精細(xì)三維場(chǎng)景制作中數(shù)據(jù)量控制的方法研究

舒 琪

(上海市測(cè)繪院，上海200129)

一、引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，城市的信息化成為必然的趨勢(shì)，智慧城市的不斷完善已經(jīng)成為城市壯大新的契機(jī)和城市信息化建設(shè)的目標(biāo)。三維模型能夠真實(shí)、生動(dòng)地表達(dá)三維空間信息，因此成為智慧城市的研究重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的緊密結(jié)合，為城市空間地理信息系統(tǒng)的建設(shè)提供了嶄新的表現(xiàn)方式。通過(guò)計(jì)算機(jī)再現(xiàn)城市實(shí)際風(fēng)貌，在逼真的三維視覺(jué)和與虛擬的三維‘城市’的相互交互中，對(duì)構(gòu)成城市空間信息的主要要素(諸如建筑物、道路、水系等)進(jìn)行多方位、多層次的觀察、分析，為人們認(rèn)識(shí)和改造城市社會(huì)提供了嶄新的觀察和分析方法。數(shù)字城市和虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義以及重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

二、問(wèn)題的由來(lái)

由原來(lái)的點(diǎn)、線擴(kuò)展到如今的點(diǎn)、線、面，三維的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二維，數(shù)字三維景觀模型數(shù)據(jù)具有體量大、計(jì)算運(yùn)行要求高等特點(diǎn)。在很多三維瀏覽和決策系統(tǒng)運(yùn)行中需要對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算和顯示。為了達(dá)到三維圖形顯示的實(shí)時(shí)更新，需要對(duì)大容量三維數(shù)據(jù)進(jìn)行高速讀取、對(duì)視點(diǎn)位置變換及飛行漫游時(shí)快速響應(yīng)，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、緩存、顯卡等有著很高的要求。如果硬件條件不足，運(yùn)行三維數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致諸如模型數(shù)據(jù)無(wú)法讀取、三維場(chǎng)景顯示錯(cuò)誤、系統(tǒng)崩潰死機(jī)等一系列后果。因此在通常情況下，為了滿足城市三維場(chǎng)景的瀏覽和分析，都是采用服務(wù)器或者移動(dòng)工作站等具有高配置硬件的計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行整個(gè)場(chǎng)景。這使得數(shù)字三維的應(yīng)用和推廣受到了硬件上的很多約束和限制。

目前有不少控制數(shù)據(jù)量的方式已經(jīng)被應(yīng)用在各種三維項(xiàng)目中。第一種方式是采用白模型制作大場(chǎng)景。也就是說(shuō)，針對(duì)一些大體量的三維城市街景，考慮到數(shù)據(jù)的快速讀取，大部分建筑物都被制作成簡(jiǎn)單的白模型，不對(duì)其進(jìn)行紋理的修飾，可以用來(lái)進(jìn)行三維城市的水淹分析等專業(yè)應(yīng)用，英國(guó)倫敦的城市建模項(xiàng)目采取的就是這種方式。不進(jìn)行紋理修飾的白模型優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)量最小、人工干預(yù)成分較少和成本較低，但是也存在著場(chǎng)景直觀性不強(qiáng)、真實(shí)感較差等問(wèn)題，因此更適合于一些專業(yè)分析領(lǐng)域的應(yīng)用。第二種方式是建立紋理數(shù)據(jù)庫(kù)，將建筑的簡(jiǎn)單模型按照現(xiàn)場(chǎng)建筑的大致顏色從紋理庫(kù)挑選類似的紋理進(jìn)行貼面。采用這種制作方式完成的城市建筑三維模型，數(shù)據(jù)量比單純的白模型要大一些，場(chǎng)景中整體的真實(shí)性要稍強(qiáng)一些，但是個(gè)體還原真實(shí)性較差，因此更適合鳥瞰的交互式瀏覽以及應(yīng)用于大批量的城市普通區(qū)域的三維模型建立。

對(duì)于一些需要重點(diǎn)展示或者進(jìn)行近距離交互式瀏覽的區(qū)域，需要很強(qiáng)的真實(shí)感和很高的還原性，上述兩種方式就不太適用了。需要制作更精細(xì)的三維小場(chǎng)景從而能夠更好地還原場(chǎng)景的真實(shí)性和靈動(dòng)性。制作更加真實(shí)的三維場(chǎng)景，需要對(duì)建筑本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化制作，對(duì)于真實(shí)紋理信息也要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集。這樣場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量就大大提升了，對(duì)于運(yùn)行場(chǎng)景的硬件要求也就隨之提高了。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一方面可以通過(guò)提高計(jì)算機(jī)的硬件配置來(lái)解決，比如提高顯卡的內(nèi)存容量或者采用圖形工作站。另一方面，這種做法因受硬件條件的限制較大，難以在目前的微機(jī)環(huán)境下普及和使用。

