基于摄影测量技术的三维仿真模型建模方法研究

黄榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亚星 赵真真

( 闽江学院地理科学系 福建福州 350108)



基于摄影测量技术的三维仿真模型建模方法研究

黄榕 林涔涔 武佳 沈雪凡 李亚星 赵真真

( 闽江学院地理科学系 福建福州 350108)

为了解决传统三维建模速度慢、数据量大、精度不高的问题,并且能够尽可能地降低成本，快速地建立高精度的三维仿真模型，研究将数字摄影测量引入到三维建模中，以快速地获取地物高精度的几何和高程信息，并结合3DS MAX软件进行三维仿真模型的制作，大大地提高了建模效率。

摄影测量；三维建模；3DS MAX

0 引言

目前,以“数字城市”为标志的城市信息化建设正在全国范围内迅速展开。数字城市建设过程中，二维空间数据已不能满足社会发展所需，三维模型将被广泛建立和应用。三维景观模型的需求日趋增加，同时三维模型也便于决策者客观全面分析和解决问题。

近几年，很多学者对三维建模技术进行了相关的研究，例如，李雯[1]在《Auto CAD三维实体建模的方法研究》一文中提到，通过利用Auto CAD软件中平面视口命令，将三维实体模型转换为二维视图的方法，并指出了在实际操作中容易遇到的问题以及解决方法；谢明辉[2]等通过ArcGIS以及SketchUp这两大软件为平台，进行数据获取、处理，建筑物建模和三维模型与校园遥感影像的叠加等操作步骤，来实现三维数字校园的可视化；李香清[3]等从城市景观模型特点出发，分析了既往各种三维建模方法，并以Skyline为软件平台，完成了黄河景观带的三维建模；胡春霞[4]等在城市三维建模技术的基础上，对文化遗产的相关实体、建筑物、展览区、景区等进行真三维建模，构建文化遗产的真三维虚拟系统，实现了三维建模技术的应用功能。综合上述，三维建模技术发展愈加成熟，在城市规划、环境保护、资源调查等领域对其的需求也日益增加。目前，各种三维建模技术方法也被大众所关注，而大多数的研究都是基于传统的三维建模方法上。随着全数字摄影测量技术在城市测绘行业中逐渐推广和普及，利用数字摄影测量技术建立三维模型，是较为实用的一种方法，数据的获取较为简便，模型的建立也较为精确。因此，本文立足摄影测量技术的基础，以3DS MAX为软件平台，进行快速且准确建立城市三维仿真模型的建模方法研究。

1 基于摄影测量的三维建模技术

数字摄影测量是利用所采集的数字、数字化影像，在计算机上进行各种数值、图形和影像处理，研究目标的几何和物理特性，从而获得各种形式的数字产品和可视化产品[5]。通过摄影测量技术，可以获得高精度的地形图、高程和数字正射影像等信息。

1.1 基于摄影测量的三维建模技术特点

基于摄影测量的三维建模技术具有以下优点：

(1)数据处理的全过程均在计算机上完成，其中包含了传统的摄影测量的每个部分。

(2)数字摄影测量技术具有成像速度快的特点，能够迅速地捕捉到地面物体高精度的几何特征和高程数据；地面建筑空间几何精度可以达到厘米级，数据更新较容易[6]。

(3)基于摄影测量技术的三维仿真模型的制作与一些传统的计算机动画不一样，这种模型的制作是根据摄影测量所得的地面建筑物真实的几何和高程数据，建立真实的三维模型[7]，其坐标是真实模型的空间坐标，可以进行准确的测量。

1.2 建立三维仿真模型

1.2.1 基本模型的制作

本次模型的建立，主要是在3DS MAX软件中完成。利用3DS MAX建模软件建模所采取的是测量建模中的直接依图建模方法[8]。在运用3DS MAX构建三维模型时，首先通过摄影测量技术获取三维建模数据，并对所获取的三维建模数据进行一系列后续处理，随后进行基本模型的建立。

