范葛芹，周榮生，盧其飛

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

基于Google SketchUp的數(shù)字化校園三維建模技術(shù)的研究

范葛芹，周榮生，盧其飛

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

以南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院為例，著重研究了基于Google SketchUp的數(shù)字校園三維建模技術(shù)，并利用其與Google Earth和AutoCAD等軟件之間具有良好的交互性的優(yōu)勢(shì)，著重闡述了Google SketchUp在數(shù)字化校園三維建模方面具有強(qiáng)大功能和特點(diǎn)以及在校園三維電子地圖等實(shí)際研究中的應(yīng)用。

Google SketchUp；AutoCAD；三維建模；應(yīng)用

0 引言

為了滿足人們能夠更加便捷和直觀的了解學(xué)校的規(guī)模、建筑設(shè)施、學(xué)校環(huán)境等方面的需求，數(shù)字化校園應(yīng)運(yùn)而生。在數(shù)字化校園的構(gòu)建中，校園三維建模占著非常重要的地位，構(gòu)建校園三維模型的方法也有很多種，目前主要應(yīng)用于校園三維建模的方法有:基于攝影技術(shù)測(cè)量的校園三維建模、二維GIS(2D GIS)輔助下的校園三維建模、AutoCAD與3DS MAX結(jié)合的校園三維建模[1]、利用Google SketchUp進(jìn)行校園三維建模。與前三種建模方式相比較而言，利用Google SketchUp進(jìn)行校園三維建模具有操作簡(jiǎn)單、易于掌握，節(jié)省物力等優(yōu)勢(shì)。

1 Google SketchUp的簡(jiǎn)介

Google SketchUp是一款三維設(shè)計(jì)軟件是由@last softwart公司所開(kāi)發(fā)的一套直接面向地形三維數(shù)據(jù)建模的建模設(shè)計(jì)工具。因其具有獨(dú)特簡(jiǎn)潔的界面，應(yīng)用范圍廣泛以及易于掌握等優(yōu)勢(shì)歷來(lái)深受廣大設(shè)計(jì)師的青睞。其建模過(guò)程不僅能夠充分表達(dá)地形特征而且完全滿足地形細(xì)貌，地物細(xì)微特征的要求，它使得設(shè)計(jì)師們直接在計(jì)算機(jī)上十分直觀的構(gòu)建地形模型，并且構(gòu)建的模型具有較高的準(zhǔn)確性[2]。

2 三維建模的過(guò)程

以南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院為例進(jìn)行三維建模方法的講解。在校園三維建模過(guò)程中，首先要獲取校園三維建模的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行校園建模以及后期處理。校園建模一般分為地形建模和地物建模這兩方面。本文采用的校園三維建模數(shù)據(jù)是原始校區(qū)的設(shè)計(jì)圖紙及文檔資料，將原始校區(qū)的CAD圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入Google SketchUp中，利用Google SketchUp中的推拉工具構(gòu)建校園模型的外輪廓，按照“從大到小，從粗到細(xì)，從整體到局部”的方法對(duì)校園三維建筑模型進(jìn)行一一的構(gòu)建。然后收集校園建筑模型的紋理數(shù)據(jù)，對(duì)校園建筑模型進(jìn)行紋理貼圖，使得模型更加的逼真。依據(jù)對(duì)建好的校園模型用途的不同，可以對(duì)最后整合好的校園模型進(jìn)行渲染出圖，這種情況一般應(yīng)用于校園電子地圖。或是在Google SketchUp中利用“視圖-動(dòng)畫(huà)”這一功能制作校園動(dòng)畫(huà)漫游，這一般應(yīng)用于對(duì)校園的觀光和介紹。

2.1 數(shù)據(jù)獲取的方法

在校園三維建模中，一般需要獲取建筑物地形圖數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)這三大塊，它們是校園建模的基礎(chǔ)。當(dāng)然獲取這些數(shù)據(jù)也有許多不同的方法，建模者一般可以通過(guò)以下這些方法來(lái)獲得所需要的數(shù)據(jù)：攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、城市數(shù)字地圖、原始校區(qū)的設(shè)計(jì)圖紙以及文檔資料、利用Google Earth提供的免費(fèi)影像[3]。一般情況下，城市數(shù)字地圖與原始校區(qū)的設(shè)計(jì)圖紙以及文檔資料應(yīng)用于建筑物地形圖數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)的收集；攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和Google Earth提供的免費(fèi)影像應(yīng)用于模型的紋理數(shù)據(jù)的收集。

