几何造型建模纹理采集制作技术研究*——基于东莞三维区域更新背景

温亚涛，徐启恒，朱岩彬

(1.东莞市测绘院，广东 东莞 523129；2.东莞水乡特色发展经济区规划和土地测绘中心，广东 东莞 523000；3.东莞市地理信息与规划编制研究中心，广东 东莞 523129)

0 引言

伴随着社会经济及计算机软硬件技术的高速发展，三维城市建设在国内取得了显著成绩。各地市的三维城市建设需求日益增长。三维地理信息服务和平台也是建设“智慧城市”的重要方面[1]。而智慧城市的最终目标是实现城市部件的虚拟化、城市管理的智能化和城市建设的可视化，其中地理空间信息是实现智慧城市可视化、虚拟化的重要基础内容[2]。传统的二维地理信息空间，是对现实世界地物的抽象表达，相较于三维地理空间信息，其直观性不够，模拟现实世界的真实性不高，用户理解和体验相对较差。基于三维的地理空间信息，则是将真实的三维空间虚拟成数字三维空间，是真实世界的高度模拟[3]。三维城市通过对真实地形、地物的数字化模拟和表达，给管理者和使用者提供了与真实环境一样的虚拟现实[4]。

东莞自2015年开始三维城市建设，至2018年建成了覆盖全东莞市域2 460 km2的三维模型数据，成果在城市建设、城市规划、土地利用等方面发挥了重要作用。随着城市建设进程的不断加快，城市地貌的变化频率越来越大，作为表达真实地表空间的三维成果也相应需要更新。经过多年的高速发展，东莞的城市开发和城市建设基本上处于城市更新阶段，少有大规模边界扩张和外延，因此东莞三维城市数据更新也呈现相对稳定的小范围、区域化特征。

基于东莞市的城市发展特征，结合投入产出、生产时长及更新周期等多方面考量，同时依据东莞现有的三维成果组织模式，东莞三维城市数据更新采用倾斜摄影测量和人工几何造型辅助进行两种更新模式。特别是在全市各类基础地理空间成果较为丰富，尤其是地形图成果和联合测绘成果等基础资料齐备的区域，基于人工几何造型的三维更新效率更高，数据量更小，投入成本更低，也是目前东莞进行三维区域化更新最常用的技术手段。

本文从东莞具体实践出发，着重从基于几何造型人工建模的纹理采集制作方面入手，详细描述并总结了目前东莞人工建模纹理采集制作的总体技术路线和关键技术，目的是为东莞及其他地市的三维城市数据区域化更新提供参考。

1 总体技术路线

基于几何造型的人工建模，是通过现有的地形图数据、建筑底面数据、建筑户型图数据、规划报建成果等基础信息，在3DS Max或其他三维建模软件中，初步构建建筑物几何框架，再结合外业采集的纹理数据，进行整饰、贴图、烘焙等流程，获取与真实世界相近的数字三维模拟成果。基于几何造型的三维成果主要由三维模型和地形模型组成，两者构成了三维城市的主要表现内容。而纹理是三维城市中反映城市建筑模型(不含地形)表面纹理和色泽特征的贴图数据，直接反应建筑模型的外观形态和凹凸特征，因此纹理质量高低直接决定了三维城市的总体表达效果。

三维建筑模型纹理的质量高低直接决定了三维城市建设总体的可视化表现程度，因此纹理制作是三维城市建设的重要环节，是决定三维城市建设效果的重要方面。三维建筑模型从纹理生产加工的角度分为普通日景纹理、光影日景纹理和夜景纹理；从反映模型真实外观的精细程度上分为修饰真实纹理、不修饰真实纹理、通用库纹理和示意性纹理等几类，从具体建设实践上又分为顶部纹理和侧面纹理两类。

1.1 采集原则

三维建筑模型纹理分类中的修饰真实纹理和不修饰真实纹理是通过外业拍照采集获得，并经过技术处理并贴合到建筑模型表面或外立面的数字化反映，因此在进行纹理外业采集时，应当遵循一定的原则：

