建筑建模

2024-10-29

建筑建模（共9篇）

建筑建模篇1

1、概述

本研究主要针对城市建筑群参数化建模, 提出一套完整的解决方案, 该方案包括“参-建分离”的系统架构, 以及参数管理、服务网站、自动建模三大模块。笔者在第一篇文章中介绍了系统架构和参数管理模块, 在第二篇文章中介绍了自动建模模块中的DXF-SHP格式自动转换技术的实现方法, 本文将重点针对自动建模模块中的参数化三维建模技术提出相应策略和方法, 并对整套方案作实验验证。

2、参数化三维建模技术

(1) CGA规则库的构建策略

CGA是City Engine[1-3]平台为三维城市建模设计的一种形状语法。用其编写的文法规则 (一种脚本程序) 可以驱动二维平面自动生成复杂三维形体。为使规则便于维护、利于共享, 我们采用“一物一规则”的思路, 建立了一个种类丰富、数量庞大的规则库。根据类型不同, 将规则库中的规则划分为“建筑”、“道路”、“地块”三大类, 并制定如下命名规则:建筑类文法规则以“B+唯一编号”的形式命名 (表示Building) , 道路类以“S”开头 (表示Street) , 地块类以“L”开头 (表示Lot) 。规则库的整体框架如图1所示。

由于“参-建分离”的系统架构中参数管理与自动建模是分开的, 这就存在规则文件如何调用的问题。本文提出了以“STYLEID”为核心的调用机制: (1) 先定义一个CGA文法规则, 以“STYLEID” (例如“B20120917”) 命名; (2) 在服务网站的风格库中为该规则新建风格, 该风格包含一个名为“STYLEID”、值为“B20120917”的参数; (3) 用户从风格库中获得该风格的参数列表, 将其作为属性与城市图元关联, 构成带属性的块参照, 这样城市图元就附带了一个名为“STYLEID”、值为“B20120917”的属性; (4) 另存为DXF文件, 并经服务网站上传到服务器, 服务端获取后启动自动建模脚本; (5) 脚本在处理到上述块参照时, 先读取“STYLEID”参数的值“B20120917”, 再从规则库中找到对应的规则文件——即“B20120917.cga”文件, 将该CGA文件设为该图元的规则文件 (Rule File) , 即可完成三维建模。

(2) 自动建模脚本的设计

City Engine平台提供了一个Python脚本编辑窗口和一个基于Python语言的“CE”模块, 借此可实现许多自定义功能, 大大扩展了City Engine的功能, 自动建模脚本正是基于此实现的。这里的“CE”模块类似于Python语言自带的“os”、“random”模块, 封装了大量读写、编辑City Engine内部数据的API函数, 是自动建模的核心。当然, 整个自动建模脚本还包括许多辅助功能 (见图2) , 其步骤如下: (1) 由于用户上传的项目文件组织难以预料, 因此必须对原始文件进行整理; (2) 在获取DXF文件后, 调用笔者开发的DXF-SHP程序进行文件格式自动转换; (3) 清理工程, 我们在模型生成前后, 都安排了该步骤, 这是为了保证每个项目的独立性, 避免项目之间相互影响和产生不发预见的错误, 这里的清理包括三维数字场景清理和文件系统清理两方面; (4) 工程清理完毕后, 即可开始导入SHP文件, 并开始生成三维 (建筑、道路和地块) 模型。

这里以建筑为例, 介绍一下三维模型生成的方法:首先需要获取一个初始shape图形, 设置起始规则名 (City Enging平台内称为Start Rule) 为“Lot”;然后根据“STYLEID”属性值从规则库中找到相应文法规则, 将其指派给该图元;接着系统自动完成shape自带属性与文法规则定义参数的匹配;最后自动生成建筑实体。其对应的Python代码如下:

3、实验

为验证本研究所提方法及系统的可行性和高效性, 这里以浙江省余姚市某镇的局部城市建筑群为例, 进行参数化建模实验。实验的已知数据为该镇的平面布局图, 包含道路中心线和建筑封闭轮廓线, 如图3-a所示。

实验首先利用第一篇文章中介绍的参数管理模块, 在Auto CAD平台上将参数与道路中心线、建筑轮廓线关联, 效果如图3-b所示。我们针对建筑设计的参数有:层数FLR_NBR、首层层高FST_HEIGHT、其他层高F_HEIGHT, 针对道路设计的参数有:左侧人行道宽度L_WIDHT、车行路面宽度M_WIDTH、右侧人行道宽度R_WIDTH。此外两者共有的参数有精细等级LOD (用于控制生成模型的精细程度) 、风格编码STYLEID。

最后, 将文件另存为DXF格式, 并通过服务网站模块上传到服务器。服务端后台随即启动自动建模脚本, 按照第二篇文章介绍方法将DXF转成SHP, 然后根据本文方法自动生成城市建筑群三维模型, 并提供下载, 最终模型效果如图3-c所示。图中我们可以看到, 由本系统生成的城市建筑群模型具有非常丰富的细节、逼真的纹理和三维空间形态。更重要的是, 如此详细的模型从参数管理到上传、再到获得最终结果, 总耗时仅20分钟左右。如果使用传统的3DMax、Sketchup等三维辅助设计软件进行手工制作, 要达到相同的效果可能需要花费数天时间。

当然, 本系统除了处理速度快, 更重要的优势还在于使模型方案的调整变得非常方便。例如当需要调整图4-a中局部建筑的层数和风格时, 只需将DXF文件中的对应建筑轮廓图元 (属性块) 的属性数值稍作调整, 重新上传到服务器, 数分钟后即可得到成果 (如图4-b所示) 。

4、总结与展望

本研究针对城市建筑群参数化建模, 创造性地提出了“参-建分离”的系统架构, 并重点针对参数管理和自动建模两个模块提出了详细的实现方法, 最后通过实际案例证明了本研究所提方法及系统的可行性和高效性。该研究成果大大降低了参数化平台的技术门槛、大幅提高了建模效率, 将有效推动参数化技术在建筑规划领域的应用普及。

摘要：本文详细介绍了参数化三维建模技术的相关策略和方法, 并通过实际城市建筑群参数化建模实验, 验证了本研究所提方法及系统的可行性和高效性。

关键词：城市建筑群,参数化建模,三维

参考文献

[1] Müller P, Vereenooghe T, Wonka P, et al. Procedural3D Reconstruction of Puuc Buildings in Xkipché[C]. EG, 2006.

[2] Müller P, Wonka P, Haegler S, et al. Procedural modeling of buildings[J]. ACM Trans. Graph. 2006, 25: 614-623.

[3] Parish Y I H, M U Ller P. Procedural modeling of cities[C]. New York, NY, USA: ACM, 2001.

建筑建模篇2

关键词: 代理; 建模框架; 制造系统; 软件工程;多代理系统;业务过程建模

制造系统建模内容丰富、覆盖面广,其体系结构是由一组活动、方法和工具组成,从不同角度对制造系统模型进行描述利用面向对象技术,制造系统建模采用抽象、分解和封装的策略把整个系统模型分解为一组对象的集合,各对象之间应用交互机制协作完成各部分功能组件技术作为对象技术高层抽象性对象,被越来越多地应用于大型复杂分布式异构环境的应用系统而代理技术比对象技术具有更强自治性,为分散控制和智能控制提供新的支持,因此,笔者提出了基于多代理的制造系统建模框架,并实现了多代理系统软件方法

1.制造系统建模方法

经国内外研究人员多年努力,已形成许多有影响的制造系统建模方法和建模工具系统,主要有基于功能建模和基于过程建模的两大类建模方法

1.1 基于功能的建模方法

20世纪90年代初,制造系统建模方法主要由基于功能的建模方法所主导,代表方法有CIMOSA和IDEF方法其主要思想是采用功能分解法和递阶层次控制建立制造系统各个不同视图中的模型以CIMOSA建模方法[1]为例,其视图组包括功能视图、信息视图、组织视图和资源视图由于功能分解法采用统一的活动单元来描述整个系统各个递阶层次中的功能模块,因而具有较好的通用性和一致性但使用单一的活动单元模型无法表达丰富的建模语义,难以满足制造系统对复杂模型描述的要求

