基于Creator的廈門港三維建模

陳聲柳，彭國均，柯冉絢

(集美大學a.誠毅學院;b.航海學院，福建廈門 361021)

基于Creator的廈門港三維建模

陳聲柳a，彭國均b，柯冉絢b

(集美大學a.誠毅學院;b.航海學院，福建廈門 361021)

通過船舶操縱模擬器，應用視景仿真技術創建一個逼真的港口三維模型，為船舶操縱訓練提供高度真實的臨場感受和沉浸感，提高了船舶操縱的訓練效果。結合模擬器練習海域的實際制作經驗，詳細介紹了基于MultiGen creator的廈門港口三維建模過程。

三維建模;高程數據;MultiGen Creator;港口仿真

虛擬現實(virtual reality，VR)是利用計算機模擬產生一個逼真的三維空間，為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，使用者通過適當的裝置，可以及時、無限制地觀察三維空間內的事物，從而自然地對虛擬世界進行體驗并與之交互，讓使用者如同身臨其境。虛擬技術是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形技術、計算機仿真技術、人機交互技術、傳感技術、網絡并行處理技術等領域。VR在動漫游戲、廣告宣傳、建筑設計、軍事模擬等領域已得到廣泛應用，而在航海方面的應用則始于航海模擬器中視景仿真的引入。隨著模擬器技術的發展，虛擬技術在海上學科中的應用越來越廣泛。

1 Creator介紹

目前主流的3D建模工具有Glstudio、MultiGen Creator、SiteBuilder 3D、Maya、SoftImage、3DStudio，Blender等。MultiGen Creator是由美國MultiGen Paradigm公司推出的專門針對可視化仿真行業應用特點開發的實時可視化三維建模軟件，它區別于CAD等其他建模軟件，主要考慮在滿足實時性的前提下如何生成面向仿真的、逼真性好的大面積場景，以便于在一個“所見即所得(WYSIWYG)［1］”的環境中產生分層結構的可視化數據庫。MultiGen Creator擁有針對實時應用優化的OpenFlight數據格式，文件格式為“.flt”。“.flt”文件格式兼容當前許多主流的VR開發環境。

Creator作為優秀的可視化仿真建模工具，不僅具有強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，還提供了便利的建模技術，如外部引用、細節層次(LOD)、實例化、公告牌等技術。這些建模技術不僅有利于提高三維建模的逼真度，還減少了建模的工作量，并提供了便利的三維數據庫管理功能。Creator能夠高效、便捷地生成實時三維數據庫，搭配顏色、紋理、材質和光照，建立復雜而有強烈真實感的吸引人的三維場景，并與后續的實時仿真軟件緊密結合，在視景仿真、模擬訓練、城市仿真、交互式游戲及工程應用、科學可視化等實時仿真領域處于世界領先的地位。

2 數據采集

在創建真實的三維地形模型前需要收集大量的數據，包括紙質海圖、電子海圖、碼頭工程設計的CAD圖和文檔資料、衛星遙感圖像或高程數據等。

海圖包含了港口建模所需的信息，如港口的地理位置、地形、邊界、導航系統等。對于紙質海圖可以通過掃描、幾何校正、數字化來提取相應的信息數據［2］，但是該過程復雜且工作量大。較為簡便可靠的方法是從電子海圖中提取所需數據。當前標準的電子海圖有S57格式電子海圖和CMap電子海圖［3-4］。

碼頭工程設計的CAD圖和文檔資料是碼頭建模的基本參考資料，由這些資料可以獲取碼頭的位置、形狀布局、大小尺寸等數據，特別是對于建設中的碼頭，CAD圖更是其數據的唯一來源。

地形高程數據可以從海圖數據中提取，也可以從當地地質測繪局獲取，更為便捷的方式是從網上下載免費的高程數據。當前可獲取的有ASTER GDEM、SRTM3、GMTED2010等全球高程數據。ASTER GDEM數據覆蓋了北緯83°至南緯83°之間的所有陸地區域，空間分辨率為1弧度秒(約30 m)，垂直精度為20 m，水平精度為30 m，中科院現有鏡像數據可以下載。SRTM(shuttle radar topography mission)數據主要由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量。SRTM數據每經緯度方格提供1個文件，精度有1 arc-second和3 arc-seconds兩種，稱為SRTM1和SRTM3，或者稱為30M和90M數據。中國區高程只有90M數據。SRTM3數據也是當前使用較多的數據，可從NASA官網可以下載。GMTED2010數據精度并不高，只有30″、15″和7.5″，對應的最高精度在250 m［5］。

