胡軍強(qiáng)

（福建江夏學(xué)院，福州 350108）

0 引言

2006年3月，Google公司推出了完全免費(fèi)的Google Sketch Up建模軟件。該建模軟件是一個(gè)建筑草圖軟件，能使用戶快速建立簡(jiǎn)單的3D建筑模型（Collada模型），而且它還包含了一個(gè)插件，允許Google Earth用戶直接將Collada模型導(dǎo)入Google Earth中，并與Google Earth中的三維地形數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的構(gòu)建。

然而，Google Sketch Up對(duì)規(guī)則構(gòu)造物（如建筑模型）的建模較為方便，而在制作線形復(fù)雜多變的模型時(shí)則較為煩瑣。因此，建立復(fù)雜的Collada模型可以借助于建模功能強(qiáng)大的3ds Max，Maya等進(jìn)行建模，然后轉(zhuǎn)換為Collada模型。

本文以此為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)分析如何利用當(dāng)前格式的3D模型向Collada模型轉(zhuǎn)換。

1 三維模型轉(zhuǎn)換方法

1.1 三維模型轉(zhuǎn)換方法研究

目前，對(duì)各種各樣三維數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換方法有很多，主要分為2種類型：商業(yè)的模型轉(zhuǎn)換工具和自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)換程序。

商業(yè)的模型轉(zhuǎn)換軟件如3D Trans Vidia、Converter、3D Explorer等簡(jiǎn)單易用，效率很高，然而在轉(zhuǎn)換3D文件的時(shí)候，只能保存和轉(zhuǎn)換模型的幾何信息，而所有的紋理信息則在轉(zhuǎn)換過(guò)程中全部丟失［1］。

自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)換程序的主要原理是：將被轉(zhuǎn)換的三維數(shù)據(jù)通過(guò)解析程序提取關(guān)鍵要素，然后按要求轉(zhuǎn)化為其它三維數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)鍵元素并構(gòu)建虛擬系統(tǒng)。然而，有些三維軟件如3Ds Max生成的文件格式難以被程序全部解析，而且依靠解析文件獲取建模信息的方法最終并沒(méi)有生成三維模型［2］；利用3Ds Max中模型數(shù)據(jù)的方法是將其導(dǎo)出為3DS、VRML、OBJ等文件格式，然后在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中解析這些文件格式，但這種方法在導(dǎo)出過(guò)程中模型信息不能被全部保存，會(huì)損失部分模型信息［3］。

Google Earth構(gòu)建的虛擬環(huán)境中的模型只能是Collada模型或kmz文件（包含有Collada模型與kml文件），而3Dtrans Vidia等軟件不支持Collada模型與kmz文件，難以符合虛擬環(huán)境所需三維模型的要求；程序轉(zhuǎn)換模式中的幾種方法都是通過(guò)提取三維模型中的關(guān)鍵元素而重建虛擬系統(tǒng)，最終并沒(méi)有生成三維模型，也不適用于本虛擬系統(tǒng)的需求。因此，筆者選擇通過(guò)三維建模軟件多次轉(zhuǎn)換方式生成Collada模型或kmz文件。

1.2 三維模型轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)

綜合三維模型轉(zhuǎn)換方式的優(yōu)點(diǎn)與本論文模型轉(zhuǎn)換的目的，本節(jié)設(shè)計(jì)一種三維模型轉(zhuǎn)換方案，如圖1所示。其中，各種DCC（Dimension Content Creator三維內(nèi)容制作軟件）生成的模型首先轉(zhuǎn)化成通用的3D交互格式，然后經(jīng)三維模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并修改后生成kmz文件（包含有kml文件與Collada模型）。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是指具體的三維建模轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于原模型格式不同，具體的轉(zhuǎn)換過(guò)程也不同。

