554.基于AutoCAD的三维几何与纹理建模【开题报告+毕业论文】

开题报告毕业设计题目：基于AutoCAD的三维几何与纹理建模学院： 信息工程学院专业： 学号： 姓名： 指导老师： 时间： 一、目的和意义1998年1月31日，美国前副总统戈尔提出了“数字地球”概念之后，引起了各国政府和科技界的广泛关注。“数字地球”是把浩瀚复杂的地球数据加以数字化、网络化，变成一个地球信息模型的计划。城市是地球表面人口、经济、技术、基础设施、信息最密集的地区，“数字城市”必将成为数字地球网络系统中最为重要的一部分和最繁荣的信息中心，是数字地球在城市领域的具体实现，也是建设数字地球的关键和难点。数字城市，简单地说，就是用数字的方法将城市、城市中的活动及整个城市环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、生活、娱乐服务。它是一种特殊的信息系统，是城市地理信息系统(UGIS)的延伸与发展。城市作为人类活动的重要场所，其地表特征以人工建筑物为主。因此，在数字城市的建设中，建筑物的三维重建是一项很重要的工作，准确真实地表达建筑物体的特征是城市三维建模的中心环节。使用现有的测绘系统，我们所能得到的第一手资料只是一些二维的数据，这些离我们心中“三维城市”的目标还相距甚远。面对手头的二维地形图或建筑物图纸，我们想要建立精确的城市三维模型，会面临诸多问题。比如，如何将建筑物的三维信息进行表达，并在我们的电脑上显示出来？如何恢复建筑物的纹理信息，使建筑物在视觉上更加具有真实感一些？怎样才能做到从多角度的全面观察建筑物，并使建筑物在不同的光照条件下表现得更加像现实生活中我们看见的一样等等诸如此类的问题，都有待我们去更好地解决。本课题将会对建筑物的三维建模方法进行研究探索，回答上面的几个问题，为数字城市的建设打下良好的技术基础，尽一分力量。 二、国内外研究现状和发展趋势随着数字城市技术的迅速发展，对城市环境中各种三维信息的表达与处理变得日益迫切，人们不仅需要表达单个建筑物或建筑物群体，还需要建立整个城市景观模型，并希望利用这个模型进行有关城市的规划设计、交通指挥、信号站布设等工作。因此，需要处理的数据不再仅限于有限几个建筑物或一个城市小区，而是整个城市范围内所有需要表达的三维信息。但是，GIS本身目前在三维数据建模及可视化方面功能较CAD和3DMax差很多，因此有很多学者结合这两类系统的长处来构建整个城市的三维景观模型。要建立一个完整的三维城市模型还必须解决以下几个方面的问题：（1） 多种类型的三维城市实体的建模；（2） 庞大数据量的组织与管理；（3） 各种复杂的三维空间关系的表达以及操作；（4） 三维空间数据的存储、管理以及查询与检索；（5） 提供整个城市范围的实时快速的可视化；（6） 建立用户可以交互操作的三维图形界面。 对于单一建筑物，已有的建模方法主要有以下几种：（1） 人机交互法：在有且只有建筑图纸的情况下可在AutoCAD中通过人机交互输入方法建立三维建筑物模型；（2） 图形识别法：依据已有的电子版建筑图（以平面图为主）进行图形元素的识别，并在此基础上输入空间信息 从而建立三维模型。由于同一批工程图的图层划分方法相同，可以编制ARX程序读取工程图相关图层中的柱、墙、梁实体数据，再手工输入柱、墙、梁的顶部、底部高程，由程序建立模型；（3） 激光扫描法：在距离建筑物150m以内设置激光扫描仪器，该仪器向建筑物发射大量激光束（任意两束的发射方向都不同），得到建筑物表面的“点云”，再使用专门的软件由“点云”生成建筑物三维模型。通常需从三个方向扫描同一个建筑物；（4） 运用航片/卫星影像来建立模型的方法。人们还在不断提出新的建模方法。例如，美国俄克拉荷马大学的学者提出了一种使用头盔显示器、数据手套和相应的虚拟现实软件，在交互式的虚拟环境中建立三维模型的方法。单一建筑物的建模方法的共同点是：拥有信息资源的情况和模型文件的用途对建模方法和模型文件格式有很大影响。目前研究较多的海量建筑物建模方法是运用航片/卫星影像来建立模型的方法。该方法是在拥有航空照片或卫星照片的情况下，用专门的大型软件比较从不同角度拍摄的同一地区的照片，得带地面物体（包括建筑物）的高度和三维模型。三、主要研究内容、途径以及技术路线 研究目标本次毕业设计将从现有的线划地形图出发，在AutoCAD中通过人机交互输入方法建立三维建筑物模型。然后，使用数码相机实地采集建筑物的纹理数据，对做好的建筑物模型进行纹理恢复，最后使所建立的三维建筑物模型具有立体、多角度可视化的效果。虽然我所采用的方法，有学者已实现过。但本次研究的目标就是通过亲身实践此方法，来深入了解有关三维建模以及数字城市、虚拟现实等一些相关知识。同时，也了解其它几种建模方法，分析比较各种方法的优缺点，为今后在有关方面进一步的学习与研究做好铺垫。 具体研究内容本课题的任务是利用AutoCAD软件生成建筑物的三维模型，它主要包括两个部分的内容：建筑物的几何建模和纹理建模。几何建模就是使用现有的地形图或者建筑物的图纸等二维资料，融合其三维信息，在AutoCAD强大功能的帮助下，生成具有立体效果的建筑物模型，并且可以从多个视角对模型进行观察。纹理建模就是将所采集的建筑物纹理信息，如：墙面花纹、门窗等，在AutoCAD环境中将其加入到模型中，使建筑物的视觉效果更加真实，具有更强的可视性。 技术路线为了充分利用现有的大量地形图资料或者建筑物的设计图纸，在这次的毕业设计中，将研究采用这些图纸资料作为最初的数据来源。然后，需要熟悉AutoCAD 2004软件的功能和操作，确定建模方案。