(1)数据导入

建模的过程中，首先要将建筑物的基本轮廓以某个比例尺导入到3DS MAX中，然后把基准定在某个易于识别的特征点上，将底图在软件界面上归零。为了防止底图会发生移动而导致真实的坐标位置发生偏移，最好是将底图在软件界面上归零。

(2)建立模型

建筑物模型建立是根据二维底图和照片纹理进行相关尺寸计算，然后在建模软件中建立模型。在实际生产中，模型的建立要根据不同规范要求进行取舍，并要求最大程度对模型的面数进行精简，同时不能损坏模型正确性，防止出现浪费数据量的现象。

在三维建筑模型建立之前，需要对整个建筑物进行一个整体结构分析。将整体结构分为多个部分，并依次对每个部分的结构进行分析，判断各部分为规则体或是不规则体，确定建模方法；接着，再分别采用相应的建模方法，对模型进行构建。整体结构的分析有利于构建完整清晰的建模思路，对整体结构的全面梳理，能够简化建模繁琐的过程，有利于提高建模的效率。在本次的建模过程中，主要采用了细分法和堆砌法这两种常用的建模方法。细分法常用于不规则结构的模型建立，先通过基本几何体构建一个大概的基本结构，然后再将各个部分细分，进行细节上的精化。堆砌法适用于较为规则的结构体，它是从零散到整体的建模方式，通过各个部分独立构建，最后一部分一部分地堆砌在一起，而组成整个大结构体。本次选取的建筑物，主要由一幢主楼和两侧的两幢小楼、以及主楼体前的广场组成。从整体的结构上来看，主要分成3大部分进行模型构建。而各个部分的结构都比较复杂，不能够直接通过基本几何体构建完成，因此需要同时利用两种建模方法共同建模，见图1。

在三维模型建立中，对规则结构的建立可以先根据外形分为方形建筑物、圆形建筑物、异形建筑物等。对方形或圆形建筑物类基本的规则模型建立较为简单，只需要在3DS MAX中，依据底图以及已知的高程值，通过修改器面板中的挤出命令来实现。异形建筑物的构建，可以通过基本模型体精化得到。例如建筑物中的弧形体建立，规则的弧形体可以选择两点画弧方法，确定并捕捉到弧体的最高点和最低点。而复杂的异形弧形体可以通过基本几何体堆砌，利用布尔运算命令，进行相关操作运算，即可得到相应的结构体。

1.2.2 地面建筑纹理的采集

制作三维仿真模型，需要建筑物真实的纹理信息。纹理信息主要包括实地拍摄的建筑物的相片和影像中的建筑物顶部信息，所以需要外业用高精度的数码相机，沿着某个方向仔细地拍摄建筑真实详细的纹理信息，作为构建模型时的参考信息，以及在模型建立完成后的材质贴图。

通过数码相机外业采集的纹理，存在拍摄角度、光照条件等客观因素影响，需要通过制图软件Photoshop进行裁切、校正以及变换等相关的处理，调节色彩、亮度、对比度等相关问题，以还原建筑物材质本质。如图2所示，该图为外业采集的未经处理的纹理图，可以看出图上有一些遮挡物以及拍摄角度存在一定的倾角，此时需要对该图片进行角度纠正处理，并在正视基础上去除遮挡的杂质；除此之外，图片中还有较大区域面积的瓷砖，由于瓷砖数量较多，而贴图分辨率有限，会导致整体瓷砖的模糊，因此可以单独处理好清晰的瓷砖模板，并根据实际瓷砖数量将模板平铺在该贴图中，即可解决瓷砖模糊的问题。

1.2.3 模型导出

建立好的模型要进行质量的检查，模型是否已经最大程度的逼近真实的建筑，纹理信息是否丢失是否失真，纹理的大小是否合格，命名是否规范，进行质量检查过后的三维模型就可以导出，如图4所示。