1.2 基于过程的建模方法

针对功能分解法的不足,许多学者提出了基于过程的制造系统建模方法,代表方法有ARIS方法[2,3]和工作流建模方法[4]其主要思想是以过程模型为核心,建立由多个活动交互形成的系统运行的业务流,有效地集成控制流、物料流和信息流以ARIS建模方法为例,如图1所示,采用面向对象方法建立制造系统多个视图的模型,包括组织视图、数据视图、产品/服务视图和功能视图,并用控制视图来描述这些视图的逻辑关系和约束规则由于核心过程跨越组织和部门,能够更好地描述业务过程,支持制造系统集成,适应系统组织结构变化。

2. 基于多代理的制造系统建模方法

2.1 多代理技术

代理技术是在对象技术和组件技术基础上发展而来的自治性主体面向对象技术为实体描述提供了一种抽象对象被定义为具有状态集和对状态集操作的方法集所组成的封装实体,通过与其他对象进行消息传递的通信机制调用对象的方法,改变对象的状态对象边界能够保护状态数据,使其不受或很少受到对象外部的影响,因而对象具有较高的封装性和独立性,具有很好的模块化特点,实现对象重用和软件重用

组件技术为对象引用提供对象管理服务对象管理服务体系结构[5]提供公共对象服务、通用设施、领域接口和应用接口,为分布计算提供通用平台通过远程过程调用或对象引用机制,实现跨平台资源的透明互操作和协同计算,适用于传统的相对稳定的制造系统环境和企业应用程序组件之间通过接口进行交互,并主动提供服务,具有可重构性,可扩展性和半自治性的特点

代理技术进一步加强了对象的自治性,还具有反应性、能动性、自学习性和社会性等特点[6,7]自治性是代理最基本的特性自治性使代理一旦启动运行,无需用户直接干预能独立执行代理控制着自己的外部行为和内部状态管理者通过授权可以使代理进行决策,完成事务处理反应性使代理能感知和作用所处的环境,如物理实体、用户图形接口或其他的代理集等,并对环境改变及时做出响应,遇到例外情况时可以及时采取措施

能动性使代理以目标为导向,不是被动地接受指令要求,而是采取主动,不断地探测环境,根据目标导向来调整策略,适时地对自身系统行为做出调整,而不是等待环境的变化通过能动性,系统只是接受高层次的要求,决定如何满足目标和协调策略,使系统能动地对环境变化做出快速响应,提高系统的.敏捷性

自学习性使代理能够从过去的执行情况中不断学习,以指导未来的行为代理能从大量历史数据中发现用户的需求或系统状态

社会性使代理与其他代理通信协调,积极参与合作,在目标导向下协作完成一些复杂任务从而形成代理社会这种社会性大大地分散了系统运行的数据和控制逻辑,系统具有更加开放的性能

2.2 基于多代理的制造系统建模框架

在基于过程的建模方法基础上,结合多代理技术,笔者提出基于多代理的制造系统建模框架。该框架采用了3个不同维度来描述基于多代理的制造系统模型,它们分别是对象自治性层次维、软件生命周期维和视图模型组维对象自治性层次维分为被动对象、主动对象和智能代理3种类型软件生命周期维分为需求定义、系统设计和系统实现3个不同阶段视图模型组维采用面向对象的方法建立多个视图模型,例如数据视图、功能视图、资源视图和组织视图等并以目标视图为导向,以过程模型为核心,用过程模型来描述这些视图的逻辑关系和约束规则

该模型还有以下显著特点:

①增加了对象自治性层次维,整个系统是由多个对象、组件和智能代理组成的集合被动对象是指封装状态集和方法集而没有自我控制线程的抽象实体,通常表现为简单对象主动对象是指封装状态集和方法集并具有自我控制线程的对象,通常表现为服务端或Web服务(Web Service),以及基于对象引用的各类组件智能代理是指智能的自治性对象

②视图维中增加了目标视图:目标视图利用目标层次结构树,描述制造系统的目标层次,并通过细化,达到目标策略控制的目的由于多个代理以目标导向来指导自己的行为,并与其他代理协调完成共同目标,所以目标视图在多代理系统中的作用尤为突出

③生命周期维中保证构件的一致性:在建模工具系统中,模型的分析、设计与实现3个生命周期阶段的构件(artifact)必须保证在上一阶段表达的每个构件语义在下一阶段能够找到相应的语义表达,从而维持各个构件在分析、设计和实现阶段中模型的一致性

④系统建模框架独立于软件实现方法和实现语言

2.3 多代理软件实现

基于上述框架,在应用开发中采用了多代理软件实现方法[8~10],其系统分析与设计如图3所示

此方法的主要步骤说明如下:

①根据制造系统实际需求分析确定应用系统的总体目标,进行目标分解,建立目标层次结构树

②由需求分析确定系统边界,建立应用系统的高层用例,并用用例的交互图来描述

③细化应用用例,明确各个用例涉及的角色和对象之间的交互

④采用多层体系结构应用系统,平衡各层功能,分析被动对象、主动对象和智能代理,以此建立类层次结构

⑤对各个类进行精化,建立相应的协议图、过程图和交互图

⑥组装各个对象,建立系统的应用框架

⑦应用特定平台和编程语言实现各个构件

3. 结语

在基于多代理的制造系统建模框架中,智能代理具有比对象和组件更强的自治性和智能性,能够实现系统应用的分散控制和智能控制目标视图能够协调多个代理共同完成任务而基于代理的软件实现提供为制造系统应用开发提供了新的途径

参考文献:

[ 1 ] ESPRIT Consortium AMICE.CIMOSA: open system architecture for CIM[M]. Berlin: Springer, 1993.13-157.

[ 2 ] Scheer A W.ARIS-business process framework[ M]. Berlin: Springer, .1-131.

[ 3 ] Scheer A W.ARIS-business process modeling[M]. Berlin: Springer, 1999.1-176.

[ 4 ] Workflow Management Coalition. The workflow reference model[EB/OL]. http:∥www.wfmc.org, 1994.

[ 5 ] Object Management Group. Common services specification [EB/OL]. http:∥www.omg.org, 1999.

[ 6 ] FIPA-Foundation for Intelligent Physical Agent. Agent speci

fication[EB/OL]. http:∥www.fipa.org, 1999.

[ 7 ] Wooldridge M,Ciancarini P.Agent-oriented software engineering: the state of art [A]. www.51lunwen.org/doctor_degree.html Proceeding of the First International Workshop[C]. Berlin:Springer, .1-28.

[ 8 ] Odell J, Bauer B. Representing agent interaction protocols in UML[A].Proceeding of the First International Workshop [C]. Berlin: Springer, 2000. 121-140.

[ 9 ] Booch G, Rumbaugh J, Jacoboson I.The unified modeling language user guide[M]. Lakewood: Addison-Wesley, 1999.85-244.

建筑建模篇3

关键词：3DMAX；软件；制作应用；建筑装饰；建模分类；运用；室内设计；分析

中图分类号：TB482.1 文献标识码：A 文章编号：2095-4115（2014）02-126-1

3DMAX作为一种动画制作与三维设计如软件，在实际中的应用非常广泛和普遍。近年来，随着房地产行业的迅速兴起与发展，房地产行业多应用3DMAX软件进行建筑装饰效果图的设计制作，以实现建筑装饰设计质量效果的仿真模拟，提高建筑装饰设计质量和水平。下文在对于3DMAX软件的作用功能以及三维设计建模思路进行分析基础上，结合建筑装饰的具体内容，对于3DMAX进行建筑装饰效果图制作的建模分类方法以及具体运用情况进行分析论述。

一、3DMAX及其三维设计建模思路分析

3DMAX作为一种能够实现动作制作和三维设计的高级专业应用软件，在广告以及工业设计、建筑设计、多媒体制作等行业领域中的应用十分广泛和普遍，也是许多设计人员在实现动画制作与三维设计时首选工具。应用3DMAX软件实现三维设计以及动画制作过程中，首先是进行设计与制作对象的建模分析，通常也被称为是角色建模，它也是三维设计与动画制作的核心与基础环节，能够更好的实现对于设计制作角色的分析，并且进行设计制作的所有效果都是通过模型体现和反映出来的。

