傾斜三維單體模型成果優化方法研究

作者簡介：羅旭（1996— ），男，助理工程師，學士；研究方向：無人機航測。

*通信作者：羅原（1994— ），男，工程師，大專；研究方向：無人機航測。

摘要：基于傾斜模型單體化建模是實景三維中國建設城市三維建?？焖贅嫿ǖ纳a方式之一。然而采用傳統方式生產的單體化模型存在建模思路、幾何結構以及紋理的不合理性。文章針對其中的不合理性并結合項目實踐經驗，提出相應的優化解決辦法。通過實驗論證，優化后的單體模型數據量減小了60%～80%。

關鍵詞：單體化；建模思路；幾何結構；紋理結構

中圖分類號：TU198" 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著實景三維中國城市建設的全面推進，因傾斜模型的數據采集方便、紋理效果真實且現實性較好，所以基于傾斜模型單體化建模開始逐步成為實景三維中國建設城市三維建?？焖贅嫿ǖ闹饕绞街?。通過傾斜模型單體化的步驟最終實現模型的模塊化管理、屬性掛接以及數據查詢和更新等多方向功能應用［1］。

1" 傾斜模型單體化的意義。

傾斜三維模型雖然具有高精度的空間位置信息以及真實的視覺效果，但其數據量巨大，且對于單獨的地物無法進行進一步的操作和使用。所以，傾斜模型在過去僅僅起到了觀賞性的作用，并未在多領域進行更深層次的應用。而傾斜模型單體化實際上就是解決傾斜模型從“看”到“用”的問題［2］，將主要功能區域、主要地物、主要部件進行單體化建模以及高清紋理貼圖，構建出趨于真實的三維場景，配合三維可視化信息平臺，構建出具有屬性、查詢、更新等功能的實景三維信息化平臺。

2" 傾斜模型單體化現階段的問題

目前傾斜模型單體劃分為ID單體化、切割單體化、動態化、人工單體化幾種方式［2］。但這幾種方式都只是簡單地將模型分割并重建基本外輪廓，并通過空三直接映射紋理，對三維建模的流程和思路并未深入了解，所以導致成果數據中存在大量的冗余數據，后期數據在平臺應用過程中存在無法加載或者加載卡頓等問題。經過大量的項目實踐并結合實際應用，對于目前單體化建模總結了以下3點問題。

（1）建模思路問題：局限于單個高度集成化的軟件中，對三維模型建模的構成和流程不清晰。

（2）幾何結構問題：單體化模型中，幾何結構布線混亂，冗余邊以及冗余節點多。

（3）紋理貼圖問題：單體化模型中，紋理貼圖數量大。有的單體模型可能存在10張以上的貼圖信息并且尺寸大小不一。

2.1" 建模思路局限性

目前主要的單體化建模方式較為單一，主要采用某款軟件進行數據生產工作。但由于該軟件的建模流程高度集成化，忽略了許多建模過程中的問題，導致單體化的作業人員難以對建模有更深入的理解，固化了作業人員的思想，無法在建模過程中用更多的方法去優化模型結構以及紋理結構，導致最終成果的單體模型冗余數據量大、平臺加載困難等問題。

2.2" 幾何結構問題

2.2.1" 建模方式的問題

目前主要參考傾斜三維模型勾畫出建筑物外部輪廓形狀與細節，并根據高程信息拉伸成構筑物白模［3］。其中房屋的細部結構主要采用面分割、面擠出、面推入的方式進行構建。但在被擠出或者推入的面與新構成的面之間存在公共點、公共邊的拓撲聯系，成果模型就會在相交處生成更多的三角面和冗余點，從而增加幾何結構的復雜性、冗余性。

2.2.2" 模型布爾導出問題

模型布爾是指通過一定的數學算法求出2個模型表面的交線，并根據相交部分與模型的內外關系來確定運算結果［4］。如果將導出模型進行整體的布爾運算，那么在邊或面相交處會形成新的頂點。尤其在不規則的建筑物或者不規則部件之間進行布爾運算，二者相交處的冗余邊、冗余點、冗余面將會更多，最終導致單體化的幾何結構并未達到最優。

2.3" 紋理貼圖問題

目前傾斜模型單體化模型的紋理主要利用空三文件進行紋理映射，對于貼圖的UV信息并未進行人工干預。以致單體化后的三維模型貼圖數量多，并且各種紋理圖片的尺寸大小不一、命名規則不統一，不利于后期規范化、標準化管理，難以形成較高的模型發布要求。

3" 解決辦法

根據上述對于傾斜模型單體化現階段問題的描述以及分析，并借鑒游戲三維建模的基本思路，基于OBJ格式的傾斜模型為參考，并導入專門的建模軟件（如3DMAX、Blender、MAYA、Sketchup）進行模型優化工作，具體措施如下。

3.1" 建模思路優化

簡單來說，模型單體化和修飾主要是參考OBJ格式的模型，然后再由軟件的內部代碼進行OSGB格式的文件重建，按照理論來說只要是能加載OBJ格式的建模軟件都能進行單體化操作，所以可以利用3Dmax、Blender、Rhino、Geomagic Studio、Sketchup等軟件協助進行單體化。建模環節就不再僅限于一個軟件內，可以結合不同軟件的優點（如表1所示）優化單體化流程。從而提高建模效率，優化模型的幾何結構。

