基于攝影測量技術的三維仿真模型建模方法研究

黃榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亞星 趙真真

( 閩江學院地理科學系 福建福州 350108)

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基于攝影測量技術的三維仿真模型建模方法研究

黃榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亞星 趙真真

( 閩江學院地理科學系 福建福州 350108)

為了解決傳統三維建模速度慢、數據量大、精度不高的問題,并且能夠盡可能地降低成本，快速地建立高精度的三維仿真模型，研究將數字攝影測量引入到三維建模中，以快速地獲取地物高精度的幾何和高程信息，并結合3DS MAX軟件進行三維仿真模型的制作，大大地提高了建模效率。

攝影測量；三維建模；3DS MAX

0 引言

目前,以“數字城市”為標志的城市信息化建設正在全國范圍內迅速展開。數字城市建設過程中，二維空間數據已不能滿足社會發展所需，三維模型將被廣泛建立和應用。三維景觀模型的需求日趨增加，同時三維模型也便于決策者客觀全面分析和解決問題。

近幾年，很多學者對三維建模技術進行了相關的研究，例如，李雯[1]在《Auto CAD三維實體建模的方法研究》一文中提到，通過利用Auto CAD軟件中平面視口命令，將三維實體模型轉換為二維視圖的方法，并指出了在實際操作中容易遇到的問題以及解決方法；謝明輝[2]等通過ArcGIS以及SketchUp這兩大軟件為平臺，進行數據獲取、處理，建筑物建模和三維模型與校園遙感影像的疊加等操作步驟，來實現三維數字校園的可視化；李香清[3]等從城市景觀模型特點出發，分析了既往各種三維建模方法，并以Skyline為軟件平臺，完成了黃河景觀帶的三維建模；胡春霞[4]等在城市三維建模技術的基礎上，對文化遺產的相關實體、建筑物、展覽區、景區等進行真三維建模，構建文化遺產的真三維虛擬系統，實現了三維建模技術的應用功能。綜合上述，三維建模技術發展愈加成熟，在城市規劃、環境保護、資源調查等領域對其的需求也日益增加。目前，各種三維建模技術方法也被大眾所關注，而大多數的研究都是基于傳統的三維建模方法上。隨著全數字攝影測量技術在城市測繪行業中逐漸推廣和普及，利用數字攝影測量技術建立三維模型，是較為實用的一種方法，數據的獲取較為簡便，模型的建立也較為精確。因此，本文立足攝影測量技術的基礎，以3DS MAX為軟件平臺，進行快速且準確建立城市三維仿真模型的建模方法研究。

1 基于攝影測量的三維建模技術

數字攝影測量是利用所采集的數字、數字化影像，在計算機上進行各種數值、圖形和影像處理，研究目標的幾何和物理特性，從而獲得各種形式的數字產品和可視化產品[5]。通過攝影測量技術，可以獲得高精度的地形圖、高程和數字正射影像等信息。

1.1 基于攝影測量的三維建模技術特點

基于攝影測量的三維建模技術具有以下優點：

(1)數據處理的全過程均在計算機上完成，其中包含了傳統的攝影測量的每個部分。

(2)數字攝影測量技術具有成像速度快的特點，能夠迅速地捕捉到地面物體高精度的幾何特征和高程數據；地面建筑空間幾何精度可以達到厘米級，數據更新較容易[6]。

(3)基于攝影測量技術的三維仿真模型的制作與一些傳統的計算機動畫不一樣，這種模型的制作是根據攝影測量所得的地面建筑物真實的幾何和高程數據，建立真實的三維模型[7]，其坐標是真實模型的空間坐標，可以進行準確的測量。

1.2 建立三維仿真模型

1.2.1 基本模型的制作

本次模型的建立，主要是在3DS MAX軟件中完成。利用3DS MAX建模軟件建模所采取的是測量建模中的直接依圖建模方法[8]。在運用3DS MAX構建三維模型時，首先通過攝影測量技術獲取三維建模數據，并對所獲取的三維建模數據進行一系列后續處理，隨后進行基本模型的建立。

(1)數據導入

建模的過程中，首先要將建筑物的基本輪廓以某個比例尺導入到3DS MAX中，然后把基準定在某個易于識別的特征點上，將底圖在軟件界面上歸零。為了防止底圖會發生移動而導致真實的坐標位置發生偏移，最好是將底圖在軟件界面上歸零。