应用3DMAX三维设计制作软件进行角色建模过程中，首先要对于建模对象的结构特征进行分析，这也是三维模型建立实现的基础与支撑。通常情况下，进行三维建模的对象结构类型主要有规则以及不规则两种，其中，像汽车以及房屋等，都属于比较规则的三维建模对象，进行三维建模设计中，可以通过克隆复制方式进行模型建立分析；而处于不断变化的三维建模对象，则多是不规则结构类型，它在建模分析过程中没有统一的标准，对于建模设计人员的能力要求比较高。其次，进行三维模型的设计建立，还需要对于建模方法进行确定，通常情况下，比较常用的三维建模法有堆砌建模法以及细分建模法两种，可以根据建模对象的不同，选择不同的建模方法进行建模分析。最后就是进行三维动画模型的设计建立，它是建立在前两个步骤基础上，实现三维建模的最后一个步骤阶段，结合前面分析并确定的结果，通过合适的建模方法，完成三维模型的建立实现。

二、3DMAX制作建筑装饰效果图的建模分类与运用分析

在应用3DMAX进行建筑装饰效果图制作中，最为关键的是3DMAX进行建筑装饰效果图制作的思路以及绘图技巧，而建模是进行建筑装饰效果图制作的重要基础，也就是通过建筑装饰模型的建立，来实现建筑装饰效果图的制作。通常情况下，在进行建筑装饰效果图制作中，根据建筑装饰的内容以及具体物体类型不同，可以将建筑装饰分成平面立体结构部分的装饰、曲面立体结构装饰和组合体结構装饰等三个部分，结合建筑装饰的内容与实际情况来看，多以复杂的组合体装饰为主，其中还包含有自由曲面变化的结构物体，因此，在进行建筑装饰效果图模型建立中，具有一定的工作难度。

（一）建筑装饰的平面立体建模分类和运用分析

在建筑装饰中，属于平面立体的建筑装饰内容主要包括建筑结构的墙体以及门窗、家具、楼梯等，通常情况下，组成这些结构物体的表面都是平面的，因此，在进行这部分建筑装饰对象的建模中，通常都属于基本的建模内容与结构部分，常用的建模方法主要有通过建筑扩展几何体中固有建筑装饰构件进行建模设计、通过标准几何体或者是扩展几何体中固有几何体结构形体的有机组合实现建筑装饰建模以及通过对于平面图形的拉伸或者是倒角、放样等方法进行平面图形转变以实现建筑装饰的三维立体建模等三种建模方法。

（二）建筑装饰的曲面立体建模分类和运用分析

在建筑装饰效果图制作中，对于建筑装饰内容中的曲面结构部分进行建模分析中，由于建筑装饰的曲面结构建模制作本身是一种相对较为复杂的模型制作部分，同时也是建筑装饰效果图建模制作中较为重要的建模制作部分。建筑装饰中曲面立体主要有回转体曲面、非回转体曲面、自由体曲面等三种类型，其中，进行回转体曲面的建模分类与运用主要是借助对于平面图形的旋转实现的，非回转体曲面的建模分类和运用可以通过放样建模方法进行建模实现，自由体曲面建模分类与运用实现，是曲面立体建模中最复杂的部分，多是借助FFD编辑以及NURBS建模、网格编辑等辅助建模实现。

三、结束语

总之，3DMAX作为一种集三维设计以及动画制作一体的应用软件，进行建筑装饰效果图制作应用具有积极作用和优势，进行3DMAX制作建筑装饰效果图的建模分类与运用分析，有利于促进3DMAX软件在建筑设计中的应用。

参考文献

[1]郭亚钢，任嘉利.浅析3DMAX室内效果图设计中简约主义手法的运用[J].世界家苑，2012，（11）.

[2]方骄伟.论3DMAX在产品造型设计中的应用——以陶瓷造型设计为例[J].科技资讯，2012，（05）.

作者简介：

三维建模技术在建筑领域的应用篇4

一、建筑动画的制作基础

1. 建筑动画的优点

随着科学技术的发展, 我们步入了信息和网络时代。计算机技术的快速发展对社会产生了深远的影响, 使社会诸方面发生了很大变化, 尤其在建筑中, 传统的思维方式、思想观念正受到巨大的冲击, 随之产生了多媒体技术。

建筑动画作为一种新兴的建筑表现形式, 以其独特的魅力优越于单帧建筑效果图。首先, 建筑动画突破了单帧效果图固定视角的局限, 可以全方位、多角度、自由的观看建筑的各个部分;其次, 建筑动画可以很好地表现昼夜交替、季节变化, 建筑及其周边环境的不同表现, 给人以丰富的视觉效果和广阔的遐想空间。

2.3DS ma x 7在建筑中应用

由于是使用3ds max 7来进行制作的, 因此制作前就得对3ds max 7有一个大概的了解。

菜单栏:位于标题栏的下方, 包含了15个不同的菜单项, 每个菜单项都对应一个下来菜单, 菜单项的名称也表明了该项的主要用途, 在这个区可以完成3ds max 7大部分的操作。

工具栏:位于菜单栏的下方, 包含了一些常用的工具和操作按钮, 主要实现对物体的选择、位置变换、对齐、锁定等操作, 是3ds max 7使用频率最频繁的区域之一。

视图区:位于工具栏的下左方, 占据了大部分的界面, 包含了四个视图, 软件默认是顶视图、前视图、左视图、透视图。在视图的划分上3ds max 7有很大的自由度, 它提供了14种划分方式, 完全可以满足用户的个性要求及工作的需要。通过视图区, 我们可以从各个角度和方向来观察物体。

命令面板:位于视图区的右边, 是3ds max 7的核心, 包含了创建、修改、层次、运动、显示、程序6个选项卡, 每个选项有相应的命令面板, 上面的命令几乎可以完成我们各种的设计工作, 应用频繁并且比较复杂。

在界面的下方从左到右依次为位置信息栏、动画控制区、视图控制区, 提示栏包括了提示栏、状态栏、X、Y、Z的坐标值。状态栏显示物体的选择状态, 提示栏显示工具的选择状态以及操作命令的使用说明, X、Y、Z则反应物体在视图中的具体坐标值, 当物体处于选择状态, 直接在X、Y、Z后面的框中输入数值可以改变物体在视图中的具体位置。动画控制区, 实现了各种的控制功能。视图控制区, 用户可以通过上面的按钮来对视图中的物体进行统一的角度变换以便满足各种视觉需要。

3. 熟悉对象的各种基本操作

这里所说的基本操作是指对象的选择操作、对象的复制以及空间捕捉。具体的操作都是通过点击工具栏上的相关按钮来实现的。对象选择是进行一切操作的前提, 只有对象处于选择状态才能对其进行编辑修改, 就如小区漫游动画这个作品, 当涉及到场景处理时是很繁杂的, 各个模型对象不是相互重叠就是相互遮掩, 要在其中进行修改, 单一的选择对象是很难实现的, 这就需要自己根据具体情况选择合适的方法。复制是制作过程中使用频率相当高的一种操作, 对减少制作过程中的工作量是非常有效的, 如小区动画, 应用好复制的操作真的减少了不少重复又繁琐的工序。空间捕捉, 具有精确定位的功能, 使得制作出来的作品准确到位。三维模型的制作过程, 都是建立在各种基本操作的基础上的, 能否熟悉乃至熟练地应用各种操作, 是关系到模型的最终效果。

4. 相关辅助工具软件介绍

如果只是单一的使用3ds max是不足以完成最终的动画制作, 就必须使用相关的辅助工具软件, 小区动画的制作主要是使用Aut o CAD、Premiere6.5来辅助完成的。Aut o CAD主要用于绘制模型的平面图, 它的应用方便了3ds max的立体建模, 加快了制作的进度。Pr emi er e6.5主要用于动画合成, 它是一款优秀的视频编辑软件, 能对视频、声音、动画、图片、文本进行编辑加工, 并生成视频文件。

二、住宅小区漫游动画的制作

1. 总体目标

通过使用3ds max 7和相关的辅助工具完成小区动画的制作, 充分利用3ds max 7在建模技术上的优势和以动画的形式展示出一个设施齐全、环境优美的住宅小区。在整个制作过程, 本人主要是负责一些建筑模型的制作和动画分镜头的制作。

2. 建筑模型的制作

建模就是用3ds max制作三维模型, 建模的首要步骤就是统一单位。住宅小区动画作为一个场景动画, 包含了许多物体模型, 统一了单位, 便于场景的整合;动画的制作也是一个合作分工的过程, 也就必须使用统一的单位。其实制作任何作品, 首要的就是设置单位。

