王濤,孫述平,2,李藝貴,涂國雄,2

(1.三明學(xué)院海峽動(dòng)漫學(xué)院，福建三明365004;2.臺(tái)灣義守大學(xué)數(shù)字多媒體設(shè)計(jì)學(xué)系傳播與設(shè)計(jì)學(xué)院，臺(tái)灣高雄84001)

WANG Tao1,SUN Shuping1,2,LI Yigui1,TU Guoxiong1,2

(1.Haixia Animation College,Sanming University,Sanming 365004;2.College of Communication and Design,I-Shou University,Gaoxiong 84001)

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互聯(lián)網(wǎng)2D實(shí)景地圖轉(zhuǎn)3D擬真地圖架構(gòu)分析

王濤1,孫述平1,2,李藝貴1,涂國雄1,2

(1.三明學(xué)院海峽動(dòng)漫學(xué)院，福建三明365004;2.臺(tái)灣義守大學(xué)數(shù)字多媒體設(shè)計(jì)學(xué)系傳播與設(shè)計(jì)學(xué)院，臺(tái)灣高雄84001)

3D擬真地圖制作架構(gòu)將二維的實(shí)景平面數(shù)據(jù)三維化，主要使用3ds Max、Photoshop和網(wǎng)絡(luò)實(shí)景2D數(shù)據(jù)建構(gòu)出三維擬真地圖。該流程從互聯(lián)網(wǎng)實(shí)景2D地圖上搜集對(duì)象數(shù)據(jù)，再以3ds Max制作3D模型并進(jìn)行3D紋理貼圖，提高擬真程度。應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)景2D數(shù)據(jù)進(jìn)行3D擬真地圖制作，具有不受時(shí)間及空間限制的優(yōu)點(diǎn)，且擬真性高，可作為媒體設(shè)計(jì)的應(yīng)用元素。

媒體設(shè)計(jì)；3D擬真地圖；互聯(lián)網(wǎng)

WANG Tao1,SUN Shuping1,2,LI Yigui1,TU Guoxiong1,2

(1.Haixia Animation College,Sanming University,Sanming 365004;2.College of Communication and Design,I-Shou University,Gaoxiong 84001)

0　前言

3D擬真地圖制作的目的是將二維的平面地圖三維化。3D場(chǎng)景與對(duì)象目前已被廣泛使用，不論是在媒體設(shè)計(jì)方面、游戲方面、電影方面還是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域皆有很高的技術(shù)和豐碩的成果，因此，地圖的三維化是一種趨勢(shì)。相較于二維的平面地圖，三維地圖的道路、建筑位置更能表示清楚，且其導(dǎo)覽模擬能增加使用者的辨識(shí)度。因此，本制作以互聯(lián)網(wǎng)地圖現(xiàn)有的2D資料制作臺(tái)灣義守大學(xué)三維地形地物模型，并分析和討論其制作流程[1]。

3D擬真地圖制作三維建筑的做法分為重點(diǎn)式建立細(xì)致三維模型、重點(diǎn)建筑物細(xì)致化與一般建筑物簡(jiǎn)單化、區(qū)域全面性細(xì)致化建筑物群這3種層級(jí)。

1)重點(diǎn)式建立細(xì)致三維模型。這是最基本、初步的一種方式。做法是將該地區(qū)地標(biāo)或重要的辦公大樓、橋梁、球場(chǎng)、古跡等建筑物建立精細(xì)模型并于表面加以貼圖以提高擬真度。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以凸顯當(dāng)?shù)刂匾⒅笜?biāo)性建筑物，而且在網(wǎng)絡(luò)的瀏覽速度亦相當(dāng)快速，缺點(diǎn)是缺乏整個(gè)城市的三維視景信息。

2)重點(diǎn)建筑物細(xì)致化與一般建筑物簡(jiǎn)單化。這是第二層次，亦是目前較廣泛的做法，對(duì)于一般非重要性模型，需要建立全面、區(qū)域性的簡(jiǎn)易多邊形塊狀三維建筑物模型。此方法的優(yōu)點(diǎn)是既可凸顯當(dāng)?shù)刂匾灾笜?biāo)建筑物，又可以對(duì)整個(gè)城市有一個(gè)立體的概觀視景，供用戶參考，在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽的速度亦不會(huì)令人感覺遲緩難耐，是一個(gè)較為折中的方法，唯一的缺點(diǎn)是，對(duì)一般性建筑物模型的制作有些過于簡(jiǎn)單，沒有真實(shí)表達(dá)該建筑物的輪廓，不利于日后更深入的三維GIS 加值應(yīng)用。

