精細(xì)三維場景制作中數(shù)據(jù)量控制的方法研究

舒 琪

(上海市測繪院，上海200129)

一、引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，城市的信息化成為必然的趨勢，智慧城市的不斷完善已經(jīng)成為城市壯大新的契機和城市信息化建設(shè)的目標(biāo)。三維模型能夠真實、生動地表達(dá)三維空間信息，因此成為智慧城市的研究重點。計算機技術(shù)和現(xiàn)代測繪技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機虛擬現(xiàn)實、仿真技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的緊密結(jié)合，為城市空間地理信息系統(tǒng)的建設(shè)提供了嶄新的表現(xiàn)方式。通過計算機再現(xiàn)城市實際風(fēng)貌，在逼真的三維視覺和與虛擬的三維‘城市’的相互交互中，對構(gòu)成城市空間信息的主要要素(諸如建筑物、道路、水系等)進行多方位、多層次的觀察、分析，為人們認(rèn)識和改造城市社會提供了嶄新的觀察和分析方法。數(shù)字城市和虛擬現(xiàn)實的應(yīng)用，具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義以及重大的技術(shù)經(jīng)濟價值。

二、問題的由來

由原來的點、線擴展到如今的點、線、面，三維的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二維，數(shù)字三維景觀模型數(shù)據(jù)具有體量大、計算運行要求高等特點。在很多三維瀏覽和決策系統(tǒng)運行中需要對整個場景進行實時的計算和顯示。為了達(dá)到三維圖形顯示的實時更新，需要對大容量三維數(shù)據(jù)進行高速讀取、對視點位置變換及飛行漫游時快速響應(yīng)，因此對計算機的內(nèi)存、緩存、顯卡等有著很高的要求。如果硬件條件不足，運行三維數(shù)據(jù)會導(dǎo)致諸如模型數(shù)據(jù)無法讀取、三維場景顯示錯誤、系統(tǒng)崩潰死機等一系列后果。因此在通常情況下，為了滿足城市三維場景的瀏覽和分析，都是采用服務(wù)器或者移動工作站等具有高配置硬件的計算機來運行整個場景。這使得數(shù)字三維的應(yīng)用和推廣受到了硬件上的很多約束和限制。

目前有不少控制數(shù)據(jù)量的方式已經(jīng)被應(yīng)用在各種三維項目中。第一種方式是采用白模型制作大場景。也就是說，針對一些大體量的三維城市街景，考慮到數(shù)據(jù)的快速讀取，大部分建筑物都被制作成簡單的白模型，不對其進行紋理的修飾，可以用來進行三維城市的水淹分析等專業(yè)應(yīng)用，英國倫敦的城市建模項目采取的就是這種方式。不進行紋理修飾的白模型優(yōu)點是數(shù)據(jù)量最小、人工干預(yù)成分較少和成本較低，但是也存在著場景直觀性不強、真實感較差等問題，因此更適合于一些專業(yè)分析領(lǐng)域的應(yīng)用。第二種方式是建立紋理數(shù)據(jù)庫，將建筑的簡單模型按照現(xiàn)場建筑的大致顏色從紋理庫挑選類似的紋理進行貼面。采用這種制作方式完成的城市建筑三維模型，數(shù)據(jù)量比單純的白模型要大一些，場景中整體的真實性要稍強一些，但是個體還原真實性較差，因此更適合鳥瞰的交互式瀏覽以及應(yīng)用于大批量的城市普通區(qū)域的三維模型建立。

對于一些需要重點展示或者進行近距離交互式瀏覽的區(qū)域，需要很強的真實感和很高的還原性，上述兩種方式就不太適用了。需要制作更精細(xì)的三維小場景從而能夠更好地還原場景的真實性和靈動性。制作更加真實的三維場景，需要對建筑本身的結(jié)構(gòu)進行進一步的細(xì)化制作，對于真實紋理信息也要進行現(xiàn)場采集。這樣場景的數(shù)據(jù)量就大大提升了，對于運行場景的硬件要求也就隨之提高了。

針對這個問題，一方面可以通過提高計算機的硬件配置來解決，比如提高顯卡的內(nèi)存容量或者采用圖形工作站。另一方面，這種做法因受硬件條件的限制較大，難以在目前的微機環(huán)境下普及和使用。

三、三維場景制作流程以及影響場景數(shù)據(jù)量大小的因素

上文介紹過了一些當(dāng)下流行的控制數(shù)據(jù)量的方式，同時也指出了對于需要重點展示或者要進行近距離交互式瀏覽的區(qū)域需要制作出更精細(xì)的三維小場景。首先來介紹下常規(guī)制作精細(xì)的三維場景的制作流程(如圖1所示)。

圖1 精細(xì)三維場景的制作流程

了解了三維場景制作的流程后，需要研究流程中的哪些數(shù)據(jù)對于運行場景的硬件有著比較高的要求，影響場景的運行速度以及流暢性。

首先是紋理的制作部分。紋理文件需要大量的顯卡資源，因此紋理文件的大小對于運行計算機的顯卡有最直接的要求。其次是3DMax文件的大小取決于模型的尺寸大小以及模型的總面數(shù)。按照真實坐標(biāo)系統(tǒng)搭建的三維場景中，模型的尺寸大小是按照建筑物的實際尺寸來制作的，不能隨意改變，因此只能夠通過控制模型的總面數(shù)來控制數(shù)據(jù)量的大小。此外，面數(shù)的增多直接影響到模型進入平臺后運行時的渲染速度，渲染的過程需要二級緩存容量的支持。