对于AutoCAD软件本身，它支持三种类型的三维建模：线框模型、曲面模型和实体模型。线框模型可用于描绘三维对象的骨架。曲面模型较之复杂一些，不仅定义三维对象的边而且定义面。实体模型是最容易使用的三位模型。它的信息最完整，不会产生歧义。且创建方式最为直接。因此，本次的毕业设计将会选择采用实体建模的方法以保证方案的可行性和所建立模型的准确性。至于建筑物的纹理信息，将会采用数码相机实地采集，并通过有效的图像处理算法对纹理进行几何处理，增强其真实感和视觉效果。再结合建筑物的楼层数，将墙面纹理和门窗图片粘贴在建筑物模型上。最后，对模型进行检查，看模型是否符合要求。如果有可能的话，还会向经常需要进行三维建模的有关人士进行咨询，找出他们在建立模型时会遇到的一些问题，尽量地提出解决方案。四、研究的主要阶段及进度安排该研究主要分为四个阶段：（1） 2006年第二学期前三周完成论文的开题，明确所要研究的内容及相关方面，需要搜集的资料，从整体上把握该课题的结构以及从细节上明确所需要做的工作； （2） 第4至13周完成论文的研究工作：其中，第4 周熟悉AutoCAD软件的操作；第5周到13周完成 建筑物的建模；（3） 14周完成论文的写作；（4） 15周论文答辩。五、主要参考文献1 侯满. 中文AutoCAD 2004 教程. 北京：科学出版社，20042 孙江宏，孟玲霞 等译. AutoCAD2004 培训教程. 北京：清华大学出版社，20043 王章全. AutoCAD 2004 中文版 三维制图百例. 北京：清华大学出版社，20044 顾潮林，李满春. “数字城市”研究漫谈. 城市规划汇刊. 1999(5)5 段学军，顾潮林，于涛方. “数字城市”的初步研究. 地理学与国土研究. 2001(2)6 尤红建，苏林，李数楷. 基于扫描激光测距数据的建筑物三位重建. 遥感技术与应用. 2005(4)7 许云，任爱珠. 基于电子地图的城市建筑物建模. 清华大学学报（自然科学版）. 2002（12）8 李德仁，朱庆，李霞飞. 数码城市：概念、技术支撑和典型应用. 武汉测绘科技大学学报. 2000(4)9 孙敏，马蔼乃，陈军. 三维城市模型的研究现状评述. 遥感学报. 2002(3)10 郭汝，徐肇忠，胡建国. 从数字深圳看三维城市模型数据产生流程及技术.测绘信息与工程. 2003(4)11 黄经南，张金亭，唐岭军. 基于AutoCAD平台构建逼真的三维地形. 武汉大学学报（工学版）. 2002(5)目 录摘 要第一章 引言11.1GIS的发展趋势11.2三维GIS的优势11.3三维GIS的建设重点三维城市建设21.4论文结构内容安排4第二章 三维建模相关软件介绍52.1主流三维建模软件52.2平面美术设计软件Photoshop6第三章 AutoCAD中三维绘图介绍73.1三维与二维之间的差异73.2常用的三维术语83.3使用三维的理由93.4AutoCAD的三维能力103.5AutoCAD的局限10第四章 本设计制作过程124.1前期准备124.2实地数据采集124.3几何建模134.4纹理建模184.5建模小结24第五章 总结25参考文献26致谢27摘 要建立三维数字城市的立体景观模型，是当前地理信息系统技术研究的热点之一。在城市中，人工建筑物是最主要的地物，因此，建立建筑物的三维模型是三维数字城市建设必不可少的环节。本文实现了在AutoCAD环境下对建筑物的三维建模，包括几何建模和纹理建模。同时，也提出了在建模过程中需要注意的一些问题。关键词：三维城市；几何建模；纹理；AutoCAD；Three-dimensional geometry and texture modeling based on AutoCADAbstractEstablishing the three-dimensional model of digital city is one of the hotspots in the study of GIS technology currently. In cities, artificial buildings are the major objects on the ground. Thus, establishing the three-dimensional model of these buildings is the essential links to realize the three-dimensional digital city construction. This paper realized the 3D modeling of buildings in the AutoCAD environment, including geometry and texture modeling. Meanwhile, some problems needed to be paid attention to in the modeling process are provided.Keywords: 3D city; geometry modeling; texture; AutoCAD第一章 引言1.1 GIS的发展趋势自人类社会形成以来，人们在生产活动和社会活动中总在进行着信息的获取、交换和使用。从古代文明到现代社会，地理工作者、测绘工作者、航海家都致力于空间数据的收集整理，制图工作者则以地图形式表达这些数据。地图作为空间数据的载体长期为航海、军事以及现代经济建设服务。 