要求。為了能解決更一般的建模問題，需要對圖1中的模型進行頂點的分裂處理。對于多個面片共用的頂點，為了實現恒定著色，需要將該點分裂到其所在的各個面片中。即以面片為單位，對模型進行存儲，其雖然擁有相同的坐標值，卻擁有單獨的索引。

圖4為關于頂點分裂的說明，圖中四面體ABCD由4個頂點組成，如果采用圖1中的存儲結構，最終建立的模型在頂點處將會被光滑化。該四面體由4個頂點組成，每個頂點被3個面片所分享，在頂點分裂處理時，每個頂點被分裂為3個新的頂點。以點A為例，可分裂為A1、A2和A3，對于公有該頂點的面片，將分別使用分裂出的3個新頂點的其中之一。數學坐標上，3個新頂點的數值是相同的。通過這樣的處理后，系統的底層引擎將會將分裂出的坐標視為單獨點進行法線計算，從而避免了頂點處法線的平均計算。

圖4 頂點分裂

四、生成模型的格式

在得到系統對構成模型的面片的著色處理模式后，需要采用系統支持的模型格式，按照前述準則進行存儲，才能導入系統中，最終達到預期的顯示效果。

在Skyline系統中，內在支持的模型格式的文檔資料未公布。技術層次上有3種方式可供選擇：①使用內在基本組件的方式進行;② 計算模型的三角面片構成，然后生成模型的三角面片組;③ 生成中間格式，即微軟的*.x［8］文件，然后導入。方法1的著色效果不能滿足立體感的要求;方法2會導致系統中存在大量的面片模型，對系統造成負擔;方法3將會提供同系統內置模型一樣的效率。*.x格式存在兩種版本：一種是二進制版本，另一種是文本格式。

在*.x文件中包含了一系列相關的信息，包括文件頭、模型的頂點列表、面片索引、材質和紋理等，材質和紋理等信息為可選信息。默認情況下，對于頂點的存放采用圖1中的結構進行，根據算法的選項對構成模型的頂點進行分裂處理，即視為不同的頂點存放。

最后實現的算法提供了對模型格網數的控制，著色模式的渲染等。在各項參數的控制下能實現相應的立體感模型。

五、建模效果

結合地下管線，使用C語言實現了建模算法。

圖5和圖6為本文算法應用于實際管線建模和管理系統中的效果。圓柱體類的管線采用了光滑著色模式，立方體類型的管線則采用了恒定著色模式，同時程序在對管線建模的過程中，對構成模型的面片數量作了相應的控制，最終所生成的模型僅以KB為單位，也規避了構成模型面片數量對系統運行負擔的沖擊問題。雖然根據規范［9］只采用了單一的顏色進行著色，但是立體感的效果是很明顯的。

圖5 針對管線的建模效果1

六、結束語

本文以實際工作中大量使用的三維GIS平臺Skyline為例，研究了帶有真實感模型的自動構建方法，其中涉及了對構成模型面片的著色研究及通過算法根據選項進行著色模式的控制，并且最后應用到了針對管線的建模及管理中。對于管線而言，依據國家相應的規范，使用不同顏色對光照的著色模型進行渲染，最終所建出的白模已經能夠滿足應用的要求。實際工作中，還有很多更為復雜的對象需要考慮物體的材質和紋理等。為了能夠進一步提升應用的范圍，下一步將對材質和紋理進行參數化處理，將會獲取更加實用的方法。

圖6 針對管線的建模效果2

［1］ 施加松，劉建忠.3D GIS技術研究發展綜述［J］.測繪科學，2005，30(5)：117-119.

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［6］ 吳信才.數據中心集成開發平臺-新一代GIS應用開發模式［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［7］ 符海芳，朱建軍，崔偉宏.3D GIS數據模型的研究［J］.地球信息科學，2002(2)：45-49.

［8］ Frank D.Luna.Introduction to 3D Game Programming with directX 9.0(WordwareGameandGraphics，Library)［M］.VSA：Jones＆Bartlett Publishers，2003.

［9］ CJJ61—2003城市地下管線探測技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

A Realistic Model Generation Method Using Skyline Platform

LI Guozhu，MA Bo

0494-0911(2012)08-0039-04

P208

B

2012-05-14

李國柱(1973—)，男，云南昆明人，碩士，高級工程師，主要研究方向為三維GIS及變形監測。