(2)建立模型

建筑物模型建立是根據二維底圖和照片紋理進行相關尺寸計算，然后在建模軟件中建立模型。在實際生產中，模型的建立要根據不同規范要求進行取舍，并要求最大程度對模型的面數進行精簡，同時不能損壞模型正確性，防止出現浪費數據量的現象。

在三維建筑模型建立之前，需要對整個建筑物進行一個整體結構分析。將整體結構分為多個部分，并依次對每個部分的結構進行分析，判斷各部分為規則體或是不規則體，確定建模方法；接著，再分別采用相應的建模方法，對模型進行構建。整體結構的分析有利于構建完整清晰的建模思路，對整體結構的全面梳理，能夠簡化建模繁瑣的過程，有利于提高建模的效率。在本次的建模過程中，主要采用了細分法和堆砌法這兩種常用的建模方法。細分法常用于不規則結構的模型建立，先通過基本幾何體構建一個大概的基本結構，然后再將各個部分細分，進行細節上的精化。堆砌法適用于較為規則的結構體，它是從零散到整體的建模方式，通過各個部分獨立構建，最后一部分一部分地堆砌在一起，而組成整個大結構體。本次選取的建筑物，主要由一幢主樓和兩側的兩幢小樓、以及主樓體前的廣場組成。從整體的結構上來看，主要分成3大部分進行模型構建。而各個部分的結構都比較復雜，不能夠直接通過基本幾何體構建完成，因此需要同時利用兩種建模方法共同建模，見圖1。

在三維模型建立中，對規則結構的建立可以先根據外形分為方形建筑物、圓形建筑物、異形建筑物等。對方形或圓形建筑物類基本的規則模型建立較為簡單，只需要在3DS MAX中，依據底圖以及已知的高程值，通過修改器面板中的擠出命令來實現。異形建筑物的構建，可以通過基本模型體精化得到。例如建筑物中的弧形體建立，規則的弧形體可以選擇兩點畫弧方法，確定并捕捉到弧體的最高點和最低點。而復雜的異形弧形體可以通過基本幾何體堆砌，利用布爾運算命令，進行相關操作運算，即可得到相應的結構體。

1.2.2 地面建筑紋理的采集

制作三維仿真模型，需要建筑物真實的紋理信息。紋理信息主要包括實地拍攝的建筑物的相片和影像中的建筑物頂部信息，所以需要外業用高精度的數碼相機，沿著某個方向仔細地拍攝建筑真實詳細的紋理信息，作為構建模型時的參考信息，以及在模型建立完成后的材質貼圖。

通過數碼相機外業采集的紋理，存在拍攝角度、光照條件等客觀因素影響，需要通過制圖軟件Photoshop進行裁切、校正以及變換等相關的處理，調節色彩、亮度、對比度等相關問題，以還原建筑物材質本質。如圖2所示，該圖為外業采集的未經處理的紋理圖，可以看出圖上有一些遮擋物以及拍攝角度存在一定的傾角，此時需要對該圖片進行角度糾正處理，并在正視基礎上去除遮擋的雜質；除此之外，圖片中還有較大區域面積的瓷磚，由于瓷磚數量較多，而貼圖分辨率有限，會導致整體瓷磚的模糊，因此可以單獨處理好清晰的瓷磚模板，并根據實際瓷磚數量將模板平鋪在該貼圖中，即可解決瓷磚模糊的問題。

1.2.3 模型導出

建立好的模型要進行質量的檢查，模型是否已經最大程度的逼近真實的建筑，紋理信息是否丟失是否失真，紋理的大小是否合格，命名是否規范，進行質量檢查過后的三維模型就可以導出，如圖4所示。

2 3DS MAX建立三維仿真模型關鍵技術

在3DS MAX中建立三維場景，三維模型整體面的總數量、模型的總個數以及貼圖文件的數量和貼圖文件的大小直接決定了文件所含的數據量，從而影響了整體的運行速度。所以如何對三維模型進行優化，減少文件數據量，提高運行速度是三維模型建立的關鍵之一；除此之外，三維模型紋理貼圖的外業拍攝和處理貼圖的方法以及效果，在對三維模型的渲染中起著至關重要的作用。