1)外业采集一般以建筑物为对象，先整体后局部、先低层后高层，按照特定的采集顺序进行；

2)当采集的纹理不能够完全体现某一实体较多的纹理信息或其反映出来的细节不够清晰时，应进行细节特写；

3)外业采集时，不在同一面上的建筑相邻面之间的照片要有重叠区；

4)公园拍摄采用环拍模式，并标识环拍位置；如有必要，可录制视频，并标记、录制路线路径和重要标识点；

5)拍摄应事先与相关单位的管理和安保人员说明拍摄事宜，不可冒然进场拍摄；

6)采集过程如遇拒拍，应记录并填写拒拍备注；

7)针对非重点建模区或是建筑密度较大的城中村，一般只沿外围可行走街巷拍摄或采集重点特征建筑纹理即可。

1.2 外业采集要求

为减少后期的数据处理工作量，便于拼接和综合处理，外业纹理采集应当基于一定准则规范：如外业纹理应采集正射图；应采集多角度、不同距离的相片[5]；应通过不同方向拍摄全貌及细节，保证后期的细节和全貌处理[6]；应从不同位置、不同角度采集建筑物及景观的每个侧面，采集量取决于建筑物及景观的位置、复杂程度等；对临街商业建筑物和其他结构复杂建筑物应采集更多的纹理照片；除个别单层建筑(平房、车棚等)外，每个建筑物照片数量尽量不少于10张[7]；有树或其它障碍物遮挡的门面牌、广告牌应近距离拍摄，尽量减少障碍物遮挡；外业拍摄时间应避开强光引起的照片过度曝光或天气昏暗引起补光不足的时间段等。

1.3 总体技术路线

纹理采集总的技术路线，如图1所示。

图1 纹理采集技术路线

1)资料分析。进行三维纹理采集前，应对现有数据资料进行整理分析，如选择合适的地图数据，选择合适的拍照时间，选择合适的相机、打印相关基础资料等，以满足三维模型纹理采集编辑的需要。

2)内业编号，主要包括区域编号和建筑编号。区域编号，即在外业纹理采集前，根据采集区的数据和实际地物空间分布特征情况，进行区域分区和编号，按照天然或人文分割将作业区划分为若干采集大区，并对采集大区进行编号，如图2(a)所示。建筑编号，即对每个作业区域内所有需要采集纹理的建筑物按照拟定采集路线编号，保证建筑纹理拍摄不遗漏，如图2(b)所示。

图2 区域编号和建筑编号

3)路线设计。根据内业分区和编号，拟定拍摄路线。对路线设计应合理合规，且能够最优覆盖整个采集区域。

4)外业采集。按照采集区域和外采路线进行外业纹理采集。外采时要记录每幢房屋拍照时的起始顺序，以提高后期判图的准确率。针对每一栋建筑物要有对应的拍照记录，按设计要求做出清晰、明确的数据标记[8]，如：新建、拆迁或特殊结构的楼体等，便于后期区域数据模型的更新维护。

5)内业整理。根据内业编号和建筑编号，整理汇总纹理成果，按照采集分区和建筑编号分别建立目录，并对纹理进行遮挡整饰、变形整饰、光线整饰等，便于后期的人工处理和贴图。

6)纹理建库。将整饰过后的纹理整合入库，按照相应的编号和组织结构存储，并建立空间逻辑关系。

7)纹理贴图。通过三维建模软件，建立纹理成果与三维模型的空间映射关系，提供自动和半自动纹理贴图两种方式，实现三维模型的纹理贴图。

8)烘焙输出。通过纹理及模型烘焙，优化纹理和模型组织，提升计算机显示效率，优化三维成果的浏览效果，并输出成为三维模型最终成果。纹理烘焙参数设定和烘焙效果，如图3(a)、图3(b)所示。

图3 纹理烘焙参数设定和烘焙效果

2 关键技术研究

在三维城市区域更新背景下，三维几何造型的建模技术是一项重要的工作内容，其质量高低决定了三维城市的表达效果，其优化水平高低决定了三维成果的浏览效率。在三维模型纹理制作中应进行详细科学的技术设计，并通过技术辅助实现质量、效率的统筹兼顾。

2.1 纹理分级设计

数字东莞三维城市成果库数据量巨大(达10 TB)，碎文件繁多(千万数量级)，因此必须对模型进行精细程度划分，以保证浏览效率和达到主次区别的效果。同样，不同级别的三维模型纹理也相应分级，使不同级别的纹理表达精细程度随三维模型分级质量要求而变化。

纹理分级应保证原有的建筑模型的外观完整、表达合理，色调颜色统一协调，模型总体效果与实际建筑物基本一致等[9]。

按照数字东莞三维模型分级要求(东莞三维城市建筑模型按精细程度分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别)，纹理精细程度也相应划分为四个级别，每个级别根据精细表现不同，其纹理的表达也不同。具体要求，如表1所示。