3)區(qū)域全面性細(xì)致化建筑物群。這是目前少數(shù)國家采用的方法，做法是不論建筑物的重要性與否，全面建立細(xì)致化的三維建筑物模型，并于表面予以貼附材質(zhì)，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，需要投入極大的人力、時(shí)間等建立大規(guī)模的數(shù)據(jù)。而此法的優(yōu)點(diǎn)是建立此數(shù)據(jù)庫之后，將可得到該城市最真實(shí)的三維視景，并且每一棟建筑物都有最真實(shí)的信息，未來可達(dá)到較精細(xì)、準(zhǔn)確度要求較高的查詢、分析應(yīng)用，缺點(diǎn)是此方法所建立的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容在個(gè)人計(jì)算機(jī)上或許還可接受，但是要同時(shí)打開整個(gè)區(qū)域高度細(xì)致化的三維模型時(shí)，由于每個(gè)模型所使用的節(jié)點(diǎn)、組成邊、組成面比簡(jiǎn)單化模型大得多，再加上貼附在模型表面的材質(zhì)多為文件格式較大的圖片檔案，因此整個(gè)檔案量將放大到目前網(wǎng)絡(luò)流量不可負(fù)荷的程度，在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)讀取該區(qū)的模型數(shù)據(jù)時(shí)，用戶將因等待感到不便，在“實(shí)時(shí)”的應(yīng)用上較不適合。本研究是以“重點(diǎn)建筑物細(xì)致化與一般建筑物簡(jiǎn)單化”來制作3D擬真地圖，以達(dá)到實(shí)時(shí)制作3D地圖的目的。

一般而言 3D模型的制作會(huì)先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，量測(cè)實(shí)際的對(duì)象數(shù)據(jù)，拍攝照片，本研究的3D擬真地圖建模流程與一般的3D地圖建模流程在數(shù)據(jù)的擷取上有所不同。傳統(tǒng)的建模流程是以實(shí)地勘查取得地形地物數(shù)據(jù)，因此，數(shù)據(jù)的來源較為確實(shí)，另外，由于是實(shí)地拍攝圖片，可以依據(jù)需求進(jìn)行拍攝，拍攝照片的分辨率、精致度也較整齊。但缺點(diǎn)是，實(shí)地勘察需要投入大量人力，并且需要大量的時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃和拍攝，因此，雖然傳統(tǒng)的建模流程能制作出符合擬真度的模型，但數(shù)據(jù)的取得受時(shí)間、空間及資源的限制。

三維地圖已有人構(gòu)思制作，但它最大的困難在于制作的建筑對(duì)象既繁多又龐大，若以傳統(tǒng)的實(shí)地勘查方式來制作相當(dāng)消耗資源，因此，現(xiàn)在的三維地圖模型大多是藉由招攬的方式，用招攬的方式讓世界各地的人分享自己制作的建筑模型，然后再合并這些對(duì)象制作而成。只是這種用招攬的方式缺乏規(guī)劃，雖然可以搜集到大量模型，但缺乏完整性，因此最后發(fā)展成由三維模型(地標(biāo))和二維地圖結(jié)合的半三維地圖。本文的特色在于除了節(jié)省時(shí)間和增加便利性外，它有一個(gè)較為完整的規(guī)劃，能完整地制作所需的區(qū)域。

1　3D擬真地圖制作規(guī)格與方法

本研究制作三維地形地物模型所使用的工具為3ds Max、Photoshop以及互聯(lián)網(wǎng)地圖。互聯(lián)網(wǎng)地圖是數(shù)據(jù)的來源。可以通過查看地圖記錄建筑和地形的外觀和尺寸，并從互聯(lián)網(wǎng)地圖擷取所需要的圖片。由于從互聯(lián)網(wǎng)地圖擷取的圖片往往都是歪歪斜斜的，因此需要利用Photoshop來修整圖片。3ds Max是建模工具，負(fù)責(zé)制作地形和景物的模型。模型的建置分成三部分，分別是建筑、地形以及地物。本文以臺(tái)灣義守大學(xué)為例制作3D擬真地圖。整個(gè)義守大學(xué)3D擬真地圖制作的過程是事先分別將各個(gè)模型的部分完成，然后再整合在一起，如圖1、圖2。三維地形地物模型分成三部分，分別是建筑、地形以及地物，如圖3所示。架構(gòu)分析如下。