在進行三維建模時，要時刻注意模型所使用的頂點數、邊數以及面數，盡量精簡優化模型，以免造成不必要的數據浪費；在不影響整體的情況下，刪除隱藏的多余的面。外業紋理的采集有一定的原則性，外業紋理的拍攝過程中，要注意拍攝的時間、拍攝的角度等問題，最好是選擇陰天或者陽光較為柔軟均勻的時間進行，能盡量避免照片的色彩失真問題，可以更好地還原建筑物的真實場景；其次，在拍攝的過程中盡量地沿著建筑物的某個方向進行，并且盡可能地進行多個角度的拍攝，有利于對建筑物結構特征的識別；除此之外，為了讓建模者能通過照片很好地理解建筑物結構，需要盡可能多的照片和一定的空間想象能力，以及熟悉一些建筑物建筑結構的基本常識等。

三維仿真模型是要盡可能的還原建筑物真實形態，因此對模型紋理的處理要保持貼圖紋理的清晰度。由于色彩等客觀因素的限制，在紋理采集過程中可能會出現色彩失真、角度傾斜、紋理丟失、紋理遮蓋等各種各樣的問題，這就需要建模者有扎實的貼圖紋理的處理技巧，否則就會影響三維仿真模型制作的精度。

3 結語

隨著攝影測量技術的深入發展，當今的攝影測量技術已趨于成熟，它在數字城市的建設與發展中起到了巨大的推動作用，已經成為建設數字城市的核心技術基礎。本文通過實際操作，對基于攝影測量技術三維建模技術進行闡述，通過充分發揮攝影測量技術與 3DS MAX 建模軟件的優勢，將二者結合起來對建筑物進行快速地三維建模，從三維建模基礎數據的獲取，到三維仿真模型的建立，過程操作迅速簡易，有效地提高了建模的速度。利用該方法進行精模型的建立，避免了復雜繁瑣的操作過程，且建模精度較高，能達到規范要求，最重要的是該方法建立的三維模型都具有真實的三維空間坐標，符合實際建模的需求，有助于數字城市的建設。當然也還存在著很多問題，需要廣大人員進一步研究探討。

[1] 李雯. Auto CAD三維實體建模的方法研究[J]. 電子設計工程, 2015(11):48-50.

[2] 謝明輝, 張奇. 基于ArcGIS和SketchUp的校園三維模型設計與實現[J]. 吉林工程技術師范學院學報, 2015, 31(5):90-92.

[3] 李香清, 閆浩文. 基于Skyline數字城市三維建模方法探索[J]. 甘肅科技, 2015, 31(2):66-67.

[4] 胡春霞, 張紅軍, 張鳳梅,等. 基于城市三維建模技術的文化遺產三維虛擬系統[J]. 現代測繪, 2015(3):30-33.

[5] 沈文慧, 寶力杰, 姚姝娟. 數字攝影測量技術在三維建模中的應用[J]. 西部資源, 2015(2):111-115.

[6] 趙麗梅. 基于數字攝影測量技術的三維建模方法探討——以數字沈陽三維建模為例[J]. 中國高新技術企業旬刊, 2015(2):19-20.

[7] 曾浩, 范巍, 劉惠,等. “數字城市”三維建模技術[J]. 地理空間信息, 2013(3):26-28.

[8] 何威, 潘紅偉, 呂建勛. 3Ds Max在數字城市三維建模中的應用[J]. 科技與創新, 2015(13):100.

Research on modeling method of 3D simulation model based on Photogrammetry Technology

HUANGRongLINCencenWUJiaSHENXuefanLIYaxingZHAOZhenzhen

(Department of Geography, Minjiang University, Fuzhou, 350108)

The ways of traditional 3D modeling has some problem, such as slow speed , large amount of data, low accuracy and so on. In order to solve those problem, digital photography measurement was introduced into the three-dimensional modeling, which can access feature high-precision geometry and elevation information rapidly. Otherwise, this paper based on 3Ds Max as software platform, to realize the efficient modeling.

Digital photogrammetry; 3D Modeling; 3DS MAX

福建省大學生創新訓練項目(201510395027)

黃榕(1993.12- ),女。

E-mail:78532858@qq.com

2016-05-19

TU198

A

1004-6135(2016)10-0107-03