四、場景搭建中控制數(shù)據(jù)量的一些方法

1．模型結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化

從前面可知模型的尺寸大小是按照建筑物的實際尺寸來制作的，不能隨意改變，因此只能通過控制模型的總面數(shù)來控制數(shù)據(jù)量的大小。在模型結(jié)構(gòu)的處理中，如何減少重復(fù)面的產(chǎn)生是控制模型數(shù)據(jù)量的一個關(guān)鍵所在，也是一個技術(shù)關(guān)鍵點。

在針對室外結(jié)構(gòu)建模的過程中，應(yīng)該注重對于一些隱藏在模型內(nèi)部的、場景瀏覽中不可見的面的清理，從而使三維數(shù)據(jù)的控制既能節(jié)約系統(tǒng)資源，又滿足場景瀏覽需求。

針對一些室內(nèi)主要結(jié)構(gòu)的建模，省略承重柱、門窗等插入樓板的頂面底面是一個很好的做法，包括門窗嵌入墻體的部分面的省略。這些小的措施既能節(jié)約資源，同時又不會影響三維場景的瀏覽。

這些針對室內(nèi)外建模過程中的一些小細(xì)節(jié)、小方法不僅不會影響三維場景的瀏覽效果，又能有效減小模型數(shù)據(jù)的體量，從而加快三維數(shù)據(jù)在場景的加載速度，提高三維場竟的可觀賞性。

2．紋理制作的優(yōu)化

紋理制作的恰當(dāng)與否直接影響到整個場景的數(shù)據(jù)量大小。通常紋理制作有一些通常性的要求。

1)紋理的像素尺寸應(yīng)該是2的n次冪(2、4、8、16等)。紋理尺寸不必是正方形，但是建議做成正方形，像素的大小最好不要超過1024。

2)一般情況下，貼圖的分辨率一般設(shè)置在72像素/英寸。

3)貼圖可選格式為JPEG格式。同一模型的貼圖名稱按照具體規(guī)定依次進行數(shù)字排列。

除此之外，為了盡量減少紋理資源的數(shù)據(jù)量，還可以采取以下一些方式。

1)一個單一色塊圖形。尺寸為2·2的文件大小是4 bytes，而尺寸為8·8的文件大小則達(dá)到了64 bytes，文件增大了15倍。對于單一色塊的紋理，應(yīng)該盡量采用比較小的尺寸來制作。紋理圖像大小對于整體場景的紋理文件大小有著決定性的作用。

2)盡量將墻和窗的紋理分開制作，這樣既能分離材質(zhì)，使得模型在進入虛擬現(xiàn)實或者在3ds Max軟件中可以進行不同材質(zhì)特效的調(diào)整。同時也可以在制作同一個模型的過程中提高貼圖的利用率。

3)對于類似居民小區(qū)的建筑(如圖2所示)，根據(jù)其建筑物之間相似性較強的特點，應(yīng)該整個小區(qū)一起制作以完成紋理貼面。這樣的制作方式可以使得同一張紋理能夠被重復(fù)使用，減少重復(fù)紋理出現(xiàn)的可能性，從而減少整個場景的紋理數(shù)據(jù)量。

圖2 居民小區(qū)建筑三維模型

3．利用透明貼圖代替結(jié)構(gòu)的制作

對于精細(xì)場景而言，陽臺等附件的制作對于場景的真實性可視化有著很重要的作用。然而對于還原真實性和可看性有重要作用的陽臺部分結(jié)構(gòu)會比較復(fù)雜。很多建筑物的主體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，總面數(shù)在一兩千個面左右。而建筑的配件結(jié)構(gòu)(比如陽臺，每個陽臺至少需要4個面才能制作完成)，對于高層而言建筑總面數(shù)的增加是巨大的，在進入虛擬現(xiàn)實軟件運行的過程會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。

針對這種情況，可以利用紋理圖片本身的特性，對于陽臺的不同部分采用不同的透明度。制作一張TGA格式的透明貼圖(如圖3所示)，將陽臺的墻面、半透明圍欄以及圍欄上方應(yīng)該透明的部分集合到一張貼圖上，從而只需要為陽臺豎直方向上的墻制作一個共同的面片。利用紋理貼圖中的平鋪功能設(shè)置樓層數(shù)，從而達(dá)到減少模型總面數(shù)的效果。這種方法對于成片的高樓小區(qū)的場景制作有著極其重要的作用。圖4所示為利用透明貼圖的方式制作的陽臺，能夠表達(dá)出陽臺結(jié)構(gòu)。

圖3 透明貼圖

圖4 陽臺三維模型

4．模型的動畫部分的優(yōu)化

在精細(xì)的三維場景的運行中，動畫也是提升整個場景真實性和可看性的重要元素(如圖5所示)。在3ds Max的輸出中，輸出動畫文件大小與動畫的幀數(shù)有著直接的關(guān)系：動畫時間越長，文件的大小就呈級數(shù)遞增。因此對于場景動畫制作，最佳的方法是將靜態(tài)的人物模型導(dǎo)入到Virtools等虛擬現(xiàn)實軟件中，利用軟件本身的腳本設(shè)定人物動作和行走路徑。這種方式也同樣適用于車船等物品。

圖5 動畫

五、結(jié)束語

城市的發(fā)展越來越快，測繪科技同樣日新月異。隨著數(shù)字城市建設(shè)的不斷推進，傳統(tǒng)的二維城市信息系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。從控制數(shù)據(jù)體量的方式來解決三維應(yīng)用和推廣中的局限性也必將成為三維數(shù)字城市技術(shù)發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。三維數(shù)字城市技術(shù)也會越來越成熟，必將有著廣闊的發(fā)展前景。

[1]朱元嫣，陳能，戴晟．旅游場景三維可視化方案[J]．上海師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，36(4)：98-103．

[2]閻鳳霞，張明燈．三維數(shù)字城市構(gòu)建技術(shù)[J]．測繪，2009，32(2)：93-96．