圖1　3D擬真建模完成資料互動(dòng)流程圖

圖2　3D擬真建模完成模型互動(dòng)流程圖

圖3　3D擬真建模架構(gòu)階層圖

1.1建筑

制作建筑物的第一步，就是先上互聯(lián)網(wǎng)地圖尋找制作的對(duì)象(以臺(tái)灣義守大學(xué)科技大樓為例)，了解這個(gè)對(duì)象的外觀、特征以及比例尺寸(如圖4)。

了解并記錄建筑物對(duì)象的特征后，便可依據(jù)觀看時(shí)所記錄的數(shù)據(jù)使用3ds Max制作模型主體,如圖5。制作模型的方法有很多種，使用多邊形建?；蚴乔€建模都可以。

對(duì)象主體制作完成后需要“貼圖”才會(huì)有擬真效果，因此必須在地圖上截取需要的圖片(或是有雷同的圖亦可)進(jìn)行貼圖，要注意的是截下來的圖通常不是工整的(或可能是模糊的)，因此在貼圖前需要利用Photoshop處理圖片(如圖6)。

完成修圖后，將處理好的圖片依照記錄的數(shù)據(jù)貼到對(duì)象上即可(如圖7(a))。接著再完成剩余的零件(如屋頂、大門等，圖7(b))。完成的對(duì)象與實(shí)景比較如圖8所示。

圖4　Google地圖搜尋對(duì)象數(shù)據(jù)

圖5　制作建筑主體

(a)

(b)圖6　3D擬真物件貼圖

(a)

(b)圖7　3D擬真對(duì)象組件合成

圖8　3D物件實(shí)景圖

1.2地物

地物與建筑的建模方法基本相同。以網(wǎng)球場(chǎng)為例。首先，上互聯(lián)網(wǎng)尋找網(wǎng)球場(chǎng)的數(shù)據(jù)和圖片。然后，用Photoshop修飾圖片(如圖9)。最后，將模型建好貼上圖便完成(如圖10)。

圖9　網(wǎng)絡(luò)2D對(duì)象示意圖

圖10　3D擬真對(duì)象完成圖

1.3地形

地形的建置與上述兩者不同。由于有許多斜坡，必須調(diào)整高低差，因此，需首先利用地圖以及等高數(shù)據(jù)作為調(diào)整地形高低度的參考標(biāo)準(zhǔn)，接著以該參考模型來制作地形(如圖11) 。

圖11　等高地形示意圖

1.4合并建模

待地形完成后，即可將建筑和地物放入，再進(jìn)行調(diào)整完成整體地形地物3D模型(如圖12)。

1.5媒體動(dòng)畫制作

合并建模后的3D地圖，可依據(jù)腳本進(jìn)行相關(guān)動(dòng)畫制作，如圖13所示。

使用3ds Max建模及制作動(dòng)畫的優(yōu)點(diǎn)在于制作的流程相當(dāng)多樣化，相同的模型其制作的方法能夠依據(jù)個(gè)人的想法和創(chuàng)意來制作，配合設(shè)計(jì)者擅長(zhǎng)的做法和步調(diào)，提高建模的速度和擬真度。

圖12　子對(duì)象(地形、地物、建筑) 整合

2　3D擬真地圖應(yīng)用與優(yōu)劣分析

本建模流程較為費(fèi)時(shí)的部分有三：第一，對(duì)象的分析和紀(jì)錄。制作前必須充分了解建筑物的外觀、格局和特征，尤其是比例，由于在觀看地圖時(shí)，沒有實(shí)際大小的數(shù)據(jù)，因此須小心拿捏。第二，圖片的修改和收集。一個(gè)建筑物往往有許多圖需要處理，且建模的特效擬真皆由貼圖決定，因此需要依需求調(diào)整圖片。第三，檢查動(dòng)作。完成一個(gè)動(dòng)作后及時(shí)檢查比例、貼圖和細(xì)節(jié)。制作一個(gè)建筑需很多貼圖，各建模合并后所累積的貼圖量更為龐大，因此，合并后貼圖或比例錯(cuò)誤、細(xì)節(jié)疏忽的修改很麻煩[2]。本研究建立的3D建筑、地物及地形對(duì)象如表1。