二十世纪50年代由于计算机技术的发展，测绘工作者和地理工作者逐渐利用计算机汇总各种来源的数据，借助计算机处理和分析这些数据，最后通过计算机输入一系列结果，作为决策过程的有用信息。3地理信息系统（GIS）是一种特定而又十分重要的空间信息系统。从系统角度看，在未来的几十年内，GIS将向着数据标准化（Interoperable GIS）、数据多维化（3D&4D GIS）、系统集成化（Component GIS）、系统智能化（Cyber GIS）、平台网络化（Web GIS）和应用社会化（数字地球DE）的方向发展。 1.2 三维GIS的优势举一个简单的例子，我们用两种方法让一位家住武汉大学的五岁小姑娘指出自己家的所在：第一种方法，给她看一张满是专业地理符号的武汉大学地图；第二种，给她看一个武汉大学的小型模型。很显然，后者对于她来说会有用得多。这就是三维的力量！从计算机科学角度看，信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成的问答系统。3其中，用户是信息系统所服务的对象，是信息系统的主人。用户分一般用户和从事系统建立、维护、管理和更新的高级用户。 显而易见，从数量上看，具有丰富专业知识的高级用户只是凤毛麟角，组成GIS庞大用户群的则是对整个系统略知一二的一般用户。如果不从这些数量占绝大部分的用户角度出发来做GIS，则忽略了GIS的最初发展动力用户需求，做出来的产品也只会是高屋建瓴，导致的最终结果只能是用户数量的减少，系统被用户所淘汰。因此，GIS只有充分考虑了用户的水平和需求，才能被越来越多的用户所接受，从而成为大众化的GIS，这才是我们所希望看到的。在一个GIS中，地理空间数据是血液。实际上，整个GIS都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的。在GIS这么多年的发展历程中，有很长一段时间，空间数据都是以平面地图作为的载体。但值得注意的是，GIS所要表达的现实世界空间是一个真三维的几何空间，这个空间的任何事物均含有三维空间信息，而传统的二维GIS仅仅解决了对平面二维信息的表达。5这种表达方式虽然简单方便，但由于无法表现对象的三维信息，呈现在用户面前的数据必然缺少直观性，并且所包含的信息量也随着维数的减少得以缩减，给用户的使用带来一定的不便。本节开头所举的小姑娘的例子则充分说明了三维给用户提供的巨大方便。它将会使越来越多的人开始使用我们所做出来的系统，这对GIS的发展是一股巨大的动力。正是这样一种隐藏在潜在用户背后的力量在推动着GIS前进的脚步，使空间数据的表达向实时三维化方向发展。这样的发展必然会增强GIS的功能，挖掘出潜在的用户，使更多的人能够真正享受到三维GIS技术为我们创造的更加美好的生活。1.3 三维GIS的建设重点三维城市建设1.3.1 三维城市建设的中心环节人工建筑物的实体建模目前，人们在三维GIS的研究方面已经做了较多的工作。然而，人们在进行三维GIS研究过程中，发现所面对的现实世界中各类对象及其相互间关系的复杂性远远超乎他们基于二维GIS的预料，事实证明建立一个通用的三维GIS平台目前尚不具备条件。因此，人们工作的重点和研究范围开始转向较小的领域，如：地质、矿山、城市等。由于城市是人们生活工作的聚集地，同时也是人口、资源、环境及信息最密集的地方，对三维城市GIS的研究不仅具有相当重要的现实意义，同时也是人们十分迫切需要解决的问题之一。5三维城市GIS建设涉及多方面技术，其中一个就是多种类型的建筑物实体的建模。由于城市中地物以人工建筑物为主，因此这些建筑物将是我们所需要研究的主要建模对象。城市建筑物建模是三维城市建设过程中的瓶颈问题，同时也是一项很重要的工作，准确真实地表达建筑物体的特征是城市三维建模的中心环节。建筑物模型的建立速度、精度等指标将直接影响到整个系统的优劣程度。1.3.2 现有的单一建筑物的建模方法对于单一建筑物，其建模方法的共同点是：拥有信息资源的情况和模型文件的用途对建模方法和模型文件格式有很大影响。目前来讲，已有的建模方法主要有以下几种9：1) 人机交互法：在有且只有建筑图纸的情况下,可以在AutoCAD等专业软件中，通过人机交互输入方法建立三维建筑物模型。该方法的一个最大的缺点就是速度较慢，因而只适合数据量比较少的情况（如：一个学校或者某个住宅小区建筑模型的建立），不能满足海量建筑物的建模要求。此种方法的优点是可以在将建筑物刻画得非常细致，很适合在需要对建筑物加以仔细研究的情况下使用。比如：通过这种方法可以建立非常具体的某个古建筑的模型放入有关数据库中，以供考古学家、建筑学家研究学习，而不用他们亲自到实地进行考察，节省了大量的社会资源；2) 图形识别法：依据已有的电子版建筑图（以平面图为主）进行图形元素的识别，并在此基础上输入空间信息 从而建立三维模型。由于同一批工程图的图层划分方法相同，可以编制ARX程序读取工程图相关图层中的柱、墙、梁实体数据，再手工输入柱、墙、梁的顶部、底部高程，由程序建立模型。但有时，要获取整个城市的所有建筑物的电子版建筑图难度很大，给建模工作造成了一定的障碍；3) 激光扫描法：在距离建筑物150m以内设置激光扫描仪器，该仪器向建筑物发射大量激光束（任意两束的发射方向都不同），得到建筑物表面的“点云”，再使用专门的软件由“点云”生成建筑物三维模型。通常需从三个方向扫描同一个建筑物。基于激光的方法，其系统结构简单、测量速度快，且具有实时处理能力，所以被广泛采用。但使用该方法，存在很多因素严重影响其精度，如：系统中结构因素的影响、光学系统近似因素的影响等。