接着就是制作两侧的前墙下、前墙上、侧墙以及一些相应的造型制作, 过程中其实都是绘制一些线形、矩形、圆、方体等等二维或三维的造型, 并进行相应操作修改, 如挤出、轮廓、复制等操作命令, 最终完成主墙体的制作。而两侧的前墙下就是通过镜像复制实现的。镜像复制是以所选对象的轴心作为中心, 将对象沿着某个轴向反转的同时进行复制的。除了镜像复制, 还有利用键盘移动复制对象的方法, 此种复制方法一般与变换操作相结合, 即在移动、旋转、缩放对象的同时进行复制。镜像复制与键盘移动复制是最常用的两种方法, 如何应用取决于实际的操作要求。

(1) 住宅楼模型的制作

住宅楼模型的制作流程与别墅模型的制作过程基本是一样的, 都属于建筑模型, 先制作出各种墙体, 即把一个主要的框架展现出来, 接着制作阳台、窗户、玻璃等造型, 并且制作造型的同时赋予相应的材质, 这里就不具体展示制作过程, 只展示出最后的造型。

(2) 其他模型的制作

其他模型包括了小区里的各种设施、周边环境的制作等 (如一些远景建筑的简单建模、植物模型的制作等等, 其实都是些较简单的制作工作, 大多在整合场景的时候同时制作) 。设施的制作过程没有建筑模型的制作过程那么繁琐, 但在操作上的要求是更高的。建筑模型的制作, 许多可以利用复制、镜像或者阵列得到所需的造型, 因为建筑多数是一个对称重复的造型, 而单一的物体模型, 往往都拥有各自的造型特点, 因此在操作命令的选择上就有更多要求。这里只展示一些制作好的造型。

(3) 材质与贴图的应用

材质是创建一个仿真世界的关键。利用好材质编辑器。通过对材质和贴图的处理可以使对象变得更加真实, 可模拟现实中物体的很多特性。简单地说, 材质往往是基于一种特殊的光影算法而赋予物体明暗与色彩的变化, 贴图则是为了丰富变化效果或者是为了达到某种效果而加入到材质中的特效。就是说材质包含了贴图, 为了使材质达到令人满意的效果, 就要加入所需的贴图来调节材质。

3. 住宅小区地形的制作 (1) 基础地形的制作

地形的制作基本是利用CAD来绘制的, 因此这里就不作阐述与展示了。

(2) 道路的铺装

就是把绘制好的地形图形导入3ds max进行进一步的制作, 包括小区内的地形、道路等造型的制作, 主要还是二维线形的绘制过程与利用挤出的操作命令。因为下文会有相似的图形展示, 这里就不作展示了。

4. 动画模型的优化

(1) 各种建筑模型的优化

模型的优化是一个很繁琐的工程, 却又是很必要的一道工序, 由于一个动画的场景所使用的面片数是很大的, 消耗了不少系统资源, 从而减慢了动画的渲染速度, 因此在不影响最终效果的前提下要对模型进行相应的优化处理, 利用透空贴图可以替换一些造型, 如栏杆, 这就减少了少的面片数;对一些只需要看到表面的模型就可以把另一面利用编辑网格命令进行删除。一个流程下来, 所减少的面片数也是很可观的, 但整个过程就一个字:烦。

(2) 地形的优化与完善

地形的优化相对模型的优化较简单, 其实如果在地形的制作过程作相应的设置, 这步基本就可以省去, 一般是利用命令面板中的编辑样条线等命令调底步数, 还有封口端的设置以及不作阴影投影的设置等。而地形的完善就是制作天空等造型, 虚拟出一个模拟的世界, 使得动画更贴近现实。

5. 动画的制作与动画场景的整合

3ds max的动画功能是很强大的, 在3ds max中, 一幅图像就是动画中的一帧, 在3ds max中几乎所有对象和参数的变化都可以记录为动画, 只要按“自动关键点”按钮, 就可以随时记录动画的参数变化, 一个变化建立一个关键点, 并可以随时进行编辑修改。

(1) 制作动画镜头与动画的渲染输出

动画镜头的制作, 由于是有多个镜头的, 并且各个镜头有各自的场景造型, 因此首先就得整合场景, 由于各自的镜头所展示的景观是不同的, 整合场景的过程也是一个修改的过程, 根据所演示的角度在已完善好的地形造型上适当的增减场景内的模型, 把没演示到的模型通通的删去, 降低资源的消耗, 加快渲染场景的速度, 而在场景上所附加的多数是些植物与远景的造型, 主要是为了增加场景的美观, 使动画的效果更加的丰富多彩, 接着对场景进行相机与灯光的设置, 相机与灯光的设置同样要进入轨迹视图进行相应的修改, 以达到最好的效果。最后就是动画渲染, 一个漫长的等待过程。

(2) 动画合成

动画的合成要使用视频编辑软件Premiere6.5, 此软件本人只懂得一些基本的操作, 展示了相关的图例, 不作文字说明。

(3) 输出动画

引入了动画素材, 并制作好各种效果后, 就可以输出动画了, 这里也不作图示了, 最后作品就完成了。

三、总结

本文通过小区动画的制作阐述了一个建筑动画的制作流程:首先, 利用CAD绘制建筑与地形的平面图形;其次, 制作出动画所需的各种模型, 并整合好各个场景;再次, 根据整合好的场景进行相机与灯光的设置, 然后进行将动画渲染输出;最后合成动画。

建筑动画是一个非常综合的制作过程, 使用了各种的操作命令绘制出需要的二维与三维模型, 并整合成一个个动画场景, 最后生成生动的动画场面。

建筑动画的制作过程也是一个多人协作完成的过程, 如何进行分工, 完成好各自的侧重点能更好地完成动画的制作。

摘要：当前三维建模技术在建筑领域得到了广泛应用。使用三维建模技术来制作建筑模型, 效果逼真、到位;而且可以全方位、多角度的观看建筑的各个部分以及周边环境的不同效果。本文采用3dsmax7作为开发工具, 主要介绍了建筑物的立体建模与制作、小区地形的制作、材质贴图、各种场景模型的优化、动画场景的整合、灯光与相机的设置、动画制作以及最后的动画输出等过程。

关键词：3DSMAX,建模,材质贴图,动画

参考文献

[1]霍建华.3dsmax6.0基础教程[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

[2]何克抗.教学系统设计[M].北京:北京师范大学出版社, 2002.

[3]詹翔, 王海英从零开始——3ds max基础培训教程 (第二版) , 北京:人民邮电出版社, 2004.3

建筑建模篇5

1 项目

在Revit这个软件平台当中,项目主要是指包含所有设计信息的总数据库———信息化的建筑模型。项目包含了建筑设计整个过程中的全部数据信息,从简单的几何模型数据到最后的施工图数据都包含在这个项目的数据库中,其中这些信息还包括建筑模型中所用到的所有建筑构件、项目视图及最后的施工图等数据信息。通过共享一个数据源,建筑模型中一处更新,与之相关的各处(平面、立面、剖面,表单等)则同步更新[1]。这样仅需跟踪一个文件就可以方便的进行项目的管理。

2 族

在Revit的族编辑平台中,此软件中的所有图元都是基于族来实现的。用户可以根据自己建模的需要建立相应的模型或详图构件,并设置不同类型的参数以满足使用变化的要求。族就类似于几何图形的一个编组,可以灵活的适应建筑师的创作要求,来创建一些满足作图要求的参数化构件。应用族创建的模型,修改项目模型中的一个构件时,其他和他相同族的构件可以自动的更新。族编辑平台提供了较为完整的建模方式,参数类型、参数赋值方式,并能通过嵌套族的使用传递相应的参数值[2]。使用族主要是创建符合本项目设计标准的常用构件,如:建筑门、窗、室内的家具、结构基础、结构柱、结构架、结构梁、结构桁架和板式楼梯等,都可以用Revit软件中的族来实现。

3 体量

Revit中的体量工具是概念设计中的核心模型,在项目的概念设计阶段或设计的前期,用户往往需要从建筑的形体和大的体块关系入手,运用体块模型能够很快的分析和推敲建筑形体和空间,利用体量分析工具能快速统计楼层面积等指标,方便用户根据设计要求快速调整体量模型。其次的一个主要的功能就是:Revit体量工具提供了更加直观也更加强大的体量创建和修改工具,对不规则形体建模有了更好的支持。而且在概念设计完成后,可以将体量模型载入到项目中直接转换为楼板、墙体、幕墙和屋顶,并可以进一步深入和丰富完成初步设计和施工图设计模型[3]。概念体量主要是使用在建筑设计阶段,所以本文就体量做一个简单的介绍,不做深入的研究。