三、三維場(chǎng)景制作流程以及影響場(chǎng)景數(shù)據(jù)量大小的因素

上文介紹過(guò)了一些當(dāng)下流行的控制數(shù)據(jù)量的方式，同時(shí)也指出了對(duì)于需要重點(diǎn)展示或者要進(jìn)行近距離交互式瀏覽的區(qū)域需要制作出更精細(xì)的三維小場(chǎng)景。首先來(lái)介紹下常規(guī)制作精細(xì)的三維場(chǎng)景的制作流程(如圖1所示)。

圖1 精細(xì)三維場(chǎng)景的制作流程

了解了三維場(chǎng)景制作的流程后，需要研究流程中的哪些數(shù)據(jù)對(duì)于運(yùn)行場(chǎng)景的硬件有著比較高的要求，影響場(chǎng)景的運(yùn)行速度以及流暢性。

首先是紋理的制作部分。紋理文件需要大量的顯卡資源，因此紋理文件的大小對(duì)于運(yùn)行計(jì)算機(jī)的顯卡有最直接的要求。其次是3DMax文件的大小取決于模型的尺寸大小以及模型的總面數(shù)。按照真實(shí)坐標(biāo)系統(tǒng)搭建的三維場(chǎng)景中，模型的尺寸大小是按照建筑物的實(shí)際尺寸來(lái)制作的，不能隨意改變，因此只能夠通過(guò)控制模型的總面數(shù)來(lái)控制數(shù)據(jù)量的大小。此外，面數(shù)的增多直接影響到模型進(jìn)入平臺(tái)后運(yùn)行時(shí)的渲染速度，渲染的過(guò)程需要二級(jí)緩存容量的支持。

四、場(chǎng)景搭建中控制數(shù)據(jù)量的一些方法

1．模型結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化

從前面可知模型的尺寸大小是按照建筑物的實(shí)際尺寸來(lái)制作的，不能隨意改變，因此只能通過(guò)控制模型的總面數(shù)來(lái)控制數(shù)據(jù)量的大小。在模型結(jié)構(gòu)的處理中，如何減少重復(fù)面的產(chǎn)生是控制模型數(shù)據(jù)量的一個(gè)關(guān)鍵所在，也是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

在針對(duì)室外結(jié)構(gòu)建模的過(guò)程中，應(yīng)該注重對(duì)于一些隱藏在模型內(nèi)部的、場(chǎng)景瀏覽中不可見(jiàn)的面的清理，從而使三維數(shù)據(jù)的控制既能節(jié)約系統(tǒng)資源，又滿足場(chǎng)景瀏覽需求。

針對(duì)一些室內(nèi)主要結(jié)構(gòu)的建模，省略承重柱、門窗等插入樓板的頂面底面是一個(gè)很好的做法，包括門窗嵌入墻體的部分面的省略。這些小的措施既能節(jié)約資源，同時(shí)又不會(huì)影響三維場(chǎng)景的瀏覽。

這些針對(duì)室內(nèi)外建模過(guò)程中的一些小細(xì)節(jié)、小方法不僅不會(huì)影響三維場(chǎng)景的瀏覽效果，又能有效減小模型數(shù)據(jù)的體量，從而加快三維數(shù)據(jù)在場(chǎng)景的加載速度，提高三維場(chǎng)竟的可觀賞性。

2．紋理制作的優(yōu)化

紋理制作的恰當(dāng)與否直接影響到整個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)量大小。通常紋理制作有一些通常性的要求。

1)紋理的像素尺寸應(yīng)該是2的n次冪(2、4、8、16等)。紋理尺寸不必是正方形，但是建議做成正方形，像素的大小最好不要超過(guò)1024。

2)一般情況下，貼圖的分辨率一般設(shè)置在72像素/英寸。

3)貼圖可選格式為JPEG格式。同一模型的貼圖名稱按照具體規(guī)定依次進(jìn)行數(shù)字排列。

除此之外，為了盡量減少紋理資源的數(shù)據(jù)量，還可以采取以下一些方式。

1)一個(gè)單一色塊圖形。尺寸為2·2的文件大小是4 bytes，而尺寸為8·8的文件大小則達(dá)到了64 bytes，文件增大了15倍。對(duì)于單一色塊的紋理，應(yīng)該盡量采用比較小的尺寸來(lái)制作。紋理圖像大小對(duì)于整體場(chǎng)景的紋理文件大小有著決定性的作用。