并且该方法没有充分使用中国各城市现有的电子地图资源；4) 运用航片/卫星影像来建立模型的方法：该方法是在拥有航空照片或卫星照片的情况下，用专门的大型软件比较从不同角度拍摄的同一地区的照片，得到地面物体（包括建筑物）的高度和三维模型。在该方法中，融合了数字摄影测量与3S技术。航空影像是建筑物重建的主要数据源，特别是数字摄影测量技术为数据的获取提供了最经济的方法。遥感卫星影像是重要数据源，二十多年来其分辨率已经有了很大的提高。空间分辨率从遥感形成之初的80m，已提高到2m，军用甚至可达到10cm。光谱分辨率现在可以达到 5-6nm(纳米)量级，400多个波段。时间分辨率一般为15-25天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以3-5天观测地球一次。正是遥感等这一系列技术的同步发展，使得通过影像建立模型的方法成为可能。但是由于通常所用的影像数据量极大，因此对计算机的图形、图像处理能力提出了很高的要求。另外，在建模的过程中，建筑物的纹理比较粗糙，不够精致，在真实反映建筑物方面有所欠缺。1.3.3 本论文研究的内容与意义本论文选用在AutoCAD中通过人机交互输入方法，建立单个建筑物的三维模型。然后，使用数码相机实地采集建筑物的纹理数据，并使用专业的图像处理软件Photoshop对纹理数据进行适当的处理，使其符合纹理贴图的要求。接着，对做好的建筑物模型进行纹理恢复，最后使所建立的三维建筑物模型具有立体、多角度可视化的效果。在建立模型的过程中，会反复的试验、比较和思考，不断总结，分析建模过程中的失败原因，观察建模结果，找出通过人机交互法建立单个建筑物模型的最佳途径。同时，在初步了解其他建模方法的基础上，比较这些方法与本文使用的方法的差异性以及各自的优劣，找出人机交互法的缺点与不足。1.4 论文结构内容安排第一章主要介绍了GIS的发展趋势以及三维给我们所带来的方便。同时，将人工建筑物模型的建立作为三维城市建设的中心环节之一，对其现有的几种建模方法及其优缺点进行了简要概述。最后说明了本论文的研究内容和意义。第二章的第一节介绍了几种主流的三维建模软件，第二节则简要说明了Photoshop的应用。第三章介绍了在AutoCAD中进行三维绘图所需要明确的几个问题，包括常用的三维术语，使用三维的理由以及AutoCAD的优势与局限性。第四章详细叙述了整个模型的建立流程，包括在各个步骤中会遇到的问题和相应的解决方案以及对建模过程的分析总结。第五对本文做了一个简单的总结，其中有我本人在做设计过程中的一些感想和对三维GIS的一些想法。第二章 三维建模相关软件介绍2.1 主流三维建模软件2.1.1 AutoCADAutoCAD实际上是一个绘图软件包，它是美国Autodesk公司于1982年提出一个商品软件，能在大多数的16位和32位微机上工作通用性强，应用面广，可以用于机械、电子、建筑等各个行业。这个软件包在国际上十分流行，在我国也用得较为广泛。自1982年到现在，已经更新了许多版本。最早进入中国的AutoCAD是2.17版，后来引进了AutoCAD2.6版，现在已有10.0版或11.0版了。早期的AutoCAD只能绘制二维图形，从2.17版开始能绘制二维半的立体图形。自2.6版开始，AutoCAD提供了绘制三维图形的功能，而且图形的处理速度，随着版本的更新而不断提高。AutoCAD不但可以用来绘制图形，而且还可以在其基础上进行二次开发，形成更为广阔的应用领域。它还为用户提供了一个图形交换文件(DXF文件)，作为与其它高级语言的接口。总之，AutoCAD是我国目前微机上广为流行的绘图软件包。2.1.2 3D Studio MAX3D Studio MAX是由Autodesk公司出品的3D制作软件，目前PC机上最流行的三维建模、渲染、动画制作软件，计算机辅助设计软件中最成功的一个，同时也是全球使用人数最多的三维设计软件之一。它广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。3DsMAX以其友好的用户界面、高质量的图像输出、强大的造型与动画渲染功能等特点，赢得了广大的用户。2.1.3 Multigen Creator/Vega实时三维模型创建软件：Multigen Creator。 MultiGen-Paradigm公司的Creator建模平台是所有实时三维建模软件中的佼佼者，它的数据库格式OpenFlight已成为仿真领域事实上的业界标准，它在专业市场的占有率高达80% 以上，是虚拟现实/仿真业界的首选产品。Creator是一个功能强大、交互的三维建模工具。在它所提供的“所见即所得”(WYSIWYG)建模环境中，你可以建立你所期望的、优化的三维模型。实时场景管理/驱动软件Vega。Vega是MultiGen-Paradigm 公司应用于实时视景仿真、声音仿真、虚拟现实及其他可视化领域的世界领先的软件环境。Vega和其他同类型软件的相比较，除了其强大的功能外，它的LynX图形用户界面是独一无二的。在Vega的LynX图形用户界面中只需利用鼠标点击就可配置/驱动图形，在一般的城市仿真应用中，几乎不用编任何源代码就可以实现三维场景漫游。同时，Vega还包括完整的C语言应用程序接口API，在NT下以VC6.0为开发环境，以满足软件开发人员要求的最大限度的灵活性和功能定制。2.1.4 MAYAMaya是目前世界上最优秀的三维动画制作软件之一，Alias公司所研发的Maya登陆中国至今，自发表以来就获得许多动画师的喜爱及推荐，无不叹服Maya所创造的精彩的视觉效果，其卓越的功能让每一位CG人士大为震撼，在众多的特效电影里面更少不了Maya制作出来的动画效果。