4 项目、族和体量之间的关系

从上面的介绍可以看出族和体量都是为建立项目的建筑信息模型服务的,项目中的一些建筑构件不能满足建筑工程师做建筑模型的需要时,我们就可以用族来建立一些相应的构件来满足做建筑模型的需求。体量主要使用在我们知道建立模型的地块和高度时,可以由体量族快速的创建一个最大化建筑面积的自由形体,还可以用来建立复杂形体的建筑模型,等。在Revit这三者之间的关系可以用如图1来简单的表示。

5 实例实现

基于以上对项目、体量和族的理解,下面以一个学习中的练习实例来详细的说明建立建筑结构模型中这三者的应用情况。

本练习实例是在Revit软件平台下建立建筑模型而实现的,其建立的基本流程图如图2所示。

图2的设计流程中基本的步骤都是在项目中完成的,但是项目的完成离不开族的支持,因为项目中需要的特殊构件必须在族中来完成,如:特殊的门、窗、注释符号等,可以在族中来完成,实现设计师设计的独特性。下面主要来研究以上流程各个阶段实现的主要步骤。

首先打开Revit软件,在此软件对话框的最左上角单击开始菜单→新建→项目→选择要新建项目的样板文件(样板文件也可以自己建立)→确定,这样一个项目文件就产生了。设计师就可以在这个项目样板中来建立建筑模型。然后就按以图2流程图中所描述的方法和要建立的模型的尺寸来设计创建标高和轴网,此操作分别如图3-图6所示。

图5是这次建模中的关键一步,绘制图元时,要根据不同的需求自己去创建不同的族来实现,如:墙的材质需要我们根据结构工程师的要求去自己定义和编辑;门、窗以及室内的装饰等都是在新建族中来创建各个独特的图元,创建好了之后再载入到项目工程中去,然后在绘制图元时直接使用。

6 结束语

现阶段,BIM技术的发展正处于一个技术变革的时期,对建筑业的发展也是很重要的,所以对建模技术的进一步研究也是很有现实意义的。以上是建筑建模实现的具体步骤,给我们初期建模提供了一个学习和交流的平台。当然以上步骤中各个特殊图元族的建立还是当今使用Revit软件的一个难点。这篇文章主要是介绍项目、族和体量的关系,所以就各个部分的探讨就比较少。各个部分的深入探讨还有待于以后的研究和开发。

参考文献

[1]李忠.基于Revit Structure BIM模型实例演示——RC结构模型[C].欧特克软件中国研究院:第二届工程建设计算机应用创新论坛,2009.

[2]罗翔,吉国华.基于Revit Architecture族模型的古建筑参数化建模初探[J].中外建筑,2009(8).

[3]吕东军,孔黎明.Autodesk Revit Architecture建筑设计教程[M].中国建材工业出版社,2011.

[4]靳铭宇.浅谈Autodesk Revit在中国的发展及局限性[J].华中建筑,2008(1).

[5]何关培.BIM和BIM相关的软件[J].土木建筑工程信息技术,2010(12).

基于校园的三维建筑模型建模研究篇6

关键词：三维激光扫描仪,点云,三维建模,数据处理

近年来, 国内各个高校逐渐开展数字校园建设[1], 为了配合现代化的教育和管理需要, 吉林建筑大学也开展了相应的数字化和虚拟化校园建设。目前, 校园中由于建筑物较多, 有地上、地下的各种建筑结构、管网、供电和通信线路等;同时, 还有开始扩建新的校区, 加上校园建设绿化等工程一直在进行中。而且其中管理所需要的数据中, 有许多是建立在空间数据基础上的, 缺乏相应的三维数字模型给学校管理带来了诸多不便, 所以学校设立了吉林建筑大学数字校园建设项目, 运用三维激光扫描仪和配套软件处理建筑物的点云数据, 利用CAD、3DSMAX进行相关处理与渲染, 并进行精细建模以突出建筑物局部细节, 很好地还原现实当中的建筑物三维景观。

1 数据处理流程

在进行三维景观重建的过程中[2], 三维激光扫描数据的获取是一项基础性的工作, 项目中使用的是仪器是德国Z+F公司的IMAGER 5010C三维激光扫描仪自动获取数据信息。系统的数据处理流程见图1。

2 数据处理

数据采集准备包括, 在布设的控制点上架设三维激光扫描仪, 在与此控制点相邻近的控制点上架设黑白标靶作为后视点, 在软件中设置扫描过程中的参数等。

对于点云数据拼接处理, 要确保各测站之间扫描的对象目标区域内要有一部分的重叠, 并且重叠的部分的地物特征点明显, 只有这样在拼接的时候才能够容易找到相同的点, 保证拼接的精度。三维激光扫描系统可以和全站仪或者GPS技术一起结合使用, 并检验标定误差是否超限。

实际应用中, 点云配准常用方法有2 种, 即控制点配准和标靶配准。使用控制点按照测站/ 后视方法将点云配准到大地坐标系下。另外, 也尝试了利用扫描目标的特征点 (如房屋角点、窗户边界) 进行配准, 但扫描时的点间隔一般为几毫米或几厘米, 且激光束的发散使扫描光斑在目标表面也不是一个点, 无法使相邻测站扫描到同一个特征点, 致使配准时使用的并不是相同特征点, 配准后会存在偏差, 此种方法精度低, 一般不宜采用。

噪声可以根据产生的不同原因, 采取相应的方法去解决, 对于比较明显的噪声点 (如散乱点和异常点) 的判别一般直接判定然后直接删除。另外还可以根据物体的高度与其中一个参照的高度值进行比较, 把那些超过这个高度的数据当作其它类型的数据进行删除。

3 获取三维模型所需的地理空间数据

需要的矢量图形数据有校园的整个地形、地貌情况及其地理位置, 主要包括校园周围的主要街道及建、构筑物;校园内的建筑物、构筑物、道路、操场、绿地、水域、高程、碎部点和注记等。校园建筑物分布平面图, 包括办公楼、教学楼、实验楼、图书馆、校医院、食堂和学生宿舍等。道路分布图, 包括现有各种道路、交通设施。建筑内部分布图, 如办公楼平面分布图, 教学楼平面分布图, 图书馆平面分布图, 校医院平面分布图等。

4 利用3DSMAX建模

在3DSMAX中导入通过点云数据模型创建相应的多边形CAD图[3], 并转换为可编辑多边形和生成面。在得到了建筑物的大体地图轮廓后, 接着就是根据建筑物的高度来进行估计挤出得到建筑物的粗略模型。学校内多数建筑物都不是规则形状, 先要镂空处理。接着再将破损的面补上, 并将废线、废点给删除。突凹处理后, 最后生成初步模型。

5 三维模型的贴图基本步骤模型的检错与完善

在初模型基本完成后, 贴图工作是整个三维场景建模中的一个重要环节[4]。贴图的好坏直接影响到模型的真实感觉。在一个建筑物中往往有多个窗户或者门是相同类型的。遇到这种情况, 可以只做一个窗户或门的图像, 将图像贴到模型上后进行调整数量位置即可。在单个建筑模型基本完成以后, 就是对学校校园进行一个整合, 再添上道路、植被、路灯等信息元素。在制作树盒围墙的模型的时候, 用到了透明贴图。

系统模型建立后, 初步的检查内容包括:对象命名、贴图命名、优化材质、材质球、材质命名、光滑组、游离点、无贴图的面、重设贴图路径和轴归底心等, 并进行一个优化与完善。检查有没有半窗, 检查相似度的同时也要检查废点、废线、破面的存在等。最终做到整个校园的模型。

6 结语

此次做的模型只是强调对学校的建筑物的制作。在传统校园的基础上构建一个数字空间, 以拓展现实校园的时间和空间维度, 提升了传统校园的各方面的效率, 扩展了传统校园的各个功能。

下一步将实现建筑物室内的三维漫游功能。与现有数字校园的信息化功能进行整合, 从而将很多校园服务和管理的功能移植到三维虚拟环中。

参考文献

[1]黄荣怀, 张进宝, 胡永斌, 等.智慧校园:数字校园发展的必然趋势[D].北京:北京师范大学, 2012.