此外，為了三維模型更加切合實際，還需獲取港口實地景物的數據，例如建筑物的布局、外觀、層數、高低等。同時需采集各種建筑圖片，例如高樓、橋梁、特色建筑物等。實景圖片用于紋理制作，精心制作的紋理可以得到逼真的實體效果。

3 三維建模

1)地形生成。Creator自帶地形生成工具。使用該工具生成地形時，由于數據精度原因會丟失很多小島嶼。在生成的三維模型中沒有島嶼的模型，必須對這些島嶼進行手動建模。Creator生成的地形三角形面片包括水面部分，刪除這些面片后岸線鋸齒化嚴重，必須進行矯正。另外，由于高程數據和海圖的原點不同，必須對生成的三維地形進行移動定位、區域截取等工作，這樣才能和教練站中的海圖數據相對應。

本研究在海圖的陸地多邊形上導入高程數據，然后聯合陸地多邊形一起三角化生成地形。首先在導入海圖的“.flt”文件中對陸地多邊形進行編輯，切除碼頭區域，增加碼頭泊位等，保留陸地多邊形節點。在保留的陸地區域上，對高程數據進行抽樣提取，然后導入到Creator中。導入后高程的數據以點狀形式沿垂直方向分布于所選的各個陸地或島嶼多邊形中，如圖1所示。

圖1 在陸地多邊形上導入高程數據

導入的高程數據必須進行優化編輯。在陸地上高程過低的數據點可以刪除，高峰后側的數據點分布密度可降低。對于沒有高程數據的島嶼，在導入的高程數據節點下，參考海圖數據和實物形狀手動增加高程數據。高程數據編輯完整后，對陸地多邊形和高程數據點進行三角化。生成的地形模型需要再次優化編輯，并在需要時退回高程數據編輯，重新三角化生成地形，必要時該過程可重復多次。由于三角化過程包括了陸地面片，所以生成的地形含有更多的信息，岸線也與海圖精確對應。圖2為導入高程數據后三角化生成的地形。

圖2 導入高程數據后三角化生成的地形

對于沒有高程數據的小島嶼，除了通過添加數據點，然后和大陸地一起進行三角化生成地形外，也可以對這些島嶼進行獨立建模。三角化生成的島嶼與實際相差較大，對于那些對航行不大相關的島嶼可以采取這種方法。對于部分被用于船舶航行參考的島嶼可以參考數據庫多邊形數量，采用獨立建模的方法處理。獨立建模的島嶼較逼真，但要花費更多的時間，模型將占用更多的面片數量。

港口的實體模型主要有沿岸的房屋建筑物、橋梁、綠化景觀、碼頭建筑以及助航系統建筑等。建模過程中按實際需要以及重要性對這些實體區分對待［6-7］。利用Creator的平面圖形和幾何體等基本建模工具創建模型。對于相對復雜的不規則、較重要的物標，綜合利用實例化技術、LOD技術等進行相對細致的建模。而對于三維場景中的花草樹木、路燈等非常不規則的模型，則不需要進行立體建模，可以采用公告牌技術或透明紋理進行簡化建模。

2)碼頭建模。在導入高程數據生成地形之前，將陸地面片上的碼頭部分面片切割開來，不參與地形面片的三角化。部分需要仔細建模的區域也切割出來，例如廈門港的輪渡區域。對于已在海圖數據上修改的碼頭泊位，如導入的陸地面片上已有碼頭、泊位外型的，只要按照實際情況對其抬高進行立體建模。而對于未建成的碼頭，其外形、位置、大小等數據需要從設計CAD圖獲取，可以通過以下2種方法實現:①若每份CAD設計圖紙都給出了碼頭或泊位外形邊界點、轉折點以及一些重要參考點的坐標數據，則只需將這些坐標數據轉化為WGS84坐標系數據就可以用多邊形工具繪出碼頭的外形，然后進行立體建模，投射相應紋理;②由CAD設計圖導出DXF格式數據，若設計圖未按實際等比例設計，則可先進行放大或縮小后導出，找定新碼頭在海圖上的位置定位點，然后導入到Creator中的陸地節點，進行定位后利用多邊形工具在設計圖上進行建模。多數碼頭的泊位都是向海面延伸出去的，因此需要很多的支樁。圓柱型支樁在建模中需要很多多邊形，故在建模過程中需考慮多邊形數量的控制，盡量減少柱體的邊數，同時考慮用透明紋理代替多邊形。