作为3D界的主流软件，Maya 6.0的发布更是融合了计算机图形学的最新技术，功能更强大，技术更成熟，这无疑是众多3D爱好者的福音。Maya是美国Alias|Wavefront公司出品的世界顶级的三维动画软件，应用对象是专业的影视广告，角色动画，电影特技等。Maya功能完善，工作灵活，易学易用，制作效率极高，渲染真实感极强，是电影级别的高端制作软件。Maya 集成了Alias/Wavefront 最先进的动画及数字效果技术。它不仅包括一般三维和视觉效果制作的功能，而且还与最先进的建模、数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术相结合。Maya 可在Windows NI 与 SGI IRIX 操作系统上运行。在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，Maya 是首选解决方案。Maya的应用很广泛，包括电影、电视、广告、医疗、地产等领域。可以说是有无限的发展空间。2.2 平面美术设计软件Photoshop Photoshop是由美国Adobe公司出品的最流行的图像编辑软件。这个软件可以运行在苹果机（Macintosh）和PC机上，可使人们编辑扫描绘画艺术品和图片等。此外，Photoshop还提供了类似在纸上绘画的工具，借助这些工具可以创造出如同水彩画和油画一样的自然主义风格的图画。它的功能完善，性能稳定，使用方便，所以在几乎所有的广告、出版、软件公司，Photoshop都是首选的平面工具。利用Photoshop，可以进行各种平面图像处理，绘制简单的几何图形，给黑白图像上色，进行格式和色彩模式的转换。利用Photoshop，可以创作出任何人为构想出来的超现实的电脑特技作品。对于一个图形设计者，可将大自然中的漂亮景观拍成照片后，将图像扫描进计算机，通过Photoshop进行分层绘图和编辑，并加入多种特殊效果，创作出令人惊叹的作品。对于印刷人员而言，Photoshop能提供同等的高档专业印刷前处理系统的功能。用Photoshop可以在RGB模式下预览CMYK四色印刷的图像，并且可以产生高质量的单色调、双色调、三色调和四色调图像。另外，Photoshop还为专业人员提供了既可用于互联网，又可用于打印输出的高质量图像的集成解决方案。10第三章 AutoCAD中三维绘图介绍3.1 三维与二维之间的差异对于AutoCAD系统本身来说，三维和二维之间是没有差别的，AutoCAD总是具有完整的三维功能。然而，对于多数用户而言，三维和二维两者之间的操作具有很大的不同。其中根本的差别是，对象除了具有高度和宽度外还可在另外一个方向进行操作，即能够生成具有厚度的对象。这就使得对象具有另一维尺寸，其结果将会使输入方法发生变化。在三维操作中，虽然AutoCAD系统提供了使用定点设备的各类辅助工具，但是，在特定的点和距离输入时，也许会经常使用对象捕捉和坐标输入。对象具有另一维尺寸也将影响到观察的方式。对于二维操作，总是对着绘图平面观察。对于三维操作，因为一个对象常在另一个对象之上，因而，总是以一定的角度观察对象。此外，在构造模型时会以不同的方向观察，也许在屏幕上会有几个视口 ( viewport)，即同时从不同的视点观察模型。另一个差别是在三维中的实体比在二维中的实体更集中。虽然一个三维线框模型可能没有同样一个对象的二维图形的线、圆等实体多，但是，三维对象的所有实体将交织在一个位置，而不是沿几个不同的视区平铺。具有网格线的表面模型可能会特别稠密。为了控制这些拥挤的实体，在三维中使用的层会比二维中使用的层多，更会频繁地冻结和解冻层。在三维操作中，将会使用在二维中使用的全部层，再加上一些层用来获得不显眼的实体以及选择模型容易观察和操作的部分，以便控制模型组成部分的可见性。三维和二维之间的一个明显差别是，存在 1 8 0多个有关三维的AutoCAD命令。其中一些命令如UCS、VPORT S（与图纸空间有关）虽然在二维操作中也有用，但大部分专门用于三维对象。另外，使用这些三维操作命令并不是用来代替二维命令的。在三维操作中，会经常使用在二维操作中使用的命令，再加上三维的命令。此外，某些常见的命令，如 FILLET（倒角）和CHAMFER（倒圆角）等，当用于三维实体时有不同的操作方法。最后，在建立三维模型时，操作步骤和思维与二维绘图有细微的差别。在三维中，是真正地构造一个对象，而不只是从不同视点看到的视图。在某些方面，三维作图比二维绘图更精确，必须非常精确地确定对象的方位和位置。这种方式的好处是使得设计既正确又精确。3.2 常用的三维术语3.2.1 模型与用粘土、石膏或纸板代替某些实物或平面对象时使用的术语相同，在 AutoCAD中建立的三维对象一般称为模型（model）。与这些物理模型一样，AutoCAD的模型是真正的三维对象，且容易建立和修改；但又不同于物理模型，不可以直接接触。建立一个模型的过程称为造型（modeling）。虽然术语“模型”和“造型”也可用于AutoCAD的二维对象，但是，它们通常用于三维模型，二维操作中涉及到的称为作图或绘图。3.2.2 线框模型线框模型（wireframe model）仅仅用边来表示一个对象，在各边之间什么东西都没有。因而，位于对象后的线条无法隐去。右图表示了一个简单的线框模型。该模型由 1 5条边构成，用两个圆表示一个圆孔的边界。实际上，在线框模型中的一个孔是无意义的，因为在生成的孔中什么东西都没有。