[2]路兴昌, 宫辉力, 赵文吉, 等.基于激光扫描数据的三维可视化建模[J].系统仿真学报, 2007 (4) :1624-1629.

[3]张爱武, 孙卫东, 李风婷.基于激光扫描数据的室外场景表面重建方法[J].系统仿真学报, 2005 (17) :384-387.

建筑建模篇7

关键词：建筑物,三维建模,City Engine,Arc GIS

0 引言

随着计算机技术、GIS技术、云技术、遥感技术、大数据等的发展, 三维建模技术已经广泛应用于城乡规划、智慧城市、古建筑文物保护等, 具有良好的发展前景。三维建模技术是将地理空间数据从二维的表达形式变换为以三维立体的形式显示, 能较真实的反映现实世界[1]。

建筑物三维建模的核心技术根据不同的数据采集方式, 采用不同的数据格式, 研究不同的建模软件, 针对不同的用途来进行建模。具有空间数据概念的建模与建筑行业的建模思想有些不同, 但总体讲, 根据建筑物获取数据方式不同, 采用不同的建模方法, 但目前常用的三维建模主要有以下几种:

1) 利用Open GL语言嵌入到VS或者其他平台上构建三维模型;

2) 利用CAD, 3DMax等建模软件建模;

3) 利用三维激光扫面仪采集数据, 并采用其配套的软件制作三维模型;

4) 利用Sketch Up建模;

5) 利用Skyline建模。

这几种方法都能实现建模效果, 只是效率高低不一, 互有优势, 有的只能用于立体视觉表达, 不能进行属性查询, 也不能进行三维空间分析及其深层次应用, 其忽略了要素之间的拓扑关系, 也不能快速、批量地进行建筑物模型的生成, 缺乏可重用性。本文介绍在City Engine平台下主要是基于规则的建筑物三维建模方法, 该项目是利用全站仪、RTK等实测手段获取黑龙江科技大学校园数据, 存储在shp格式数据库中, 辅以建校时的规划图dwg格式, 通过该平台的规则语法调用该校建立的GIS数据库中的属性数据, 建立建筑物的三维模型, 该方法GIS的特点即图形数据与属性数据的一致关联, 提高了三维建模效率, 为大场景的建筑物快速、批量的建立三维模型提供一种新的方法, 较好的利用了GIS的空间分析功能[2]。

1 建模方法

CGA ( Computer Generated Architecture) 形状语法是建筑设计编程的一种语言, 把其用到GIS里的建模中来, 利用空间数据的图形数据生成建筑物模型, 其适用于规则形状的构造, 模型由Shape Symbol, Parameters, Attributes, Geometry, Scope, Pivot组成。语义建模的思想是定义规则, 通过迭代精炼设计, 从而创建细节完成内容, 这些规则操作由几何组成的shapes来完成。

2 基于City Engine的三维建模

2. 1 三维建模流程

本文选取黑龙江科技大学校园的教学主楼、科技大厦、图书馆、学生宿舍群等建筑物、应用City Engine实现三维模型建立的流程图如图1 所示。

2. 2 数据准备及预处理

构建建筑物三维模型一般需要准备获取校园范围内的影像数据、建筑物属性数据等, 实测建筑物数据及高程, 并采用最小二乘法原理进行平差, 或采用专业的平差软件进行平差, 在Arc GIS中进行图形与属性的生成, 构建建筑物模型, 当需要构建配备建筑群的操场与广场的时候, 也可以生成数字高程模型 ( DEM) 等数据。模型需要的纹理贴图部分需要准备数字正射影像 ( DOM) 、数码相机照片等数据, 由于拍摄的角度问题, 大部分的纹理贴图都不在正射状态, 不同数据选择贴图与处理的方式也不一样。利用Crop Image工具来调整图片到正射状态。

2. 3 建筑物三维模型的建立

建模规则的编写是根据研究区的建筑物分类, 本项目把黑龙江科技大学的校园建筑物分成四面形建筑物、圆形建筑物等, 其外形都比较规则, 不规则的较少, 调用通用规则即可, 模型规则的代码编写就是模型的逆向分解, 利用分解后的各自属性进行建模, 普通研究区的模型只需编写几个常用建筑物类型的规则即可成批建模。复杂的外形建筑物需要单独编写规则, 导入即可成型。对建筑物进行拆分的越细, 模型建立的就越细, 模型的属性信息越多, 规则的编写也就越复杂。模型的纹理都在各自拆分对象上, 通过编写规则中的纹理函数调用纹理图片来实现纹理贴图 ( 见图2) [2]。

因City Engine与Arc GIS完美集合, 其数据可以不用任何处理就可以使用, 所以建筑物拆分的建模对象的参数信息可以较好的保存到建筑物数据的属性中, 也可通过City Engine的属性面板进行输入调整, 为了很好的管理模型的规则, 定义了规则的属性, 见表1。如调用不同属性, 即使使用相同规则, 其建筑物模型表达也不一样。

本文建筑物的数据是根据施工设计图纸与利用全站仪及GPS-RTK仪器实测数据, 通过最小二乘法平差原理, 平差后的数据, 在City Engine平台实现了校园五大处三维建筑物批量模型, 提高了三维建模效率, 建模效果较好。效果如图3 所示。

3 结语

本文基于City Engine的参数化建模技术, 对黑龙江科技大学重要建筑物、道路、绿化进行了参数化建模设计, 通过扩展现有规则, 创建了符合校园实际情况的建筑物、广场、道路、操场等规则模板。缩短建模周期, 为景观设计、城市规划设计、环境保护、应急救灾、虚拟旅游、城市管理等诸多领域提供了思路与方法。

参考文献

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[2]张晖.基于City Engine的建筑物三维建模技术研究[J].测绘通报, 2014 (11) :108-112.

[3]COIA C, ROSS B J.Automatic Evolution of Conceptual Building Architectures[C].Proceedings of IEEE Congresson Evolutionary Computation.New Orleans:IEEE, 2011:1190-1192.

[4]吴军.3维城市建模中的建筑墙面纹理快速重建研究[J].测绘学报, 2005, 34 (4) :317-323.

[5]许捍卫, 范小虎, 任家勇, 等.基于Sketch Up和Arc GIS的城市三维可视化研究[J].测绘通报, 2010 (3) :86.

建筑建模篇8

1 三维激光扫描外业数据采集

为了建立完整的三维立体模型, 三维激光扫描仪从内部射出高频率激光束射到建筑物上从而获取建筑物表面上的点的空间位置坐标, 得到一系列点云, 是对目标建筑物全面的立体扫描, 得到建筑物全部必要的空间信息。在进行扫描之前, 应该先全面了解扫描对象的基本情况, 勘察目标建筑物附近的地形, 合理布设扫描站点安排好扫描线路。建筑物都是三维立体的, 必须进行多站点测量。设站的原则是要保障最终数据采集的完整性, 各站之间要有一定的重叠区域。建筑物周围的树等遮挡物会导致数据采集时形成噪声, 选择测站点时应选择视角较好的位置, 另外测站点个数尽可能少以减少数据重复率。扫描前还应根据扫描对象的特征确定扫描的精度以便设置扫描仪的采样密度, 采样密度的大小决定了最终三角网构建的精度。

2 数字影像采集

三维激光扫描仪采集数据的是点的集合, 称为点云 (points cloud) , 每个采样点的空间坐标用一个像素表示, 包含一个距离值和一个角度值[1]。扫描数据时还需要采集数字影像, 以便将扫描对象的纹理信息与模型准确生动地匹配起来, 为后期处理纹理映射提供基础数据。项目中除使用仪器自身的同轴相机外, 还使用单反相机进行影像的采集。获取的数字影像也一定要完整清晰, 这将决定最后模型的纹理效果。获取数字影像时, 为了保证采集的纹理信息各个位置的像素与原来影像的像素一样[2], 获取影像的设备镜头要最大限度保持平行于扫描对象的立面。Trimble TX5内置全自动7000万像素广角环幕无视差色彩叠加彩色数码相机———真正同轴的数码相机, 在Trimble Realworks软件内轻松处理, 获取精确逼真的扫描成果, 自动将色彩与激光反射亮度信息叠加到点云上, 得到逼真的彩色点云。