在本次研究中對(duì)校園三維建模數(shù)據(jù)的收集主要采用的是原始校區(qū)的設(shè)計(jì)圖紙以及文檔資料和攝影測(cè)量數(shù)據(jù)這兩種方法，并且利用Google Earth提供的免費(fèi)影像這一技術(shù)加以輔助。

上這三種三維建模數(shù)據(jù)收集的方法在建模中省去了大量的人力和物力，大大提高了工作效率，并且提高了建模的精確度。

2.2 地形建模的方法

在校園三維建模中，地形建模是非常重要的部分。地形既有造景的功能又有作為景觀的功能，它是體現(xiàn)校園特征的重要表現(xiàn)方式。在沒(méi)有獲得地形準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情況下，建模者可以利用工程測(cè)量方法來(lái)構(gòu)建三維地形，如利用傳統(tǒng)的側(cè)角、量邊方法進(jìn)行碎步測(cè)量，將碎步數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入cass軟件中生成等高線，然后與Google SketchUp和Google Earth相結(jié)合來(lái)進(jìn)行構(gòu)建三維仿真地形[4]。不過(guò)在有AutoCAD圖的基礎(chǔ)上最好利用AutoCAD圖，依照AutoCAD這種方法建出的三維地形不僅具有一定的精確度，并且會(huì)減少大量的人力和物力的消耗以及會(huì)大大的提高三維建模的工作效率。在本次研究中，制作三維地形時(shí)采用的便是利用精確的AutoCAD圖來(lái)構(gòu)建三維地形，采用的是先進(jìn)行局部構(gòu)建然后進(jìn)行整合的方法，首先將所需的地形CAD圖導(dǎo)入Google SketchUp中，具體做法：“打開(kāi)Google SketchUp的工作界面，將單位改成mm，點(diǎn)擊文件菜單下的導(dǎo)入功能，然后打開(kāi)拓展名為（*.dwg,*.dxf）的文件，點(diǎn)擊關(guān)閉，即可完成導(dǎo)入AutoCAD圖這一操作功能?！保ㄔ贏utoCAD進(jìn)行導(dǎo)入之前要對(duì)AutoCAD建模數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，詳細(xì)講解見(jiàn)下文2.4.1章節(jié)）然后利用Google SketchUp中的網(wǎng)格和沙盒工具對(duì)已導(dǎo)入到Google SketchUp中的線形進(jìn)行編輯。具體做法：“將導(dǎo)入到Google SketchUp中的AutoCAD圖進(jìn)行由線到面的編輯，利用封面的插件或是手動(dòng)封面。然后利用投影工具將地形投影到網(wǎng)格上，利用推拉工具按照等高線的高程來(lái)對(duì)地形進(jìn)行調(diào)整，最后利用軟化功能對(duì)地形進(jìn)行軟化處理，使地形更加平緩，更加現(xiàn)實(shí)化?！?/p>

2.3 地物建模的方法

地物模型是體現(xiàn)校園真實(shí)感建模最為關(guān)鍵的部分，所以地物建模這一塊是最為重要和最耗時(shí)的地方。在本次研究中采用的是原始校區(qū)的設(shè)計(jì)圖紙，這在建模的精確度和便捷度上給我們提供了很大的幫助，并且大大的提高了工作效率。為了能夠更加清楚明了的闡述三維建模的過(guò)程，便以南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院宿舍2號(hào)樓建模的過(guò)程為例來(lái)對(duì)校園三維建模地物建模這一塊來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的講解。

（1）對(duì)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理

本文中充分利用了Google SketchUp與AutoCAD具有良好的交互性這一優(yōu)勢(shì)，不僅確保建模的精確性并且降低了建模者在三維建模方面的時(shí)間和精力。在Google SketchUp中建模時(shí)，如在（2.2節(jié)）中地形的構(gòu)建中所講：首先使用Google SketchUp中“文件”菜單下“導(dǎo)入”的功能將所需建模的AutoCAD數(shù)據(jù)導(dǎo)入Google SketchUp中，但是為了導(dǎo)入Google SketchUp中的AutoCAD數(shù)據(jù)能夠順利的完成建模，我們需要對(duì)AutoCAD建模數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[4]，大致有以下幾個(gè)方面：刪除與建模無(wú)關(guān)的信息，如圖案填充、文字、尺寸標(biāo)志等；編輯線條。刪除重復(fù)的線條，將粗線全部炸開(kāi)為單線；修改圖形屬性。將圖形的寬度和z軸值均設(shè)為0；