圖3 碼頭建模效果

3.2 實體模型建模

重慶市2009—2015年共規劃治理148條中小河流中的345個重點河段，規劃治理河長1 737km，治理任務很重。重慶市“三江”的河道管理工作體制及日常管理基本理順，但中小河流中還存在4種河道違法違規現象，即采砂業主夜間作業，噪音擾民；部分建設單位超審批規模違規建設；部分沿河居民或其他建設單位對河道管理法規認識不足，擅自臨河建房，不履行河道管理審批手續。

實體模型建模是三維建模的基礎，實體建模的效果直接影響整個三維場景的逼真度。在建模過程中要注意模型結構、材質、色彩、紋理等問題的處理［8］。港口的實體模型主要有沿岸城市的房屋建筑物、橋梁、綠化景觀，碼頭上的橋吊、倉庫、貨箱、纜樁以及助航系統中的燈塔和浮標等。建模過程中應按實際需要及實體的重要性對這些實體區分對待。

對于相對規則的模型或簡單的不規則模型，例如房屋、倉庫、油罐、橋梁等實體模型，利用Creator的平面圖形和幾何體等基本建模工具進行創建。通過設置好材質和顏色并投影上制作好的紋理可以得到很逼真的仿真模型。

對于相對復雜且不規則，又對航海練習影響較大的物體，需要進行相對細致的建模，例如碼頭的橋吊、碰墊、纜樁、燈塔和浮標等物體。橋吊、碰墊、纜樁在船舶靠離所泊碼頭時距離很近，細致建模可以提高場景的逼真度。燈塔和浮標對船舶航行訓練有極其重要的作用。這些模型綜合利用Creator的多邊形、幾何體、頂點等各種建模技術技巧，并配合透明紋理以減少建模的復雜度，同時要應用到LOD技術和實例化技術。LOD技術和實例化技術可以有效減少多邊形的數量以及建模的復雜度和工作量。

對于三維場景中的花草樹木、路燈等背景景觀物體，由于其屬于非常不規則模型，不需要進行立體建模，因此通常的做法是采用簡化建模。Creator對于樹木建模提供兩種技術:①公告牌技術(billboard):以原點為中心，建立適當大小的垂直矩形平面，并貼上樹木的透明紋理。公告牌在實時漫游時會圍繞視點旋轉，使平面始終面對視點方向，在視點方向上觀察就是一顆逼真的樹。②采用相互交叉的垂直矩形平面，貼上樹木透明紋理，并設置平面雙面可見，這樣建立的樹木模型從各個方向上看都有很強的立體感，仿真效果較好。對于對稱的路燈和電線桿，同樣可以運用這2種建模技術。

4 模型優化

三維模型的優化在建模仿真中極其重要。首先，三維建模工作量大且過程繁雜，受計算機硬件條件的影響，模型數據量越大，計算機處理越慢，建模速度越慢;其次，三維仿真系統為實時驅動、實時渲染，模型越精細，運算量越大，運行越不流暢。因此，在有限的硬件資源前提下，必須在不影響逼真度的情況下對模型進行優化。

4.1 結合外部引用的區域分塊層次管理

三維模型數據庫采用按區域分塊層次管理方式，結合外部引用技術，把各個區域地塊分成小的FLT子文件。圖4為廈門港三維數據庫節點結構。三維港口的地形數據來源于海圖，不同比例的海圖對應不同的區塊。各海圖區塊還可以進行區域細分，把需要更多細節建模的碼頭、島嶼等獨立分塊和獨立建模。在三維建模過程中，在各個區塊子文件中建模可以極大緩解計算機的解算和渲染壓力，大大縮減計算機渲染的等待時間，從而加快建模進度。三維模型數據要便于管理維護，使后期港口碼頭的修改和增減更加輕松便利。此外，對于三維模型中的浮標等物體，導航系統將其作為獨立節點，這也是方便數據庫管理維護的有效手段。

圖4 廈門港三維數據庫節點結構

4.2 地形優化

地形模型在整個三維數據庫中占用了很大部分的面片數量，因此在地形建模過程中很有必要對地形模型進行優化。可以采用的有效手段包括:在大地形及高程數據密集地塊，降低高程數據的采樣精度;對隱藏的視點不可及的地段(諸如高山背面、山坳等)進行面片刪減整合;對距離較遠且對導航需求沒有太大要求的地形山峰等采取透明紋理替代的方法，從而減少大量的面片數量。