3 点云数据预处理

3.1 点云数据配准

三维激光扫描仪获取的每站数据都有各自的仪器坐标系 (SOCS) , 因此应将不同视点获取的激点云数据统一到一个固定的坐标系中, 多站扫描点云数据拼接是利用点云数据中的变换信息找出两个坐标系之间的变换关系, 将多站点数据转换到同一个坐标系中, 该过程称为点云数据的配准[3]。以两站扫描数据scan000和scan001为例进行配准。以scan000为基准, 实际上就是求scan001到scan000的变换参数, 即由3个角元素 (φ, ω, κ) 组成的旋转矩阵R和3个平移量 (Δx, Δy, Δz) 组成的平移向量T。变换条件满足

在Trimble Realworks软件中, 从仪器坐标系到工程坐标系的转换矩阵为:

3.2 全景与点云配准

在影像拼接处理时, 将影像处理成球面模型, 对于点云, 同样通过点云坐标可以反算影像像素坐标, 获取像素颜色, 制作真彩点云[4]。

3.3 点云去噪

扫描周边环境树木等的遮挡会导致采集的数据产生不清晰、不规则和缺损的点云, 这些被称之为噪点[5,6,7]。拼接时相邻两测站数据之间点云会有重叠, 产生的三角网也会出现冗余, 所以应对这些数据进行优化。赖军等采用移动最小二乘法对点云数据进行高斯滤波, 具体算法如下:首先对点云数据建立kd-tree;然后对每个点, 在kd-tree上查找其k个最邻近点 (k=20) , 该点的最终位置为k个最邻近点的加权平均值。如果一次滤波效果不明显, 上述过程可重复多次[8]。

4 特征线拟合法精细建模

4.1 利用建筑物特征线拟合建模

点云显露了建筑物的表面轮廓, 要提取这些轮廓可进行点云切片, 即用一组平面对点云进行交运算, 点云相对散乱密度不高, 在求出轮廓线切片时要有一定的厚度, 而且厚度要适中。如果切片厚度太大拟合时效率太低得到的轮廓线也会出现较大偏差。如果切片厚度太小可能会丢失轮廓线的特征。所以切片时需要对点云密度ρ进行预测, 参考预测值来确定点云的切片厚度[9]。通过建模工具由特征线恢复建筑物的立体形状。

4.2 不规则物体建模

对于不规则物体首先进行点云切割, 在侧视图对其进行轮廓线提取并进行拟合建模, 并按点云形状对其进行大小调整。

4.3 自动匹配规则物体

对于长方体、圆柱体、管状体等几种组合图形, 利用软件提供的拟合命令便可生成, 以点云为参照组合各个模型在一起。自动匹配生成的特征要素三角网结构规整, 形状规则光滑, 基本无需再对其进行光顺处理。

4.4 批量处理

建筑物模型一般存在许多相同特征的结构, 如立柱、廊檐等, 如果对这些结构一一建模将会大量浪费时间。可以对这些结构进行批量建模, 对相同的结构可以进行复制以便批量处理, 以提高建模速度。

4.5 模型修正

将所有构件模型导出至3ds Max软件中, 由于各部分模型是各自建成的, 各个小模型之间可能会有大大小小的缝隙、交叉[10], 因此要对各模型进行修正误差, 直到得到完整的图书馆模型。

4.6 细节建模

对于门、窗等细节。通过平面投影方式提取门、窗等的轮廓线, 将轮廓线导出到3ds Max中, 在3ds Max中与建筑主体进行布尔运算, 实现对门、窗的精细建模。

5 纹理贴图

纹理贴图在提高模型逼真度方面无可替代, 从而生成极富真实感的三维景观, 可利用扫描仪自带的同轴摄像头和单反数码相机获取纹理信息以进行建筑模型表面的纹理贴图。必要时利用图像处理软件如photoshop等对获取的纹理图像进行处理。几项关键技术, 一是透明纹理贴图, 如楼梯栏杆因为有镂空所以就要用到透明纹理贴图;二是不透明单面的纹理贴图和纹理拼接[11]。

6 数字化展示

对大规模的建筑进行数字展示还很困难, 因此在保证模型展示质量情况下要最大可能地减少面片数, 将背面的、看不见的面删除;平直的结构要使用较少的网格分段数;要尽量减少模型的接缝, 并且不能有顶点错位, 模型面、边相互交叉现象[12]。这样便可降低三维模型的数据量从而实现对模型的数字化展示, 本论述用Virtual Reality Platform软件进行展示, 见图1所示。

7 结束语

利用三维激光扫描仪获取的点云数据结合高分辨率影像进行建筑物精细建模是目前古建筑修复与设计等领域的主要技术手段, 有很大的应用价值。本论述探讨了一些快速实用的方法实现了图书馆的三维快速重构, 并保证了模型构建的精度, 并实现了数字展示。下一步将对点云数据的预处理、三角网模型的快速构建、纹理贴图等方面自动实现进行研究。

参考文献

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[8]赖军, 王博, 付全, 等.基于点云模型的人体尺寸自动提取方法[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2014, 45 (8) :2666-2682.

[9]杨振清, 雍永磊.基于点云切片的边界提取[J].计算机应用与软件, 2014, 31 (1) :222-245.

[10]吕翠华, 陈秀萍, 张东明.基于三维激光扫描技术的建筑物三维建模方法[J].科学技术与工程, 2012, 12 (10) :2410-2414.

[11]程效军, 朱鲤, 刘俊领.三维建模中的纹理处理[J].应用技术, 2004 (2) :24-26.

建筑建模篇9

三维激光扫描技术是近年来迅速发展起来的一种获取空间数据的新技术,它通过激光测距原理,瞬时测得空间三维坐标,相当于一个高速测量的全站仪,但又不同于传统全站仪[1]。传统全站仪需要通过人工寻找目标,每次测量一个目标点。而三维激光扫描仪则通过自动控制技术,按照事先设定的分辨率对目标物体进行扫描,连续、快速地获取目标物体表面的密集采样点数据,即点云数据。利用点云数据,可快速构建结构复杂、不规则的三维表面模型。因此,该技术又称为“实景复制技术”。

目前,三维城市建模已成为数字城市研究的热点。常见建模方法是通过航空摄影测直接获取建筑物等地物表面的三维坐标和地形表面的DEM,进行几何建模,利用航空影像提取建筑物和地面纹理并进行纹理映射。但这种建模方法精度不高,建立几何模型的工作量较大。利用三维激光扫描仪获取的点云数据则可以实现物体表面快速、精确地建模,在城市建模研究与应用中被广泛关注。

笔者以拓普康GLS1500扫描仪作为实验设备,以三维城市建模中的典型地物———建筑物为研究对象,探讨利用三维激光扫描技术获取空间数据并建立三维模型的方法。

1 数据采集

1.1 制定扫描方案

为了获得完整的三维场景信息,首先要对扫描目标以及周围环境进行实地勘查,根据仰角及遮挡情况确定各个扫描站点,实施多测站多角度的场景扫描。因此,在实施扫描前,首先要制定扫描方案。若测区有现成的地形图,可根据地形条件和测量的具体条件来计划扫描的路线和测站点的位置,然后再到实地勘察,对预先设定的计划路线和控制点位置进行适时调整。若测区没有现成的地形图或者测区范围不大,可实地勘察,现场选择路线,确定扫描站点。

为了将各测站获取的点云数据统一到同一个大地坐标系下,在选定测站点后,需要根据测区控制网,测定测站点坐标。另外,为了便于后续的点云配准,要合理安排标靶的位置和数量。

1.2 实施扫描

1.2.1 扫描范围的设定

由于扫描距离越远,扫描时间就越长,像天空这样的无限远距离会降低工作效率,不应纳入扫描范围。从某一方向对目标进行扫描时,应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体,这样既可减少噪点,又可减少扫描时间,提高工作效率。

1.2.2 点云密度的设置

点云密度的设置要充分考虑目标对象的复杂程度和实际应用需求,对细节较多的建筑物一般采用1 cm激光点位间隔扫描,对墙体平滑的部分可设置2 cm及以上间隔。

1.2.3 纹理数据的采集

拓普康GLS1500扫描仪自带摄像头,可在扫描的同时进行目标拍照,获取纹理数据,以作为建模后的纹理贴图使用,并为多站拼接提供参考。

2 点云数据处理

2.1 点云的预处理

由于扫描过程中外界环境对扫描目标会构成阻挡和遮掩,如移动的车辆、行人、树木的遮挡,及实体本身的反射特性不均匀,会形成散乱点或者空洞等噪声,需要对点云进行过滤,剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中,需要选择合适的过滤算法来配合这一过程自动完成。滤波去噪原理是:根据激光扫描回波信号强度辨别,回波信号强度低于阈值时,距离信号值无效;利用中值滤波,剔除奇异点;利用曲面拟合去除前端遮挡物[2]。