表1 纹理分级要求

2.2 纹理质量设计

三维模型纹理的质量一般通过纹理格式、纹理大小、纹理色调、纹理精度、纹理贴图、公共材质等方面表现[10]，具体如下：

1)数据格式。纹理格式应与几何模型细节层次相匹配。一般贴图纹理存储为*.jpg格式；透明贴图纹理存储为*.tga格式；烘焙纹理存储为*.tga 或*.png格式。

2)纹理大小。精细模型的纹理长、宽应一致，一般为2的n次幂像素值，总像素不大于1 024。简单模型纹理长、宽不大于512像素[11]。

3)纹理色调。以天气晴朗但日照不强烈的建筑表面色调为基准纹理色调，避免过白或过黑的色调表达[12]。纹理的清晰程度可通过提高对比度、锐化处理等操作完成。整体的色调应均衡协调，色彩明亮且美观。

4)纹理精度。外业采集的纹理应与实际建筑的外观特征一致(包括层数、窗户的凹凸风格、整体的形态、总体色调等)[13]，根据不同级别要求，纹理精度也按照不同的要求控制。纹理精度总体应与纹理所表达的建筑物特征保持一致，且色调协调风格相近[14]。

5)纹理烘焙。通过数据库与三维建筑空间表面映射关系，实现自动或半自动纹理贴图。通过纹理烘焙，优化纹理组织结构和显示效率，提升三维模型总体的浏览效率和展示效果。

6)公共材质。针对三级、四级纹理，可通过制作公共材质库的方式，实现三维建筑模型纹理共用，可有效减少纹理的数据量和浏览加载时的数据量，提升三维城市的浏览效率。

2.3 顶部纹理采集

由于真正射影像消除了投影差等畸变信息，因此三维模型的顶部纹理可直接采用真正射影像作为其顶部纹理[7]。采用这种方式采集的顶部纹理真实程度更高，更加贴合三维城市的真实色彩和纹理[15]。真正射影像采集的顶部纹理，如图4所示。

图4 真正射影像采集的顶部纹理

2.4 侧面纹理采集

建筑物拍摄应避开遮挡物体，对实体每个平面尽可能正面拍摄；一般按由远及近开始拍摄，先呈现总体结构，再依次采集各面纹理；当拍摄的建筑侧面较大需要用2张以上照片才能完整覆盖时，拍摄的相片应有重叠区域，以便拼合；对于重点建筑物墙面的图案或文字采用特写拍摄方式采集纹理。纹理采集的重叠区域，如图5(a)、(b)所示。

图5 纹理采集的重叠区域

当纹理成果仅能反映整体轮廓，且重要细节表现不清晰时，需进行细节纹理采集。在拍摄商业街时，在保证纹理清晰的情况下每张照片应包含2-3个商铺且角度选取合理，尽量避免出现路人或树木遮挡等情况。重要建筑的细节纹理采集，如图6(a)所示。商业街商铺纹理采集，如图6(b)所示。

图6 重要建筑的细节纹理采集和商业街商铺纹理采集

2.5 自动纹理贴图

自动纹理贴图，即将每一个建模对象登记为具有独立ID标记的对象，通过纹理与建筑模型的映射关系，实现两者一一映射，最后通过计算机技术实现自动纹理贴图。通过自动纹理贴图，一方面可重复使用库中纹理，减少浏览时的数据加载量，提升浏览效率，另一方面也可提升建模工作效率，缩短三维城市建设的工作周期。使用纹理库纹理自动贴图效果，见图7。

图7 使用纹理库纹理自动贴图效果

2.6 纹理烘焙贴附

纹理烘焙是指在三维建模软件中模拟、仿造自然光影信息来渲染纹理对象，把光影信息映射到贴图纹理材质上，并贴附到模型对象上。通过烘焙，可减少计算机CPU、GPU资源占用，减少辅助信息的处理工作，有效提升大场景浏览的响应速度，且可有效减少在计算光能传递时的画面抖动，进而提升三维城市的浏览效果。

3 结束语

基于三维城市区域更新背景，几何造型建模是其中一项重要的支撑技术手段，有效保证了数字东莞三维城市的数据时效性，为东莞的城市建设和发展提供了重要的数据基础。其中的三维建筑模型纹理制作，是东莞三维城市数据更新的重要环节之一，是直接影响三维城市表达效果的重要方面[16]。

本文依托数字东莞三维城市区域更新实践，重点论述了三维数字城市区域更新条件下基于几何造型建模的纹理制作技术，较为全面的总结了数字东莞三维城市区域化更新的做法和经验，其中的技术和思想是东莞三维城市区域更新具体实践条件下的重要经验和技术总结，为东莞的三维城市区域更新也为其他地市的三维城市更新提供了实践参考。