合并清理圖層。將所有圖形都放到一個(gè)圖層中。清理未使用的圖層；要對(duì)AutoCAD進(jìn)行封閉。一般將要導(dǎo)入Google SketchUp中的AutoCAD改成單線以及進(jìn)行封閉，封閉后的AutoCAD圖導(dǎo)入Google SketchUp中后進(jìn)行分解后，只要用一根線進(jìn)行連接，整個(gè)面便可封閉，這樣大大減少了后期在Google SketchUp中建模的工作量；尺寸單位統(tǒng)一。將AutoCAD圖都變成1：1的比例，單位為mm.加載AutoCAD圖形的時(shí)候，SketchUp中的單位也設(shè)成mm；在CAD導(dǎo)入Google SketchUp中不僅單位要改成mm，同時(shí)要勾選“保持繪圖原點(diǎn)”。

（2）模型的建立

導(dǎo)入AutoCAD圖。首先找到2號(hào)宿舍樓的AutoCAD的底面圖，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，將預(yù)處理過(guò)的AutoCAD底面圖導(dǎo)入Google SketchUp中，具體操作：打開(kāi)SketchUp操作界面，修改單位為mm，點(diǎn)開(kāi)“文件”菜單下的“導(dǎo)入”，打開(kāi)拓展名為（*.dwg,*.dxf）的文件，點(diǎn)擊關(guān)閉，即可完成AutoCAD導(dǎo)入這一操作功能?！?/p>

進(jìn)行封面。對(duì)導(dǎo)入到Google SketchUp中的AutoCAD圖進(jìn)行分解，對(duì)分解后的圖形進(jìn)行封面，因?yàn)樵陬A(yù)處理中對(duì)AutoCAD已經(jīng)進(jìn)行封閉，所以只需要用線將面進(jìn)行連接，即可完成封面工作。

高程建模。對(duì)已經(jīng)封閉的底面圖，利用推拉工具（快捷鍵p）按照AutoCAD圖中所給的高程進(jìn)行推拉，具體操作：在鍵盤(pán)中點(diǎn)擊快捷鍵P,即出現(xiàn)推拉工具的圖標(biāo)，將推拉工具放置要推拉的底面上，在Google SketchUp界面的右下角“距離”框中輸入建筑推拉所需的高程，2號(hào)宿舍樓的高程為23.500 mm,在“距離”框中輸入2號(hào)樓的高程即可完成高程建模這一步驟（如圖1）。

圖1 宿舍區(qū)2號(hào)樓白模

（3）對(duì)模型進(jìn)行表面處理

如圖1所示，已經(jīng)拉出宿舍區(qū)2號(hào)樓的白模，在白模的基礎(chǔ)上要對(duì)白模進(jìn)行表面處理，如加上門(mén)窗，樓梯等方面的表面紋理。首先對(duì)窗戶的處理，在處理窗戶時(shí)要比建白模精細(xì)的多，這里更加需要AutoCAD的精確數(shù)據(jù)與Google SketchUp的結(jié)合。具體操作：在AutoCAD中測(cè)量窗戶的位置、長(zhǎng)度、寬度；返回Google SketchUp中利用卷尺工具（快捷鍵T）在模型上進(jìn)行上下左右的拖拽來(lái)確定窗戶的位置，用直線工具（快捷鍵L）對(duì)確定的窗戶位置進(jìn)行繪制成面，最后利用推拉工具（快捷鍵p）參考AutoCAD數(shù)據(jù)對(duì)窗戶面進(jìn)行推拉。依次重復(fù)對(duì)窗口位置進(jìn)行推拉，直至最后完成窗戶的繪制；完成窗戶的繪制后便對(duì)樓梯進(jìn)行繪制：樓梯分為梯身和扶手這兩個(gè)方面，樓身分為踢面和踏面，這部分主要是參考AutoCAD數(shù)據(jù)然后利用推拉工具進(jìn)行繪制，只要繪制好一層，利用復(fù)制功能一層一層的復(fù)制即可。扶手部分則利用圓形工具（快捷鍵C）、推拉工具（快捷鍵P）結(jié)合旋轉(zhuǎn)工具（快捷鍵Q）進(jìn)行繪制。在窗戶與樓梯繪制完善后，對(duì)宿舍2號(hào)樓表面的處理也已經(jīng)完成。

