一種參數化快速建模技術及其應用

何興富,胡章杰

(重慶市勘測院,重慶 400020)

一種參數化快速建模技術及其應用

何興富?,胡章杰

(重慶市勘測院,重慶 400020)

三維數字城市的快速發展催生了大量的延伸業務,常規的依賴于三維建模軟件的手工建模方式越來越難以適應快速、規范化、可調整等專業業務對三維模型的更高要求。對此,基于參數和規則的建模技術應運而生。本文以參數化建模技術為基礎,結合規則建模技術的特性,實現了一種基于斷面的建構筑物快速建模技術,通過設計簡單對象的斷面和延伸線以及復雜對象各組成部件的斷面和空間關系設計,實現建構筑物的快速建模。最后,展示研究成果在輔助城市規劃和片區設計成果展示分析等工程項目中進行應用。

參數化建模;斷面;快速建模;城市規劃設計;道路模擬

1 引 言

三維數字城市經過十余年的發展,取得了長足的進步。在數據建設方面,從初期的基于專業三維建模軟件手工建模,發展到現在基于三維激光掃描、機載LiDAR、傾斜影像等技術,都可以快速獲取空間點云和立體影像數據快速建模[1];在應用技術方面,從初期的單純三維展現,發展到為管理、分析、決策服務。三維地理信息技術已經廣泛地應用于各行各業,尤其是城市規劃、設計和公共決策方面[2]。新興的應用領域同時也對相關的技術提出更高的要求,如要求模型具有一定的精度、具有可動態調整性等,這些都是當前流行的建模技術所不具備的。

本文分析了參數化建模技術的原理,結合新興的規則建模技術,以城市規劃設計中的相關應用為切入點,提出了一種基于斷面的建構筑物快速建模技術,實現對具有一定規則的建構筑物三維快速建模,并可通過參數,實時、動態地調整模型的形態特征。最后以道路、鐵路、單軌等城市規劃設計項目中的應用為例,展示該技術的應用效果。

2 基于參數的設計技術

基于參數的設計技術是實現三維模型可動態調整的基礎。利用三維建模軟件生成的模型,獲得的是模型的成果本身,丟失了建模的過程信息。如建筑模型,其依據是建模的底面及各層的平面圖、立面圖等,這些信息只能用于建模過程的參照,而無法與模型本身產生內在聯系。一般把這種模型叫“靜態”模型,同地理信息數據一樣,具有“建成即過時”的特征。對此,一些學者、科研機構和軟件開發商提出了新的解決方案,主要包括參數化設計,及在此基礎上發展的規則建模等。

2.1 參數化設計技術

參數化設計定義了一個對象的特征和對象間各成員的相互關系。參數化模型可以被理解為一個系統,這個系統的成員之間“相互關聯”。參數設計實際上也是對系統各成員之間的“關聯關系”的設計,也就是制定系統的規則。而對參數化模型的調整也是指對這些關聯關系的調整。只要能夠明確給出各層級、層級各組成元素之間的關聯關系,就可以建立成復雜但可控的參數化模型,并能夠方便地創建一系列在形狀或功能上相似的模型方案[3]。

參數化驅動設計技術最早被應用于工業設計領域,然后被引入到建筑設計、路橋設計等領域,如緯地道路系統即是基于參數化設計的解決方案[4]。

2.2 規則建模技術

規則建模指基于一定的規則描述,利用規則定義物體的形狀及各部件之間關系的建模方法,主要有基于語義的方法、基于文法規則的方法等,是參數化設計技術的一個延伸。它主要面向特定的領域,如建筑設計等。

在參數化設計的基礎上,規則建模技術通過集成領域知識庫,將設計的領域知識轉化為一系列復雜的規則和組件庫。通過對規則的組合和解譯,構建得到建構筑物三維模型[5]。規則建模具有參數化建模的優勢,但更專注于某一領域。規則和組件庫的積累將使新的建模工作效率越來越高,形成前期高投入低回報、后期低投入高回報的效率曲線。

3 基于斷面的建模技術

在分析參數化設計的技術特征的基礎上,結合規則建模技術的思想,本文提出了一種基于斷面的建模技術。該技術的特點是利用一個初始斷面,以一定的規則沿一條拉伸線拉伸,形成物體的三維形態,并基于規則給每個面賦予一定的材質,從而形成物體的三維模型。基于斷面的建模關鍵技術主要包括以下幾個方面。

3.1 斷面坐標轉換

斷面坐標轉換指將斷面設計的平面坐標轉換到拉伸線PsPe所在的空間坐標系中,如圖1所示。

圖1 斷面坐標轉換示意圖

圖1 中,斷面點p(x,y)經坐標轉換后得到空間點P(X,Y,Z),根據坐標轉換原理,這一過程主要包括以下幾個步驟:

(1)從平面坐標映射到空間坐標

由于斷面是二維的,要把它映射到三維空間,可以先默認該斷面的法線方向為X軸,即將平面坐標系的xy平面映射為空間坐標系的YZ平面,從而有:

(2)考慮拉伸線的傾斜

不考慮拉伸線的方向,只考慮其傾斜時,相當于將斷面繞Y軸旋轉。設拉伸線的傾斜角為θ,則:

(3)考慮拉伸線的方向

考慮拉伸線的方向,即是將斷面繞Z軸旋轉。設拉伸線的方向為α,則:

通過坐標轉換,可以將一個斷面上的各個節點都映射到空間坐標系下,形成三維的斷面。將這個三維斷面沿拉伸線進行拉伸,并連接各相鄰點形成三角面,即可得到基于斷面的三維模型,如圖1所示。

3.2 轉折平滑

一般情況下,拉伸線可能包括多條線段,如果不處理各個線段之間的模型拼接,就會出現模型破裂、交叉等問題。因此,需要考慮各線段之間模型的平滑過渡,轉折平滑包含平面平滑和豎向平滑兩個方面。空間平滑也叫空間內插,主要采用的技術包括雙線性內插、樣條函數等[6]。但在工程設計領域,常采用插入圓曲線、緩和曲線等曲線的方式進行平滑。由于實際應用中,對內插的精度要求不高,故本文采用插入曲線方法。

一種通用的解決方案是,通過構建一套規則,提出統一的內插模式。在平面上,考慮線段的方向和交叉情況,任意兩條線段的關系共有8種。針對每一種關系,制定相應的內插模式,即可實現任意兩線段之間的平滑過渡,如圖2所示:

圖2 平面任意兩條線的8種內插平滑模式

假設斷面上任意一點P在相鄰線段L1、L2上的空間坐標分別為P10、P11、P20、P21,則形成兩條線段La{P10, P11}、Lb{P20,P21}。對這兩條線段分別在平面和豎向兩個平面內計算內插曲線Cp、Cv,整合Cp和Cv,即得到一條空間內插曲線。在內插的基礎上重新構建三角面片,即可得到平滑的三維模型,如圖3所示。

圖3 平滑處理前(左)后(中)及貼圖后(右)對比

3.3 變截面處理

通常,設計的對象不僅包括均勻的具有穩定斷面的物體,還包括具有漸變特性的物體,如道路公交停車港的加寬、煙囪從底到頂的收窄等。這一部分物體的建模需要在標準斷面的基礎上,加入對寬度變化的約束,即具有一個變化的規則。這個規則包括變化的方式和變化的幅度等因素。將這一規則定義為:

Rw{S,D,Q,M,L}

其中:Rw為規則,w代表變寬widden;

S為規則起點,一般用該點到起點的長度表示;

D為變寬方向,在斷面坐標系下從0°～360°;

Q為變化的量;

M為變化的模式,包括直線過渡和曲線過渡;

L為規則影響的長度;

通過將該規則綁定到建模流程,可以在距離起點S到S+L的長度范圍內進行建模時,重定義斷面,形成變寬的模型。以道路為例,效果如圖4所示。

圖4 變寬處理效果

4 斷面建模技術的應用實踐

基于斷面的建模技術可以建立具有一定規則的物體,如道路、橋梁、鐵路等,這些物體可以通過一個斷面和變寬處理,即可實現三維模型的快速構建。對于復雜物體,如果可以將其分解為各個具有一定規則的部件,也可以通過先設計拉伸線、后設計斷面的模式實現三維建模。

4.1 斷面設計工具

斷面設計是基于斷面建模的基礎。本文基于.NET平臺的GDI+繪圖技術,設計了一個橫斷面設計工具,可以實現對斷面的復雜設計模式,并預置了三角形、矩形、橢圓、正多邊形等標準組件,通過對這些組件的組合,可以形成復雜的斷面。如道路路基斷面、鐵路路基斷面、單軌軌道斷面等。如圖5所示。

圖5 斷面設計工具

4.2 線性物體建模

在城市規劃設計中使用三維地理信息技術輔助規劃、設計、分析和決策時,經常需要為道路、鐵路、軌道交通、管線、溝渠等線性物體進行三維建模。在傳統的建模工具如3ds Max等軟件中,雖然可以使用拉伸建模的方式,快速建模這些物體的三維模型。但需要手工調整貼圖,并且無法對模型進行動態調整。使用斷面建模的手段,不僅實現快速、高效的建模效果,并且可以在位置和參數進行調整時,動態地反映出調整后的效果。從而對輔助分析和決策提供有力的技術手段,大大提高規劃設計方案定稿的效率。大范圍場景下的線性物體建模效果如圖6所示。