3.2" 幾何結構優化

針對傾斜模型單體化的幾何結構優化有以下幾種方法。

3.2.1" 不同部件分離

基于規則建筑物的單體化模型，將該模型中不同的部件進行分離建模，主要是隔絕2個部件之間產生拓撲關系，如房屋與臺階之間、墻體與房檐之間。避免采用一個部件以擠入或者擠出的方式直接產生另一個部件（同一部件的內部結構除外），應采用直接以復制面的形式來創建該部件，如圖1所示。

3.2.2" 減少冗余點以及孤立點的產生

冗余點一般是指三維模型中不對其結構產生變化的多余頂點，而孤立點主要是指不構成面的頂點，通?？赡苁怯捎谀Ｐ筒紶柣蛘邿o意復制了某個點產生的錯誤［5］。在模型優化過程中將其移除。

3.2.3" 模型布線優化

模型布線優化需要結合建筑物的幾何結構進行分析。對于規則的結構，只需保留其基本的構造線即可；對于不規則的結構，需要以平均、充分、合理的延伸方向進行布線。同時盡量避免相交的模型進行布爾運算，保持建模時的拓撲關系。方便后期對模型的二次修改，同時也保證成果數據的三角面和頂點的數量達到最優。

3.3" 紋理結構優化

紋理結構優化就是對UV數量、UV利用率、UV大小的優化。UV是三維模型的二維紋理坐標，帶有多邊形和細分曲面網格的頂點組件信息［6］。用于定義二維紋理坐標系稱為“UV紋理空間”，對其優化如下。

3.3.1" UV分組展開

根據單體模型大小、形狀以及復雜程度進行分組，一個組代表一個UV，同時代表一張照片。將幾個物體紋理信息放在同一個UV里面進行展開，從而減少貼圖數量。

3.3.2" UV排布

在很多建模軟件中，對UV直接展開后，會存在很多UV空洞的情況，其空間利用率不高。所以在UV展開后需要對其進行空間排布，調整重點模型與非重點模型之間的UV占比，必要時可通過拆分UV結構來填充UV空洞。通過這種方式合理地提高每個UV組中不同模型紋理占比。從而在不增加貼圖數量的情況下極大地提升模型紋理的清晰度。

4" 實驗對比

根據上述分析，本次實驗采用3組使用傳統方式單體完成的模型建筑作為基礎數據。其中模型格式為OBJ，紋理貼圖格式為JPG。通過Blender、3Dmax進行建模，利用Blender、Maya軟件對模型進行紋理展開以及排布，最后采用Marmoset Toolbag 4軟件對紋理進行烘焙，從而完成該單體模型的幾何結構優化、紋理貼圖優化工作。以模型的數據量（包含幾何和貼圖）、三角網數量、紋理貼圖數量、貼圖大小作為對比參數，將優化前后的單體化模型數據進行比較，結果如表2所示。

根據上表可以明顯反映出在保證結構以及紋理效果一致的情況下，優化后相比優化前的總體數據量可減少60%～80%，對于構成幾何結構的最小單位面——三角面的數據量也減少了70%左右。同時貼圖數量由原來的幾十張銳減到了1～2張。由此可得，經過上述的幾何以及紋理結構的優化措施后，單體化模型的數據量降低了60%～80%，有效地達到了單體模型優化的目的。

5" 結語

綜上所述，對采用傳統方式的單體化模型成果進行幾何結構以及紋理結構優化后，數據量減小到原來的一半甚至更多，并且在處理流程上能夠結合眾多建模軟件的優點，大大提高單體化的建模效率。能夠較為完美地解決目前單體化模型中數據量大、數據不規范、平臺應用困難等問題。

參考文獻

［1］自然資源部國土測繪司.自然資源部國土測繪司關于印發新型基礎測繪與實景三維中國建設技術文件（1-4）的函［EB/OL］.（2021-12-26）［2023-11-23］.http：//gi.mnr.gov.cn/202112/t20211227_27158 42.html.

［2］何忠平.智慧余杭建設中傾斜攝影實景單體化建模方法的思考［J］.測繪技術裝備，2019（2）：44-48.

［3］楊彥梅，王瑩，施磊，等.基于DP-Modeler的精細化三維模型構建［J］.測繪通報，2021（5）：106-110.

［4］呂狀.三維網格模型編輯變形方法的研究與實現［D］.西安：西北大學，2023.

［5］趙偉明.三維模型拓撲與布線［J］.電子技術與軟件工程，2017（19）：54-55.

［6］鐵鐘.Maya2009完全學習手冊［M］.北京：清華大學出版社，2010.

（編輯" 沈" 強）

Research on optimization methods for tilted 3D monolithic models achievements

Luo" Xu1， Luo" Yuan2*

（1.Sichuan Xingruiyuntu Information Technology Co.， Ltd.， Chengdu 610052， China; 2.Hubei Kangbaichang

Geographic Information Technology Co.， Ltd.， Tianmen 431701， China）

Abstract：" Monolithic modeling based on tilted model is one of the production methods for rapid construction of 3D modeling of real 3D China construction cities. However， the monolithic model produced by the traditional way has the irrationality of modeling idea， geometric structure and texture. In view of the irrationality and combined with the practical experience of the project， a corresponding optimization solution is proposed. Through experimental demonstration， the optimized monolithic model data volume is reduced by 60%～80%.

Key words： monolithic; modeling ideas; geometric structures; textured structures