完成上述對(duì)象后便可開始整合。先以地形作為一個(gè)方向以及位置的辨識(shí)基礎(chǔ)，再依序?qū)?D建筑置入。放入時(shí)地形和建筑是無法契合的，必須通過微調(diào)和改變才能使其結(jié)合。結(jié)合后，只要再將地物依照位置排放就可完成如圖14所示的3D地圖。

除了分開制作子對(duì)象再整合的方法之外，還可以建筑物為互聯(lián)網(wǎng)地圖方向和位置的依據(jù)，再從建筑物延伸出地形。該方法的好處是建筑物和地形一體成型，不用再做額外的地形建置與微調(diào)。

表1義守大學(xué)地形地物3D擬真物件表

3D建筑綜合教學(xué)大樓、科技大樓、理工大樓、活動(dòng)中心、體育館、國際學(xué)院、E咖啡地形人行道路、車道、大小廣場(chǎng)、階梯、坡道地物二一池、三二石、涼亭、游泳池、網(wǎng)球場(chǎng)、操場(chǎng)、籃球場(chǎng)、司令臺(tái)、戶外劇場(chǎng)、候車亭、大門、樹林

圖14　3D擬真地圖

本研究探討了傳統(tǒng)的3 D地圖建模架構(gòu)和以互聯(lián)網(wǎng)2D地圖建至擬真3D地圖架構(gòu)的優(yōu)劣。表2是傳統(tǒng)的3 D地圖建模架構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)2D地圖建至擬真3D地圖架構(gòu)的優(yōu)劣比較表。表2顯示制作過程中，以互聯(lián)網(wǎng)地圖作為藍(lán)圖來建模，有以下缺點(diǎn)：第一，互聯(lián)網(wǎng)地圖其實(shí)觀看的地方有限，它并非每個(gè)區(qū)域都會(huì)拍攝，這會(huì)造成建模上的缺失，而且互聯(lián)網(wǎng)地圖拍攝的角度也有限，這亦會(huì)使得高處的部分模糊或是建筑被其他的對(duì)象擋住，因此必須另外再搜集一些網(wǎng)絡(luò)的圖片來輔助。第二，互聯(lián)網(wǎng)地圖因拍攝時(shí)間不一，可能拍攝的是幾年前的建筑，會(huì)缺乏建筑的真實(shí)性，也會(huì)造成遠(yuǎn)近距離的景物不同的現(xiàn)象。

互聯(lián)網(wǎng)地圖的建模架構(gòu)沒有空間、時(shí)間的限制，取得數(shù)據(jù)也非常方便、快速，只要連結(jié)互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎便可取得，但也具有數(shù)據(jù)不完善，圖片的分辨率不佳及互聯(lián)網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性不足的缺點(diǎn)[3]。

表2實(shí)地勘查與網(wǎng)絡(luò)擷取數(shù)據(jù)比較

優(yōu)缺點(diǎn)實(shí) 地 勘 查互聯(lián)網(wǎng)地圖優(yōu)點(diǎn)1)對(duì)象的數(shù)據(jù)取得較為完整2)拍攝的照片較為工整、完整,且其分辨率較高1)無空間、時(shí)間的限制2)資料取得方便缺點(diǎn)1)有空間、時(shí)間的限制1)資料不完善2)需考慮源數(shù)據(jù)的時(shí)間性3)照片分辨率低

雖然以互聯(lián)網(wǎng)地圖作為建模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)還有缺陷，但網(wǎng)絡(luò)龐大的實(shí)景數(shù)據(jù)量足以彌補(bǔ)互聯(lián)網(wǎng)地圖的不足，因此，以在線數(shù)據(jù)作為3D擬真建?；A(chǔ)已成為數(shù)字內(nèi)容的發(fā)展趨勢(shì)。3D地圖的文件格式經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，可突破時(shí)間及空間的限制進(jìn)行諸多應(yīng)用。本文以3D動(dòng)畫的模式呈現(xiàn)其應(yīng)用結(jié)果，效果較為理想，如圖15所示。