圖6 大范圍場景線性建模效果

4.3 復雜物體建模

與線性物體不同,復雜的物體一般無法使用一個斷面實現建模。如建筑一般包含裙樓、樓體、樓頂造型等,必須使用多個斷面共同協作。規則建模技術在建筑物建模上進行了大量的研究,但一般都是基于大型商用軟件實現,且需要制定復雜的規則,不利于技術的推廣和使用。

在線性物體建模的基礎上,通過制定一些規則,可以將一個復雜的物體分解為多個線性物體的組合,各部件模型共同構成復雜物體的模型。主要的規則有:

(1)連續性規則。定義模型是連續構建還是間隔構建,如一座橋梁,其路面是連續的,但橋墩、路燈等部件是間隔的。

(2)附著規則。可以將一些拉伸線附著到其他拉伸線的相對位置上,從而實現物體部件之間的內在聯系。

(3)空間運算規則。當不同的部件之間發生空間拓撲結構沖突時,可以通過三維體布爾運算,實現三角面的裁剪。

連續性規則和附著規則定義了部件如何表現以及部件拉伸線之間的空間相對關系。空間運算規則用于解決各部件模型之間的合并和拼接問題,最終影響到建模的整體外觀效果。常見的空間運算規則包括:

(1)裁剪:用于解決兩個部件模型之間出現交叉的情況,通過計算三角面的交線,裁掉位于模型內部的面。裁剪一般用于兩個部件銜接處的內側。

(2)拼接:用于解決兩個部件模型之間出現縫隙的情況,通過計算兩個部件頭部斷面的空間關系,自動封閉斷面之間的縫隙。拼接一般用于兩個部件銜接處的外側。

通過整合這些規則,可以將一個復雜建構筑物分解為各個部件,對每個部件定義其拉伸線框架及各拉伸線之間的附著關系,并為每條拉伸線定義斷面信息。在各部件獨立建模后,通過空間運算進行剪切和拼接,即可得到建構筑物的整體三維模型。這一建模過程效果如圖7所示。

圖7 基于斷面的橋梁建模效果

5 結 論

本文針對當前三維數字城市建設和應用中對三維模型快速構建和動態調整的需求,以參數化設計和規則建模的思想為指導,實現了利用斷面進行快速建模的方法。針對線性物體,可以直接使用斷面、延伸線和變化規劃的組合直接進行三維建模,針對復雜物體,通過對物體部件進行拆分和分開定義、空間組合實現三維建模。

基于斷面的快速建模方法具有原理簡單、容易實現、模型可調整等特點。一方面,解決了基于建模軟件的三維建模難以修改的問題,另一方面,解決了規則建模中規則定義復雜,需要具有一定編程知識的問題。該方法為各類具有規則的建構筑物快速模擬和動態調整提供了一種有效的解決方案。目前,這一建模方式在園區開發中道路和場地方案設計、規劃建筑方案設計等應用領域取得了較好的應用效果,也可以推廣到三維數字城市建設和應用的其他方面,輔助規劃分析和決策,提高決策的水平和效率。

[1] 李永泉,韓文泉,黃志洲.數字城市三維建模方法比較分析[J].現代測繪,2010,33(2):33～35.

[2] 王瑜,劉西濤,李鍵玲等.3D-GIS技術的發展與應用[J].甘肅科技,2009,25(8):57～59.

[3] 金建國,周明華,鄔學軍.參數化設計綜述[J].計算機工程與應用,2003,16(7):16～19.

[4] 何興富,謝征海.基于地理設計的三維道路設計系統研究與實現[J].地理信息世界,2013,20(6):72～76.

[5] 徐汝坤.Esri CityEngine-開啟三維規則建模新篇章[OL/ DB].http://wenku.baidu.com/view/bb0c5f3e31126edb6f1a 1015.html

[6] 周汝良,丁琨,石雷.稀疏觀測數據的空間內插方法的分析與比較[J].云南地理環境研究,2008,20(4):1～6.

Research and Application of a Modeling Method Based on Section

He Xingfu,Hu Zhangjie
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

The rapid development of 3D digital city brings a lot of extension services,and ask for a fast、standardized and adjustable model build method,but current work mode which depends on 3D modeling software cannot accommodate such needs.So,modeling based on parameters and rules developed.This paper uses parameters modeling technology and binds with rules modeling features,presents a modeling method based on section for building and structures.At last, shows the application effect on assistant urban planning,and present of area design project.

parametric modeling;section;quick modeling;urban planning and design;road modeling

2014—03—05

何興富(1982—),男,工程師,主要研究方向為GIS應用系統研究與開發。

國家測繪地理信息局青年學術和技術帶頭人科研計劃課題(2013-19)