在對(duì)地物進(jìn)行表面處理時(shí)（包括2號(hào)宿舍樓表面的處理）需要一提的是我們主要對(duì)建筑的南面和東面進(jìn)行了表面處理，北面和西面則采用省略的方法，采用這樣的方法原因有二：第一，從實(shí)際研究應(yīng)運(yùn)方面來(lái)說(shuō)；進(jìn)行本次校園三維模型建立的最終目的是應(yīng)用到校園電子地圖當(dāng)中，在校園電子地圖中已經(jīng)定好出圖的角度便是西南方，所以西北方根本不需要進(jìn)行繪制，這樣可以減少大量的多余工作，提高工作效率；第二，從計(jì)算機(jī)運(yùn)營(yíng)方面:在Google SketchUp中盡量減少物體面的構(gòu)建，線和面越多越會(huì)增加計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，為了減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，避免后期渲圖時(shí)出現(xiàn)計(jì)算機(jī)承擔(dān)不了模型運(yùn)行的負(fù)荷，導(dǎo)致崩盤(pán)的現(xiàn)象，所以采用西北表面進(jìn)行省略的處理方法則是一個(gè)必要的決定。2號(hào)宿舍樓在完成表面處理后，這也是這座建筑在建模方面的最后階段，從這座建筑中可以看出利用Google SketchUp進(jìn)行校園三維建模可以滿足對(duì)地物細(xì)微特征繪制的這一要求（如圖2）。

圖2 女生宿舍2號(hào)樓模型表面處理效果圖

2.4 紋理的貼圖

為了使三維數(shù)字校園更具有真實(shí)性和美觀性，紋理貼圖則是校園三維建模必不可少的部分。在建筑物表面紋理貼圖資料采集的過(guò)程中主要采用的方法是攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和利用通過(guò)Google SketchUp從Google Earth中獲取校園影像的功能這兩種方法。由于Google Earth提供影像數(shù)據(jù)的分辨率通常為30m,無(wú)法或得高清的影像資料，所以一般在相機(jī)無(wú)法拍攝到的地方利用Google Earth提供影像數(shù)據(jù)：如建筑的屋頂；主要采用攝影測(cè)量數(shù)據(jù)這一方法來(lái)采集建筑物表面紋理貼圖資料，攝影測(cè)量數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量而獲得的數(shù)據(jù)，可以提供豐富的紋理和幾何數(shù)據(jù)，在拍攝時(shí)要選擇最佳的角度，先進(jìn)行局部拍攝，后期在phtoshop中進(jìn)行修補(bǔ)和無(wú)縫處理，最后在Google SketchUp中進(jìn)行材質(zhì)優(yōu)化。在對(duì)于道路、樹(shù)木、河流、草坪等建筑構(gòu)筑物方面一般采用的是Google SketchUp中自帶的材質(zhì)紋理[5]。為了使地物建模過(guò)程更加簡(jiǎn)潔明了，便制作了地物建模的流程圖（如圖3）。

圖3 地物建模流程圖

3 場(chǎng)景優(yōu)化

3.1 添加輔助建筑

為了使整個(gè)校園三維模型場(chǎng)景更加形象逼真，還需要對(duì)校園中的河流，路燈，植物配置，廣場(chǎng)，長(zhǎng)廊，大門(mén)等輔助設(shè)施進(jìn)行建模。本次校園三維建模的目的是應(yīng)用于校園電子地圖，最終所需的是一張高清校園三維模型的效果圖，于是在添加輔助建筑中，植物配置、路燈等輔助建筑是在phtoshop中進(jìn)行添加的，目的為了減少計(jì)算機(jī)的運(yùn)行功率，提高計(jì)算機(jī)的工作效率同時(shí)也達(dá)到了校園植物配置場(chǎng)景優(yōu)化的要求。

3.2 添加光影效果

添加光影是場(chǎng)景優(yōu)化中不可缺少的部分，Google SketchUp具備“全球地理坐標(biāo)定位”和強(qiáng)大“光影分析”功能，Google SketchUp的光影是太陽(yáng)光，光影效果添加的方法是點(diǎn)擊Google SketchUp菜單欄“窗口”下“陰影”命令，便會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)陰影的工具欄，陰影的調(diào)節(jié)可以具體到某天某時(shí)，可以模擬建筑物在特定時(shí)間和地域下的日照陰影效果，還可以顯示三維模型在霧化天氣的效果，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景[6]，光影效果使得校園三維模型更加形象逼真。