（如图3.1所示） 图3.1 线框模型3.2.3 表面模型表面模型（surface model）在各边之间具有一个由计算机确定的无厚度表面。虽然，表面模型看起来是一个实体，但是实际上是一个空的外壳。图3.2(a)以表面模型表示的原始对象，从外观看具有一个通孔。正如图3.2(b)所示，当表面被移去时，通孔实际上是一个管子的模拟表面。图3.2 表面模型表面模型使用线框模型表示其表面的框架，模型中一部分以线框表示而另一部分以表面模型表示的情况并不多见。由于模型的表面是透明的（除非用命令消隐），因此表面模型看起来像线框模型（图3.2(c)所示）。另外，表面模型有时甚至被认为是线框模型。虽然这种认识是错误的，但这种看法并不少见，甚至在AutoCAD手册和文件里也能看到。3.2.4 实体模型实体模型（solid model）具有边和面，还有在其表面内由计算机确定的质量。图3.3(a)是前面用线框和表面模型表示的对象的实体模型。虽然看起来与表面模型极为类似，但是，正如图3.3(b)所示，将其对半剖分以表示它是真实的实体（用计算机生成的视觉效果）。AutoCAD还能够告之其质量的属性信息，如体积、重心和惯性矩（moments of inertia）。与表面模型一样，实体模型看起来像线框模型（如图3.3(c)所示），除非消隐命令起作用。图3.3 实体模型3.2.5 渲染使一个表面模型或实体模型具有明暗、真实感的图像称为渲染（rendering）。AutoCAD系统提供了一组图形渲染的命令，包括设置和控制光源、处理模型表面特征等命令。除了黑白图形渲染，AutoCAD还具有真彩渲染功能。3.3 使用三维的理由构造三维模型显而易见的理由是三维模型比二维图形更接近真实的对象。即使三维计算机模型与实物还有很大的差距，但总比二维图形更接近实物。另外，可以将三维模型转变为多个视图并标有尺寸的二维产品图，从而获得二者的最佳形式。这种从三维模型转变为二维图形较之传统绘图的优点是：对于模型的任何修改将自动反映到相应的视图上。在二维绘图中会出现对某些视图进行修改而没有对其他视图作相应修改的错误，这在基于三维模型的图形中是不可能发生的。在AutoCAD中模型也可以直接作为不需要用图纸的对象成型。实体模型一般优于表面模型和线框模型。它是最容易使用的三维模型。它的信息最完整，不会产生歧义，且创建方式最为直接。3.4 AutoCAD的三维能力AutoCAD开始于二维绘图程序。在后来每一版本中均增加了少数三维特性，主要增加的三维功能是在 R10版，而重要的三维功能是在R10以后的各个版本中增加的。目前，在AutoCAD中，整个程序系统是一个具有完整三维特性的造型系统：1) 对于每个特定点和空间任何一个位置的图形对象，AutoCAD具有一个完全的三维坐标系统。2) 为了有助于点的输入和在局部区域的操作，AutoCAD具有一个可移动的用户坐标系统。3) 可以在空间的任何位置设置视点，以任意方向观察对象。4) 可以将屏幕分成多个视口，以便同时从不同视点和方向观察三维空间。5) AutoCAD对实体的表面进行了很好地分类，便于构造多种形状的表面模型。6) 用AutoCAD能够构造大多数机械厂典型的机械加工实体模型。7) 能够将三维模型转换为标准的多个视图、标有尺寸的产品图。8) AutoCAD的内置渲染器配有各种光源和表面材质，具有根据三维模型制作真实感着色图的能力。3.5 AutoCAD的局限由于实际应用程序很少，因此，人们感觉 AutoCAD的三维性能难学难用。这种说法的主要原因也许是由于AutoCAD早期版本三维能力的局限。最初， AutoCAD系统的输入笨拙、单调乏味，只能生成少数真正的三维实体。甚至构造最简单的三维模型也需要很大的努力。此外，甚至在模型制作完成后输出功能既有局限又简单，以至于用AutoCAD只能做极少数事。虽然这种说法不再值得一提，但是三维操作时还是有一些问题和局限的。首先，实际上与三维模型的所有交互界面均是通过二维设备。例如，无论使用鼠标还是使用数字化仪作为点输入设备，总是限制在一个二维表面的平面上移动。尽管有某些打算用于实际存在的物理对象的三维数字化仪，但并没有三维空间的点输入设备。另外一个限制是，我们必须使用二维屏幕。但有时，仅仅通过计算机屏幕我们几乎不能感觉到模型的深度，要看清楚哪个对象在前哪个对象在后是比较困难的。同时，构成三维模型的实体是非常拥挤的。这些实体不仅互相靠得很紧，甚至一些实体位于其他实体上面。这又是一个问题，即有时使得选择对象变得困难。使用层来控制是很有用的，这样可以仅仅显示当前需要操作的对象。但是，使用层需要另外的操作步骤，且必须进行系统的、适当的管理。虽然AutoCAD系统的实体造型功能是很好的，但是与其他几个程序相比要略逊一筹。此外，AutoCAD的实体编辑能力是有限的，也不直观。最后，尽管AutoCAD的渲染器有能力生成三维模型的真实图像，但不具备任何动画功能。三维的局限、有关二维界面与三维模型的关系以及上述的一些问题可能会是最主要的障碍。但是AutoCAD具有构造十分有用和实用三维模型的所有工具，包括几乎任何几何形状的三维模型，它们可以帮助我们建出满意的三维模型。 第四章 本设计制作过程4.1 前期准备本设计从现有的线划地形图出发，在AutoCAD中通过人机交互输入方法建立三维建筑物模型。然后，使用数码相机实地采集建筑物的纹理数据，对做好的建筑物模型进行纹理恢复，最后使所建立的三维建筑物模型具有立体、多角度可视化的效果。综合考虑建模方案，得出所需要的工具有：AutoCAD软件，Photoshop软件，数码相机，卷尺，记录本等。