基于SketchUp虚拟场景快速建模

林远

摘 要：随着虚拟城市、虚拟旅游、虚拟建造等虚拟现实设计的迅速崛起，传统的三维建模方式已无法满足大批量场景建模的需求。文章通过对虚拟场景的数据采集、建模流程和模型优化深入研究，提出一种基于SketchUp平台快速、高效的建模方法，旨在为大型复杂虚拟场景的构建提供借鉴与参考。

关键词：SketchUp；虚拟场景；数据采集；建模流程；模型优化

检 索：www.artdesign.org.cn

中图分类号：J504；TP391.9 文献标志码： A 文章编号：1008-2832（2014）07-0086-03

Rapid Modeling of Virtual Scene Based on SketchUp

LIN？Yuan

（Concord？University？College？Fujian？Normal？University，Fuzhou？350108，China）

Abstract ：With the rapid rise of the virtual city， virtual tours， virtual construction and other virtual reality designs， the traditional three-dimensional modeling has been unable to meet the needs of high-volume modeling. This paper has a indepth research on virtual scene data acquisition， modeling process as well as model optimization， and come up with a rapid and efficient modeling method based on SketchUp， aiming to provide reference for the construction of largescale and complex virtual scenes.

Key words ：SketchUp； virtual scene； data acquisition； modeling process； model optimization

Internet ：www.artdesign.org.cn

随着计算机信息技术的飞速发展，虚拟现实技术广泛地应用于各个相关领域，虚拟城市、虚拟社区、虚拟展馆、虚拟旅游、虚拟建造等应运而生。场景建模作为虚拟现实设计必不可少的环节，以其直观、逼真等特点倍受推崇。然而，传统的建模方式无论在模型精度还是工作效率上都已经无法满足大批量建模的需求，如何快速、高效地创建场景模型已成为虚拟现实设计急需解决的课题。

一、SketchUp建模平台的选择

SketchUp是目前为数不多的直接面向设计过程的三维设计平台，具有以下优势：

1.界面简洁友好，功能精简高效，没有其它三维软件的复杂性，能够轻松进行方案设计、施工输出以及漫游交互。

2.可以直观地在屏幕上设计构思，并随着思路的拓展，不断增加模型细节，同时可以依据方案设计各个阶段特点，快速生成各种形式的三维作品。

3.采用多边形建模方式，生成模型极为精简，可直接赋予表面材质，并可生成2D配景，形成手绘淡彩效果，真正实现设计与表现一体化。

4.可以直接以场景页面作为关键桢，利用场景转换产生的页面渐变过度画面，生成漫游动画并实时展示。

5.能够与Google Earth无缝衔接，随时在Google Earth虚拟环境中浏览和展示设计方案，方便检查设计过程中存在问题与缺陷。

6.海量在线3D模型库可供三维场景直接调用，极大减少基础建模的繁复劳动，提高工作效率。

二、场景数据的采集与处理

虚拟场景是建立在真实场景的基础上，场景数据的准确性和可靠性直接关系到场景构建的质量，场景数据主要包括地形数据、地物数据和纹理数据。

（一）地形数据

虚拟场景地形数据可以依托于Google Earth卫星影像。Google Earth卫星数据属于Quickbird图像数据，其解析度最高可达几米。卫星影像高解析度保证了地面的公共资源、环境、空间与地貌深层次地应用，为虚拟场景地形、地貌提供了详细、丰富的影像信息。

（二）地物数据

地物几何数据可以通过实地测量、高分辨率卫星影像及已有规划图等多种途径获取，包括地物长宽高以及各部分空间数据，尤其是地物高程数据至关重要。高程数据获取有多种方法，其中利用全站仪测出平距和倾角通过数学公式计算高程的方法较为简易，且精度较高。对于精度要求较低的高程数据可在SketchUp中导入Google Earth二维影像并校准太阳方位角，同时调整地物三维模型阴影使其与二维影像阴影完全重合，以此量取高程。无法观测的地物可通过多角度数码相机拍摄，依据参照物比例进行估算高程。

（三）纹理数据

通过数码相机实地拍摄可以获取地物纹理贴图以及建筑细节图片，对模型后期贴图和细部表现极为重要，其数据质量直接决定场景的仿真度和体验效果。拍摄时，参数设置应保持一致，尤其是像素设置应满足贴图要求，尽可能地对地物有一个综合性的描述。采集的纹理数据往往还需要进行数字处理，以适合模型贴图的精度及细节要求。此外，还可以搜取Google Earth街景照片和互联网上相关地物图片。

三、模型创建的流程与方法

虚拟场景模型主要包括地形模型、建筑模型和附属地物模型。建筑模型往往是虚拟场景的重要组成部分，是模型创建的重点。endprint

（一）地形模型

SketchUp建模平台可以通过“添加位置”命令或工具，直接从Google Earth获取较高精度的二维和三维影像地形，并可以对三维地形模型进行编辑、贴图等操作。此外，也可以导入地形等高线，运用“沙盒”工具快速创建地形模型。