4.3 LOD技術和實例化技術

LOD技術是三維建模中優化模型非常有效的手段，特別是對于碼頭、橋吊浮標等需要細致建模的物體。通過合理設置LOD的層數以及層次間的切換距離，不僅可以優化面片數量，還可以達到良好的仿真效果［9］。

對于包含大量重復性模型的數據庫，例如數據庫中含眾多房屋、樹木、橋吊和纜樁等實體時可采用實例化方法。實例化是數據庫優化的有效手段，既可以節省大量的硬盤和內存空間，同時也為建模過程提供了極大便利。

4.4 紋理的優化等其他手段

Creator以多邊形面片作為三維模型的基本單位，多邊形的數量越多，數據庫越龐大。在建模過程中適當運用紋理代替多邊形可極大減少面片的數量，降低數據庫的復雜性。例如，可以用紋理代替部分地形山峰，用樹墻紋理代替較遠處的樹林場景，還可以用紋理替代物體模型中的細節(諸如碼頭、橋梁的欄桿等)，從而實現“真實性”和“實時性”的平衡［10］。

5 結束語

三維數據庫導入模擬器系統后運行良好，仿真效果符合實際需求。虛擬三維仿真具有很強的真實感，并提供了豐富的信息，在船員訓練過程中可營造逼真的臨場感受，對于提升訓練效果有很大的幫助。依托船舶操縱模擬器平臺，基于Creator構建的三維仿真系統不僅可應用于船員模擬器訓練，還可為海上交通建設項目的科學研究、規劃和設計提供決策依據，在港口工程、碼頭建設、橋梁工程、航道設計、助航設施的布設等方面有廣泛的應用前景。

［1］孟曉梅，劉文慶.MultiGen Creator教程［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［2］劉如飛，季迎春，洪鵬煜，等.基于Multigen Creator的連云港市港口三維場景可視化研究［J］.海洋信息，2009(4):1-4.

［3］FREDHEIM B.Polaris Exercise Area Design Guidelines-MultiGen databases for SeaView II［EB/CD］.KONGSBERG MARITIME SHIP SYSTEMS AS 2003:2-5.

［4］陳聲柳.Polaris船舶操縱模擬器練習海域的設計制作［J］.廣州航海高等專科學校學報，2011，19(4):21 -23.

［5］張朝忙，劉慶生，劉高煥，等.SRTM3與ASTER GDEM數據處理及應用進展［J］.地理與地理信息科學，2012，28(5):29-33.

［6］楊剛.三維場景虛擬漫游系統的設計與實現［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2012(4):99-104.

［7］郭建，汪廣擴，劉瑩.基于虛擬現實技術的車床教學訓練系統的研究［J］.激光雜志，2013(1):59-60.

［8］許建峰，翁躍宗.港口視景仿真開發工具的應用研究［J］.中國航海，2008，31(3):256-260.

［9］王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術［M］.武漢:華中科技大學出版社，2005.

［10］童小念，羅鐵祥，李志玲.MultiGenCreator建模技術的優化與實現［J］.計算機系統應用，2008(2):94-96.

(責任編輯 楊黎麗)

Research on the 3D Modeling of Xiamen Harbor Based on Creator

CHEN Sheng-liua，PENG Guo-junb，KE Ran-xuanb
(a.Chengyi College;b.Navigation College，Jimei University，Xiamen 361021，China)

Virtual scene simulation has been used in marine simulator for building a realistic 3D model of harbor，which provides a highly immersed feeling for the ship maneuvering training.It greatly improves the training effect.Combined with the experience of practical design，this paper introduces the method of the 3D modeling of Xiamen harbor with the MultiGen Creator in detail.

3D modeling;elevation data;MultiGen Creator;harbor simulation

U666.158

A

1674-8425(2014)06-0099-05

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.06.019

2014-01-03

國家高技術研究發展計劃資助項目(863計劃)(2012AA12A211-4);集美大學誠毅學院教育教學改革項目(集大誠毅教綜［2013］4號)

陳聲柳(1983—)，男，福建永泰人，實驗師，主要從事模擬器及三維仿真研究;通訊作者彭國均(1973—)，男，四川合川人，博士，教授，主要從事地理信息系統、海上交通信息工程及控制和船舶助導航方面的研究。

陳聲柳，彭國均，柯冉絢.基于Creator的廈門港三維建模［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(6):99 -103.

format:CHEN Sheng-liu，PENG Guo-jun，KE Ran-xuan.Research on the 3D Modeling of Xiamen Harbor Based on Creator［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(6):99-103.