圖15　擬真3D動(dòng)畫應(yīng)用

本3D擬真地圖制作架構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新處在于建模不受時(shí)空限制，以互聯(lián)網(wǎng)模型來說，大多是由當(dāng)?shù)厝酥谱骱蠓窒?，以互?lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來制作則不受距離的限制，即便是國外的建筑模型亦可制作[4]。此外，在地形設(shè)定上發(fā)現(xiàn)以衛(wèi)星拍攝的地形圖雖然擬真度高，但是其精確度卻不足，造成地形無法與建筑模型契合。由此可知，地形不能只靠衛(wèi)星拍攝，還必須如同本制作架構(gòu)，將地形視為一個(gè)三維的模型，利用衛(wèi)星拍圖、等高線地形圖等資料來建構(gòu)。目前一般三維地圖是將三維建筑配合衛(wèi)星拍攝來建構(gòu)，以上空俯視的擬真度來說的確良好，但若以縮小的視角去瀏覽反而三維的效果會(huì)差許多，這是由于地圖只有建筑物和地形，并無其他相關(guān)地物作視覺搭配，因此三維地圖還是需要地物去輔助內(nèi)容。使用本制作將3D建模技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)地圖結(jié)合，除保持一定的擬真程度外，地圖內(nèi)容包含了完整的地形、地物與建筑物，且制作過程不受時(shí)間和空間的影響，使該3D擬真模型更能運(yùn)用于其他相關(guān)用途，而不僅限于一般地圖的使用(見表3)。

表3子對(duì)象的作用與影響

物件影 響建筑作為建模象征,為一模型的辨識(shí)特征,是三維地圖的主體地形作為建?；A(chǔ),影響整個(gè)建模的配置和方向地物作為建模輔助,輔助其擬真程度,提高實(shí)景游覽的真實(shí)性

3　結(jié)論

目前雖然已使用虛擬現(xiàn)實(shí)來建造相關(guān)的3D擬真環(huán)境，但3D擬真地圖的制作仍然還在不斷探索和發(fā)展中[5]。本研究期望在未來能排除距離與時(shí)空因素，使用網(wǎng)絡(luò)2D實(shí)景數(shù)據(jù)快速地建構(gòu)出實(shí)時(shí)的3D擬真地圖。本研究開發(fā)的3D擬真地圖制作架構(gòu)使用互聯(lián)網(wǎng)取得Google 2D實(shí)景地圖作為基礎(chǔ)資料，快速地建出實(shí)時(shí)的3D擬真對(duì)象及三維地形地物圖，整合建構(gòu)出所需的3D擬真地圖。這項(xiàng)技術(shù)可利用在多方位的媒體設(shè)計(jì)上，甚至可作為救災(zāi)防災(zāi)及司法單位治安維持的參考工具。

[1]陳鴻泰.以多視景虛擬現(xiàn)實(shí)建立網(wǎng)際三維地理信息系統(tǒng)之研究[D].高雄：臺(tái)灣中山大學(xué)，2001.

[2]賀雪晨.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2012.

[3]洪炳镕,蔡則蘇,唐好選.虛擬現(xiàn)實(shí)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[4]江高舉.3ds max 8造型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006:1-5.

[5]盛昀,朱學(xué)忠.數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的研究[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2004(4):361-363.

責(zé)任編輯：莊亞華

Internet 2D live-action turn photorealistic 3D map structure analysis

3D simulation map was constructed mainly through converting the practical sight of 2D plane data into 3D simulation map by using 3ds Max,Photoshop and 2D network reality sight.The process started with gathering practical sight of 2D plane data,and went on to make 3D models with 3D texture mapping to increase the simulation precision by using 3ds Max.Making 3D simulation map by applying 2D network reality sight had advantages like no time and space limit,higher fidelity and greater adaptability to media design as important elements.

media design；photorealistic 3D map；Internet

10.3969/j.issn.1671-0436.2016.04.007

2016- 05- 03

福建省教育廳課題(JAS150550)；三明學(xué)院社科課題(A201406/Q)

王濤(1985—)，男，講師。

TP391.41

A

1671- 0436(2016)04- 0028- 06