2)盡量將墻和窗的紋理分開制作，這樣既能分離材質(zhì)，使得模型在進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)或者在3ds Max軟件中可以進(jìn)行不同材質(zhì)特效的調(diào)整。同時(shí)也可以在制作同一個(gè)模型的過(guò)程中提高貼圖的利用率。

3)對(duì)于類似居民小區(qū)的建筑(如圖2所示)，根據(jù)其建筑物之間相似性較強(qiáng)的特點(diǎn)，應(yīng)該整個(gè)小區(qū)一起制作以完成紋理貼面。這樣的制作方式可以使得同一張紋理能夠被重復(fù)使用，減少重復(fù)紋理出現(xiàn)的可能性，從而減少整個(gè)場(chǎng)景的紋理數(shù)據(jù)量。

圖2 居民小區(qū)建筑三維模型

3．利用透明貼圖代替結(jié)構(gòu)的制作

對(duì)于精細(xì)場(chǎng)景而言，陽(yáng)臺(tái)等附件的制作對(duì)于場(chǎng)景的真實(shí)性可視化有著很重要的作用。然而對(duì)于還原真實(shí)性和可看性有重要作用的陽(yáng)臺(tái)部分結(jié)構(gòu)會(huì)比較復(fù)雜。很多建筑物的主體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，總面數(shù)在一兩千個(gè)面左右。而建筑的配件結(jié)構(gòu)(比如陽(yáng)臺(tái)，每個(gè)陽(yáng)臺(tái)至少需要4個(gè)面才能制作完成)，對(duì)于高層而言建筑總面數(shù)的增加是巨大的，在進(jìn)入虛擬現(xiàn)實(shí)軟件運(yùn)行的過(guò)程會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

針對(duì)這種情況，可以利用紋理圖片本身的特性，對(duì)于陽(yáng)臺(tái)的不同部分采用不同的透明度。制作一張TGA格式的透明貼圖(如圖3所示)，將陽(yáng)臺(tái)的墻面、半透明圍欄以及圍欄上方應(yīng)該透明的部分集合到一張貼圖上，從而只需要為陽(yáng)臺(tái)豎直方向上的墻制作一個(gè)共同的面片。利用紋理貼圖中的平鋪功能設(shè)置樓層數(shù)，從而達(dá)到減少模型總面數(shù)的效果。這種方法對(duì)于成片的高樓小區(qū)的場(chǎng)景制作有著極其重要的作用。圖4所示為利用透明貼圖的方式制作的陽(yáng)臺(tái)，能夠表達(dá)出陽(yáng)臺(tái)結(jié)構(gòu)。

圖3 透明貼圖

圖4 陽(yáng)臺(tái)三維模型

4．模型的動(dòng)畫部分的優(yōu)化

在精細(xì)的三維場(chǎng)景的運(yùn)行中，動(dòng)畫也是提升整個(gè)場(chǎng)景真實(shí)性和可看性的重要元素(如圖5所示)。在3ds Max的輸出中，輸出動(dòng)畫文件大小與動(dòng)畫的幀數(shù)有著直接的關(guān)系：動(dòng)畫時(shí)間越長(zhǎng)，文件的大小就呈級(jí)數(shù)遞增。因此對(duì)于場(chǎng)景動(dòng)畫制作，最佳的方法是將靜態(tài)的人物模型導(dǎo)入到Virtools等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，利用軟件本身的腳本設(shè)定人物動(dòng)作和行走路徑。這種方式也同樣適用于車船等物品。

圖5 動(dòng)畫

五、結(jié)束語(yǔ)

城市的發(fā)展越來(lái)越快，測(cè)繪科技同樣日新月異。隨著數(shù)字城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的二維城市信息系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。從控制數(shù)據(jù)體量的方式來(lái)解決三維應(yīng)用和推廣中的局限性也必將成為三維數(shù)字城市技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。三維數(shù)字城市技術(shù)也會(huì)越來(lái)越成熟，必將有著廣闊的發(fā)展前景。

[1]朱元嫣，陳能，戴晟．旅游場(chǎng)景三維可視化方案[J]．上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，36(4)：98-103．

[2]閻鳳霞，張明燈．三維數(shù)字城市構(gòu)建技術(shù)[J]．測(cè)繪，2009，32(2)：93-96．