3.3 渲染出圖

在對(duì)Google SketchUp中模型進(jìn)行渲染時(shí)，vray和lumion渲染器都是很好的選擇對(duì)象，vray偏向室內(nèi)，做景觀lumion優(yōu)勢(shì)要更強(qiáng)一點(diǎn)，Lumion具有入門(mén)簡(jiǎn)單、渲染時(shí)間快、陰影逼真等優(yōu)勢(shì)，在校園三維建模中需要對(duì)校園環(huán)境和建筑表面進(jìn)行大量的渲染，綜合考慮在本此研究中采用了lumion渲染器。在渲染出圖時(shí)，遇到了比較棘手的事情，由于在Google SketchUp中構(gòu)建的校園三維模型是按照一比一真實(shí)比例進(jìn)行建模。所以構(gòu)建的校園三維模型很大以至于無(wú)法正常的轉(zhuǎn)換成高清的圖片。為解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)小組討論以及老師的點(diǎn)撥后，決定采取分區(qū)域?qū)С?，然后在phtoshop中進(jìn)行“拼圖”完善的方案，在出圖的過(guò)程中為了避免圖片轉(zhuǎn)換時(shí)變動(dòng)模型的角度和視覺(jué)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致最后在phtoshop中拼圖產(chǎn)生誤差，解決方案是在Google SketchUp中添加場(chǎng)景以固定導(dǎo)圖時(shí)的角度并最終完成了校園三維模型的效果圖（如圖4）。

圖4 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院校園三維模型效果圖

4 數(shù)字化校園三維模型在實(shí)際研究中的應(yīng)用

4.1 數(shù)字化校園三維模型在校園三維電子地圖中的應(yīng)用

校園建模在校園三維電子地圖中占著非常重要的部分，校園三維電子地圖是運(yùn)用Google SketchUp建模技術(shù)與Lumion的后期效果處理技術(shù)的結(jié)合，這二者相結(jié)合完成數(shù)字化校園地圖的基本模型，轉(zhuǎn)換為具有三維效果的二維矢量圖片，最后在運(yùn)用計(jì)算機(jī)API接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有二維平面地圖的二次開(kāi)發(fā)，并嘗試搭建數(shù)字化校園3D電子地圖服務(wù)后臺(tái)。從校園三維電子地圖建立的具體流程中可以清楚的看出校園三維電子地圖的制作過(guò)程和校園三維建模在校園三維電子地圖制作中的重要性（如圖5）。

圖5 校園三維電子地圖制作流程圖

5 小結(jié)

經(jīng)過(guò)本文利用Google SketchUp對(duì)校園建模的描述，可以發(fā)現(xiàn)利用Google SketchUp建模具有很多優(yōu)勢(shì)如：Google SketchUp功能強(qiáng)大，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，使用者容易掌握，能極大的節(jié)約建模時(shí)間，提高工作效率； Google SketchUp與其他的軟件具有良好的交互性，如Google Earth、AutoCAD、Cass等軟件，大大提高了三維數(shù)字建模的工作效率；利用CAD為Google SketchUp提供的建模數(shù)據(jù)，大大降低了生產(chǎn)成本并且保證了建模的精確度；Google SketchUp數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量相對(duì)較少并且可以進(jìn)行三維模型共享，這對(duì)數(shù)字城市、自然保護(hù)區(qū)，城市規(guī)劃參考等方面具有很重要的參考功能。隨著人們需求不斷的提高數(shù)字化校園將會(huì)不斷的應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中來(lái)，Google SketchUp的數(shù)字化校園三維建模也會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

[1] 李水祥, 洛佳男, 李佳興, 李琳慧, 張雪松. 基于Google SketchUp的三維電子地圖制作與發(fā)布[J]. 華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 02:329-333.

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[4] 張瑞菊. SketchUp結(jié)合GoogleEarth在虛擬校園中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2013, S1:271-272+297.

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Research on 3D Modeling Technology of Digital Campus Based on Google SketchUp

FAN Ge-qin, ZHOU Rong-sheng, LU Qi-fei
(Nanjing University of Science and Technology Taizhou College, Jiangsu 225300, China)

taking Nanjing University of Science and Technology Taizhou College as an example, focuses on the 3D modeling technology of digital campus Google based on SketchUp, and using Earth and Google and the AutoCAD software has a good interactive advantage, focuses on the Google SketchUp has powerful function and characteristics in the digital campus 3D modeling and application in 3D campus map of practical research.

Google sketchUp; AutoCAD; 3D modeling; Application

TP391.72

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.01.012

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201613842013Y)

范葛芹(1993-)，女，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)；周榮生(1994-)，男，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)；盧其飛(1995-)，男，南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)。

本文著錄格式：范葛芹，周榮生，盧其飛. 基于Google SketchUp的數(shù)字化校園三維建模技術(shù)的研究[J]. 軟件，2017，38（1）：53-57