（二）建筑模型

虚拟场景中的建筑模型主要采用几何建模方式，细部结构以图片代替实体建模。

1.生成建筑平面。首先导入Google Earth卫星影像，并以二维形式显示地图，为场景建模提供精确的坐标和参考。设置视图为顶视图作为平面参照，以SketchUp绘图工具绘制轮廓并自动闭合生成建筑平面，平面轮廓勾画应与卫星正射影像相吻合。为便于观察，可通过“X光模式”，透过表面观察、编辑模型内部结构。

2.创建初步模型。主要是墙体和屋面部分，墙体模型以地基平面为准，利用“推拉”工具拉升地基平面，生成精确墙体。拉升时，可输入相应的高度值。斜屋面模型可先移动建筑平面至墙体顶部，画出屋脊线，然后再垂直移动屋脊线至相应高度生成屋面。最后将建好各个组件进行拼接，形成初步模型。

3.细化模型结构。要真实地再现建筑原貌，必须对初步模型进行细化，突出细部结构。可先通过“虚显隐藏物体”命令，显示墙体隐藏边线，再对其中一个墙面以“推拉”工具制作门窗组件，再利用阵列命令应用到需要开门窗的墙面位置。走廊造型可先绘制走廊地面，拉升地面至相应高度，删除不需要的面片即可。在较复杂模型中，楼梯可简化为大致斜面，以图片代替台阶实体细节。

4.赋予材质纹理。为真实地反映客观环境，需要对场景几何模型进行纹理映射。建筑纹理包括侧面和顶面两个部分，顶面的纹理可以从高分辨率卫星影像提取，进行纹理映射。在SketchUp中，可以方便地导入实地拍摄的图像文件，对几何体表面自动识别映射。纹理贴图有三种方法：普通贴图、包裹贴图和投影贴图。贴图时，应依据建筑造型采用相应的方式，曲面建筑可采用投影贴图方式。

（三）附属地物模型

附属地物包括基础设施和其它地物，此类模型应尽可能做到精简。

1.基础设施。道路、绿地等基础设施可依据Google Earth卫星影像，以“直线”和“圆弧”工具勾画道路、绿地等轮廓并封面，再把地形切换至三维模式，利用沙盒工具“曲面投射”命令把道路、绿地等平面投射到地面，使之与地形坡度吻合，最后匹配道路、绿地纹理。

2.其它地物。人物等其它地物可采用照片匹配方式建模，通常以2D形式呈现，以减少场景模型的负载。可先导入人物等地物图片并炸开，使其与地面保持垂直并处于XZ轴平面，利用“直线”工具勾画人物等地物轮廓及细部结构，再以“橡皮”工具擦除轮廓以外的图像，同时按住Shift键擦除轮廓线，最后调整人物等地物大小至正常比例并创建组件，勾选“总是面向相机”选项，以使组件始终面向观者。

四、场景模型的精简与优化

为减少模型的数据量，最大限度保证虚拟场景的流畅运行，必须对模型进行优化处理。具体方法如下：

1.以相应的纹理图片代替精细建模，简化模型的创建过程，降低实体模型的复杂程度，同时可以轻易模拟出真实细节。

2.通过SketchUp“模型信息”面板清除建模过程产生的共面线以及未使用的材质、组件、图层、样式等冗余物件，大型场景还可以通过SketchUp提供Ruby脚本进行快速清理。

3.减少模型生成的面片数，简化重复构件，及时删除视窗中不可见的面或对象，以达到简化场景几何图形的目的。

4.运用组件简化重复形体，减少场景模型的运算量，提高虚拟场景的运行效率。

综上，SketchUp平台集操作简单、建模快速、贴图方便以及模型精简等优势于一身，克服了传统建模方式的诸多不足，其独有的2D配景技术、丰富的插件资源和海量的3D模型库都为大型场景构建提供了有力的技术保障。基于SketchUp平台的建模与优化方法能够快速、 高效、低成本地构建三维场景模型，有效降低系统资源占用，减少场景渲染时间，便于网络传输和场景展示，同时还可以在Google Earth中实时预览，实现快速漫游，是海量建模的首选。

参考文献：

[1] 安洁玉，程朋根，丁斌芬.基于Google Earth二维影像获取建筑物高度的方法[J].地理与地理信息科学，2010，26（6）.

[2] Trimble Navigation Limited.SketchUp Users Guide[DB/OL].http：//help.sketchup.com/en/article/116174， 2013.

[3] 杜福光.基于ARCSCENE城市三维可视化研究与应用[D].西安：西安科技大学，2010.endprint