4.2 实地数据采集4.2.1 几何数据采集本设计的建模对象是武汉大学信息学部学生宿舍6栋，该建筑物是一幢三层带屋顶的房屋。可以利用现有的线划地形图或者建筑物的设计图纸，获得建筑物的长宽等数据。也可以像本设计中一样，利用卷尺对建筑物的长、宽进行测量。需要采集这些数据：窗户有三种：大的铝合金窗、小的铝合金窗、木框窗户、顶层小木窗；门有两种：前门和侧门；还有其他一些有关房屋细节的数据。对于房屋的高度，在没有建筑资料的情况下，可以利用太阳光和竹竿进行测量，具体方法：在太阳光下竖直立一根竹竿，用皮尺测量出其影长。然后测量出房屋的影长。根据三角形相似的比例关系，即可得出房屋的高度。使用卷尺采集了如下数据： 房屋：长67.5米，宽15米，高15米 大铝合金窗户：高2.35米，宽1.6米 小铝合金窗户：高1.6米，宽1.6米 木制窗户：高2.35米，宽1.6米 顶层小木窗：高1.1米，宽0.8米 门：高2.8米，宽1.6米 窗台：长2米，宽0.1米，高0.3米 台阶：长2米，宽0.8米，每阶高0.3米（共两阶） 窗户之间：横向距离2.2米，纵向距离1.25米 最边上的一个窗户与房屋的边缘距离：1.52米 屋顶高：4米4.2.2 纹理数据的采集纹理数据决定了建筑物的整体效果与纹理细节，并最终决定建筑物的逼真程度。在拍摄地物侧面纹理的过程中需要注意的事项是：1) 选择晴朗的天气摄影，尽量使用同一天同一时段采集的纹理；2) 尽量在水平方向对侧面拍摄影像；3) 为完整地采集侧面影像，对同一侧面可能需要在不同角度、不同距离拍摄一幅以上的影像 ,然后再进行拼接处理；4) 为保证后续纹理处理时对地物整体结构的把握，对每一地物必须在不同方向上拍摄一定数量的全貌相片；5) 影像应尽量清晰，如果因拍摄时的抖动等因素造成影像模糊，必须重新进行摄影；6) 如果需要对同一类纹理进行多次拍摄，则最好尽量保持拍摄距离一致，使图像的清晰程度大致相当，便于后续处理(比如，对墙面纹理可以采取此方法，这样可使墙面看起来更加逼真)。对于学生宿舍6栋，需要采集这样几种纹理数据：1) 四种窗户的纹理：大的铝合金窗、小的铝合金窗、木框窗户、顶层小木窗；2) 两种门：前门和侧门；3) 屋顶瓦片纹理；4) 房檐纹理；5) 墙面纹理；6) 窗台纹理；7) 台阶纹理。4.3 几何建模4.3.1 图层控制1. 图层的重要性：在AutoCAD中，图层就像透明玻璃一样，一层层地向上叠加。可以在图层上绘制和编辑对象，而不会影响其他图层上的对象。同时，当对象比较多时，将它们同时显示在屏幕上将会造成我们视觉上的混乱，容易错误地选择和编辑对象，并且让我们对整个模型缺乏整体的把握。而图层则可以帮助我们有条理地管理这些杂乱的图形，并且在某些操作中，使用图层控制可以大大提高效率。（在后面的步骤中将会提到）。2. 图层设置的具体方案：根据本模型的具体情况，总共设置了以下几个图层：墙体、屋顶、房檐、大铝合金窗、小铝合金窗、木框窗、顶楼小木窗、前门、侧门、窗台、台阶、前辅助线、后辅助线、左辅助线、右辅助线。设置好图层，在后来的绘图步骤中，绘制什么对象就将相应的图层激活，使对象绘制在正确的图层上。虽然看来设置图层比较费事，但在后来的操作中，就会发现图层的好处。总的来说，还是会节省模型建立的时间。4.3.2 建立房屋的基本框架 1. 绘制房屋墙体：(1) 先绘制房屋的侧面，采用三维多线段。在命令栏中输入：3dpoly，开始指定组成线段的几个端点。起点定为(50,50,50)，根据房屋的长宽高等数据，下面几个点依次应为(0,15,0)，(0,0,16)，(0,-7.5,4)，(0,-7.5,-4)。绘制出的图形如图4.1所示：图4.1 房屋侧面(2) 在命令栏中输入region命令，将侧面创建成一个面域；(3) 将侧面进行拉伸，形成房屋的立体实体。首先利用3dpoly命令绘制一条长度为67.5米，方向和刚才所绘的面相垂直的一条直线。然后在命令栏中输入extrude命令，对房屋侧面按照改直线进行拉伸，生成如图4.2所示的立体实体。至此房屋墙体绘制完成。图4.2 房屋墙体3. 绘制屋顶和房檐：(1) 学生宿舍6栋具有人字型的屋顶，可以采用和墙体相似的绘制方法。首先，屋顶侧面。在命令栏中输入3dpoly命令，绘制出单条人字线(如图4.3(a)。然后使用copy命令，将人字线向上复制平移0.4米(如图4.3(b)。接着，用3dpoly将两条线段闭合(如图4.3(c)；图4.3（a） 图4.3（b） 图4.3（c） (2) 使用region命令，将这个侧面建立成一个面域； (3) 采用和墙体同样的方法，先绘制好一条长为70米，与刚刚建立好的面域垂直的直线作为拉伸路径，再输入extrude命令对屋顶侧面进行拉伸，得到如图4.4所示的立体实体。图4.4 屋顶模型(4) 绘制房檐。房顶绘制完毕后，需要在人字型的两侧绘制两个面，作为房檐。输入3dpoly命令，沿着侧面勾勒出侧面的轮廓即可，不过需要注意的是，在顶部不要全部画满，要留少许露出屋顶。勾勒完后，同样需要将封闭的图形建成面域。(5) 最后，将整个房顶包括房檐与房屋墙体合并。采用move命令，以人字型顶端的点为基点，整体移动房顶到合适的位置，并作适当的调整，生成如图4.5所示的房屋大致轮廓。到此，完成房屋的大致轮廓的勾勒。下面应该接着做房屋细节的添加。如窗户，门等细部的建模与位置调整。图4.5 房屋大致轮廓4.3.3 绘制房屋“小零件”1. 绘制门窗：(1) 绘制门：门是一个高为2.8米，宽为1.6米的矩形。这里还是采用3dpoly命令绘制。