2 3DS MAX建立三维仿真模型关键技术

在3DS MAX中建立三维场景，三维模型整体面的总数量、模型的总个数以及贴图文件的数量和贴图文件的大小直接决定了文件所含的数据量，从而影响了整体的运行速度。所以如何对三维模型进行优化，减少文件数据量，提高运行速度是三维模型建立的关键之一；除此之外，三维模型纹理贴图的外业拍摄和处理贴图的方法以及效果，在对三维模型的渲染中起着至关重要的作用。

在进行三维建模时，要时刻注意模型所使用的顶点数、边数以及面数，尽量精简优化模型，以免造成不必要的数据浪费；在不影响整体的情况下，删除隐藏的多余的面。外业纹理的采集有一定的原则性，外业纹理的拍摄过程中，要注意拍摄的时间、拍摄的角度等问题，最好是选择阴天或者阳光较为柔软均匀的时间进行，能尽量避免照片的色彩失真问题，可以更好地还原建筑物的真实场景；其次，在拍摄的过程中尽量地沿着建筑物的某个方向进行，并且尽可能地进行多个角度的拍摄，有利于对建筑物结构特征的识别；除此之外，为了让建模者能通过照片很好地理解建筑物结构，需要尽可能多的照片和一定的空间想象能力，以及熟悉一些建筑物建筑结构的基本常识等。

三维仿真模型是要尽可能的还原建筑物真实形态，因此对模型纹理的处理要保持贴图纹理的清晰度。由于色彩等客观因素的限制，在纹理采集过程中可能会出现色彩失真、角度倾斜、纹理丢失、纹理遮盖等各种各样的问题，这就需要建模者有扎实的贴图纹理的处理技巧，否则就会影响三维仿真模型制作的精度。

3 结语

随着摄影测量技术的深入发展，当今的摄影测量技术已趋于成熟，它在数字城市的建设与发展中起到了巨大的推动作用，已经成为建设数字城市的核心技术基础。本文通过实际操作，对基于摄影测量技术三维建模技术进行阐述，通过充分发挥摄影测量技术与 3DS MAX 建模软件的优势，将二者结合起来对建筑物进行快速地三维建模，从三维建模基础数据的获取，到三维仿真模型的建立，过程操作迅速简易，有效地提高了建模的速度。利用该方法进行精模型的建立，避免了复杂繁琐的操作过程，且建模精度较高，能达到规范要求，最重要的是该方法建立的三维模型都具有真实的三维空间坐标，符合实际建模的需求，有助于数字城市的建设。当然也还存在着很多问题，需要广大人员进一步研究探讨。

[1] 李雯. Auto CAD三维实体建模的方法研究[J]. 电子设计工程, 2015(11):48-50.

[2] 谢明辉, 张奇. 基于ArcGIS和SketchUp的校园三维模型设计与实现[J]. 吉林工程技术师范学院学报, 2015, 31(5):90-92.

[3] 李香清, 闫浩文. 基于Skyline数字城市三维建模方法探索[J]. 甘肃科技, 2015, 31(2):66-67.

[4] 胡春霞, 张红军, 张凤梅,等. 基于城市三维建模技术的文化遗产三维虚拟系统[J]. 现代测绘, 2015(3):30-33.

[5] 沈文慧, 宝力杰, 姚姝娟. 数字摄影测量技术在三维建模中的应用[J]. 西部资源, 2015(2):111-115.

[6] 赵丽梅. 基于数字摄影测量技术的三维建模方法探讨——以数字沈阳三维建模为例[J]. 中国高新技术企业旬刊, 2015(2):19-20.

[7] 曾浩, 范巍, 刘惠,等. “数字城市”三维建模技术[J]. 地理空间信息, 2013(3):26-28.

[8] 何威, 潘红伟, 吕建勋. 3Ds Max在数字城市三维建模中的应用[J]. 科技与创新, 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

福建省大学生创新训练项目(201510395027)

黄榕(1993.12- ),女。

E-mail:78532858@qq.com

2016-05-19

TU198

A

1004-6135(2016)10-0107-03