2.2 点云配准

由于扫描系统是刚性的,点云配准时发生的坐标变换可视作三维刚体的坐标变换,即两点云之间尺度比λ取为1[3]。该转换模型仅包含6个独立参数,即3个平移参数Δx,Δy,Δz以及3个旋转参数α,β,γ。进行点云数据配准的关键是解算出这6个转换参数(Δx,Δy,Δz,α,β,γ)。而要解算出这6个参数,必须有不少于3对的同名点。若存在多余观测,即同名点对多于3对,则按最小二乘法进行平差解算。确定同名点对,解算旋转矩阵R和平移矩阵T,然后进行配准,即确定配准目标函数并获取最佳变换参数。坐标转换模型如下:

实际应用中,点云配准常用方法有两种,即控制点配准和标靶配准。使用控制点按照测站/后视方法将点云配准到大地坐标系下,这就要求各测站的扫描仪须架在已知点上,严格对中、整平,进行测站/后视点设置,原理与全站仪测量相同。使用标靶配准是利用公共标靶作为约束条件进行配准,该方法要求相邻测站在完成目标扫描的同时,还需扫描3个及以上的公共标靶,并且各测站中必须有一站要架在已知点上,按照测站/后视方法进行扫描,其余测站可任意架设,各站点云数据在配准的同时也统一到大地坐标系下。

另外,也有人提出利用扫描目标的特征点(如房屋角点、窗户边界)进行配准,但扫描时的点间隔一般为几毫米或几厘米,并且激光束的发散使得扫描光斑在目标表面也不是一个点,无法使相邻测站扫描到同一个特征点,致使配准时使用的并不是相同特征点,配准后会存在偏差,此种方法精度低,一般不宜采用。

本实验主要对昆明冶金高等专科学校西部入口处的校务大楼、图书馆和科技大楼三幢建筑物围合形成的场景进行扫描,充分利用预先布设在校区的控制点实施扫描和点云配准,选用控制点11个,表1为部分控制点坐标。对于没有控制点的测站,为将该站的点云数据坐标统一到大地坐标系下,在该测站和上一测站间增设3个公共标靶,操纵扫描仪分别在两测站完成标靶扫描和靶心自动识别,实现高精度配准。点云配准应注意两个问题:

(1)测量坐标系是左手坐标系,X轴为纵轴,向北为正,Y轴为横轴,向东为正;而实验所采用的拓普康GLS1500扫描仪坐标系是右手坐标系,即X轴为横轴,Y轴为纵轴。点云数据的原始坐标都是仪器内部坐标,在配准时应注意坐标轴的变换。

(2)扫描时标靶放置的位置会影响到配准精度,标靶要均匀分布于整个扫描范围或重叠范围,不能在一条直线上,相互之间尽量远离,这与影像校正中控制点的分布问题一样,在此不再赘述。

图1为校务大楼、图书馆、科技大楼三幢建筑物场景进行分站扫描的数据,可以看到,各测站的点云在配准前是重叠在一起的。利用Scan Master软件按测站/后视方法进行配准后,得到的点云如图2所示。

2.3 点云消冗处理

多站点云数据配准后,在扫描重叠区内的重复采样点会带来数据冗余的问题。在不降低原始扫描采样密度的前提下,有必要对冗余点云进行消冗处理。南京师范大学盛业华提出对拼接后的点云建立立方体格网索引,再对所有采样点按k-邻近结构进行组织,然后在k-邻近组织的数据中进行遍历,依据采样点间距是否小于给定的阈值确定是否删除某一采样点,最终实现对多站扫描的点云拼接数据进行消冗处理[4]。中国矿业大学黄承亮提出了区域重心压缩法和共顶点压缩法两种点云消冗处理方法[5]。

本项目采用拓普康GLS-1500三维激光扫描仪配套的Scan Master数据处理软件采用人机交互的方式完成。

3 三维几何建模

三维激光扫描仪所得到的点云是由不规则的离散点构成的,点云之间并没有构成建筑物的实际表面,所以要得到建筑物有拓扑关系的真实表面,还要恢复建筑物表面的这种拓扑关系,即构建三维建筑模型[6]。

三维模型建立的流程一般由特征线提取和模型构建两部分组成。

3.1 特征线提取

特征线提取可采用多种方法。如自动提取剖面、等值线,根据点云自动拟合线段、圆柱、圆锥、多边形等基本几何形状等。

由于目标物所在场景存在遮挡和建筑物本身的遮挡,以及窗玻璃等材料表面对激光的不同反射特性,导致点云数据的某些区域激光无法到达产生许多空洞,因此在建模过程中要对空洞进行修补,一般由手工完成。也可由软件自带算法解算补洞,但空洞有高程时误差会增大,需要拆分后与手动填补法结合使用。

本项目在提取特征线时采用Auto Desk公司的Auto CAD软件先绘制三维结构线,再统一投影到二维平面的方法,以保证结构线的平面精度,如图3所示。

3.2 三维模型创建

基于线划图的三维模型创建,主要思想是由线成面。将CAD线划图导入3DMAX软件中。基于点云每个方向构件的线划图间都具有准确的位置关系,将前后左右上下六个立面图一同导入后,可合成完整的建筑结构图。

但大型建筑物一般都比较复杂,对建筑物的整体构件进行识别并全部自动建模到目前为止还没有很好的解决方法。通常,建模时把建筑物的每一个构件进行分离,可分为规则的建筑物构件和不规则的建筑物构件。规则建筑物构件的建模方法有很多种,如线性回归和分段线性拟合等;不规则建筑物构件的建模则要复杂得多,主要是曲面特征点和特征线的提取,然后再利用旋转、放样等方法构建模型。对于需要保留现状或者使用上述方法较难建模的建筑物构件,建议构建三角网模型,因为三角网模型损失的精度最少,能保留住建筑物原始面貌。

利用上述方法把建筑物的构件分别建模完成后,即可把这些构件放到同一个文件里,由于之前进行了整体测量控制,所以这些构件都有统一的坐标系,只要把它们放到一起就可组成一个完整的建筑物。但是由于各个构件是分开建模的,所以构件之间会有大大小小的缝隙和交叉,需要对构件之间的误差加以修正,最终形成完整的建筑物实体模型。

4 纹理映射

纹理映射是实现三维模型真实感的关键。可利用扫描仪自带摄像头或数码相机获取纹理信息,进行建筑模型表面的纹理映射。为使建筑物看起来真实、美观,还需要利用Photoshop或其他图像处理软件对所获取的纹理图像进行纠正、缩放和匹配处理。

纹理映射中,包括几项关键技术,即透明纹理映射、不透明单面中的纹理映射和纹理拼接[7]。纹理映射可以大大提高模型的逼真度,一方面可通过纹理图像模拟出丰富的建筑物细节,简化模型的复杂程度;另一方面可赋予模型丰富的色彩、贴图特征,从而生成三维景观。图4为校务大楼和图书馆模型纹理映射后的效果。

5 结论

实践表明,三维激光扫描技术适用于城市景观的精确建模,为今后三维数字城市建设提供了有效手段。但由于所获取的点云数据量庞大,如何管理和处理海量数据,并且保证数据在处理过程中精度不受损失仍然是亟待解决的问题。

摘要：以拓普康GLS1500扫描仪作为实验设备,从数据采集、点云处理、三维模型建立和纹理映射等方面探讨了利用三维激光扫描技术进行建筑物三维建模的方法。

关键词：激光扫描,三维建模,点云数据,纹理映射

参考文献

[1]徐源强,高井祥,王坚.三维激光扫描技术.测绘信息与工程,2010;8:5—6

[2]路兴昌,宫辉力,赵文吉,等.基于激光扫描数据的三维可视化建模.系统仿真学报,2007;4:1624—1629

[3]葛晓天,卢小平,王玉鹏,等.多测站激光点云数据的配准方法.测绘通报,2010;11:15—17

[4]盛业华,张凯,张卡.多站拼接后三维激光扫描点云的消冗处理.测绘通报,2010;3:28—30