在命令栏中输入3dpoly，然后指定任意一点作为第一点，则第二点的相对位置可以根据矩形的高和宽相对指定。最后绘制出如图4.6所示的图形。图4.6 门矩形(2) 绘制窗户：窗有三种尺寸：大铝合金窗和木窗宽1.6米，高2.35米；小铝合金宽1.6米，高1.6米；顶层小木窗宽0.8米，高1.1米。按照与门相同的绘制方法绘制出这三个图形。如图4.7所示：图4.7 三种窗户矩形2. 绘制窗台：窗台实际上就是一个规正的立方体，根据所采集的数据，长为2米，宽0.1米，高0.3米，在AutoCAD中输入box命令，再输入长宽高信息，即可以绘制出窗台的模型。生成的效果如图4.8所示。图4.8 窗台模型3. 绘制台阶：(1) 台阶的绘制过程和墙体、屋顶相似。首先，要绘制出台阶的侧面。采用3dpoly命令，先任意指定第一点，然后根据长2米，宽0.8米，每阶高0.3米（共两阶）的数据，绘制出台阶的侧面，如图4.9中所示的黄色多边形部分；图4.9 台阶侧面(2) 使用region命令建立该闭合面的面域；(3) 输入extrude命令，按照台阶宽度数据拉伸生成台阶的模型。如图4.10所示：图4.10 台阶模型4.3.4 房屋细节完善以及各部分位置的调整1. 门、窗户、窗台以及的调整：(1) 在这个步骤中，最实用的命令就非阵列(Array)莫属了。以房屋的一个侧面为例：将上面步骤中绘制完成的窗户和窗台合并，并移动到房屋某个侧面的最左下角的应绘制窗户的位置上。输入Array命令(也可使用工具栏或者菜单)，根据采集的数据：窗户之间，横向距离2.2米，纵向距离1.25米；最边上的一个窗户与房屋的边缘距离：1.52米，设置阵列的行偏移和列偏移参数，点击“确定”，即可生成窗户和窗台的阵列，非常方便，大大提高了工作效率。（值得注意的是，生成阵列后，需要对某几个窗户进行修改或者替换，因为很有可能按照实际的房子，该地方是一个门，而不是一扇窗户。需要严格对照建筑物实物对生成的阵列进行修改。）(2) 步骤(1)只是绘制完成了一个侧面的门窗。其他侧面门窗的绘制和以上步骤是一样的。不过，有一点需要考虑的是，门窗是平面的矩形，而窗台虽然是立方体，但每个侧面的方向均不一样。我们在4.3.2节中所绘制的这些房屋“小零件”，怎么样在每个侧面上都可以使用呢？解决这个问题的方案就是，采用AutoCAD中的三维旋转（Mirror 3D），三维镜像（Rotate 3D）功能再加上移动、复制等操作，最终将这些“小零件”安放到原本属于它们的位置。现以台阶为例，简要描述一下具体的操作方法：图4.11中左边的台阶是根据右边的台阶复制而来。通过三维旋转操作，左边的台阶变化成图4.12中的位置，然后可以将它移动到现在所在房屋侧面中的相应位置。图图4.11 复制台阶 图4.12 旋转台阶2. 辅助线的绘制：在移动复制的过程中，可以根据需要绘制一些辅助线，来帮助我们将这些细节小模型放置到准确的位置。当然，这些辅助线需要绘制在相应的图层中，以便灵活地进行图层的打开或关闭。3. 最终完成的房屋整体框架如图：图4.13 房屋整体框架完成图4.4 纹理建模4.4.1 纹理的预处理1. 处理目的：在纹理的采集过程中，纹理的质量会受到很多因素的影响而下降，从而导致贴上纹理后的模型效果不理想。比如：自然光的强度可以影响到纹理的亮度；周围物体在所需采集纹理的地方留有阴影；周围物体（如树枝）的遮挡；拍摄时手的抖动；拍摄距离差距太大导致的纹理清晰度不一致；非正射的拍摄角度导致纹理的畸变（典型的情况就是门窗）等。那么，为了我们最后生成模型具有较高的可视效果，就需要对症下药，对有问题的纹理进行预处理。2. 主要纹理问题及其解决方案： (1) 非正射的拍摄角度导致纹理的畸变。这种情况主要就是出现在门窗上面，问题的表现就是，本来方方正正的门窗拍摄后就变成梯形了。可以在Photoshop中采用“自由变换”的功能处理这种畸变情况，再使用裁切的方法得到需要的纹理。图4.14和4.15是处理前后图像的对比：图4.14 处理前 图4.15 处理后 (2) 纹理颜色不均匀导致贴图的马赛克效应，也就是贴上这样的纹理以后，模型表面看来会一块一块的，使美观程度大打折扣。可以在Photoshop中使用滤镜模糊高斯模糊，调整各个像素间的色差，生成比较平滑的纹理，处理后再贴纹理刚才的情况就可以减轻很多。以墙面为例，在下面的两张图中，图4.16中的墙面没有经过处理，可以很明显地看出马赛克效应。而图4.17中贴的是经过处理后的墙面纹理，效果就好很多。图4.16 没有处理的墙面纹理贴图效果图4.17 经处理后的墙面纹理贴图效果(3) 对瓦片纹理的特殊。瓦片纹理的采集是在原始照片上裁剪下来一块图（通常会包括几块瓦），如果裁剪的时候不注意，贴出来的效果将会不理想。在Photoshop中对瓦片纹理进行裁剪的时候，需要注意图片的边缘，上下左右都要注意到。必须做到将这一小片图拼接后可以生成连贯的屋顶，而不是一块一块的。图4.18为按照要求裁剪的瓦片纹理图。 图4.18 瓦片纹理4.4.2 模型渲染1. 材质选择和设置：在AutoCAD中虽然有自带的纹理库，但是库中的纹理和本设计中所需要的纹理相差甚远，因此需要将处理好的纹理照片引入纹理库，使用这些照片对模型进行纹理恢复，并且要对这些纹理进行相应的修改，以取得最佳的渲染效果。具体步骤如下：(1) 如图4.19，点击工具栏中的“材质”按钮，“新建”出所有需要的材质，并且选择好材质所附着的对象。这时，如果利用图层会很方便。可以设置某种材质随某个图层，这样就省了到绘制好的模型中选择具体对象的麻烦，特别是当对象比较多而且分布较密集的时候。