本文設(shè)計(jì)圖1所示方案將不同格式的三維模型轉(zhuǎn)換生成Collada模型，其理由如下：3DS文件都是比較通用的3D交換格式。3Ds Max、Maya等軟件創(chuàng)建的原文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其文件直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化將會(huì)十分困難。在其轉(zhuǎn)化前先進(jìn)行模型預(yù)處理，即轉(zhuǎn)化為文件格式相對(duì)簡(jiǎn)單的VRML文件或者3DS文件。這2種格式作為中介進(jìn)行三維建筑模型的轉(zhuǎn)化將大大提高轉(zhuǎn)化效率［4］。

圖1 三維模型轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)圖

2 模型轉(zhuǎn)換流程

三維數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)換模式就是通過(guò)三維軟件系統(tǒng)自己建立的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這種模式下，異構(gòu)數(shù)據(jù)格式經(jīng)專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后復(fù)制到當(dāng)前系統(tǒng)文件中［5］。本文即以這種轉(zhuǎn)換模式將Maya生成的OBJ模型轉(zhuǎn)換為Collada模型（即kmz文件）。

2.1 轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)對(duì)三維模型轉(zhuǎn)換方法與方案的研究，筆者設(shè)計(jì)了一種3DS－Collada三維模型轉(zhuǎn)換的具體流程。圖2為轉(zhuǎn)換流程圖。

圖2 轉(zhuǎn)換流程圖

下面對(duì)轉(zhuǎn)換流程中用到的三維建模工具和三維模型格式做個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

（1）Maya創(chuàng)建的原始文件OBJ文件為文本類型，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，保存的是一些多邊形的信息，諸如頂點(diǎn)幾何坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)，點(diǎn)與點(diǎn)如何連線組成線、面等等，所以適合在應(yīng)用程序中讀取或進(jìn)行3D文件格式轉(zhuǎn)換［1］。

（2）3Ds Max可導(dǎo)入OBJ文件，經(jīng)過(guò)對(duì)OBJ模型進(jìn)行UV貼圖等調(diào)整后，可導(dǎo)出生成3DS文件。3DS也是一種三維模型交換格式。

（3）kmz是符合zip壓縮的文件格式，kmz文件比kml文件功能強(qiáng)大，可以包含kml文件及Collada模型文件的信息。解壓后文件的典型結(jié)構(gòu)如下圖3所示。在doc.kml中存放kml描述，在Textures.txt存放紋理數(shù)據(jù)，在models文件夾中存放模型（DAE模型、位圖等）。Python語(yǔ)言自帶有zip壓縮模塊Zip File，可以很方便地實(shí)現(xiàn)zip壓縮。

（4）Collada文件是Google Earth4采用三維模型文件格式，其后綴為dae。當(dāng)從Sketch Up中直接獲取模型時(shí)，模型即以此文件格式存放。對(duì)于需要重復(fù)構(gòu)建的模型，可以通過(guò)一次建模，然后借助在kml文件中對(duì)ID號(hào)的引用實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)例的顯示。

圖3 KMZ文件夾結(jié)構(gòu)圖

2.2 轉(zhuǎn)換具體步驟

3DS－Collada三維模型轉(zhuǎn)換流程中包括2個(gè)主要轉(zhuǎn)換步驟，下面針對(duì)這2個(gè)步驟具體操做過(guò)程作個(gè)介紹。

2.2.1 OBJ－3DS轉(zhuǎn)換

Maya軟件建模所得的原始模型為OBJ格式，導(dǎo)入3Ds Max中進(jìn)行坐標(biāo)微調(diào)與UV貼圖后，可導(dǎo)出3DS格式的模型。這一步驟成敗的關(guān)鍵在于如何正確在3Ds Max給OBJ模型重新進(jìn)行UV貼圖。

UV貼圖是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的術(shù)語(yǔ)，三維空間中的X、Y、Z坐標(biāo)用來(lái)描述空間位置，而UV用來(lái)描述貼圖的位置。因?yàn)橘N圖都是一張平面圖粘附到一個(gè)幾何形體上的，UV用來(lái)表述該平面圖與幾何形體的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3D貼圖實(shí)際上是將二維圖形貼到三維物體上，所以為了控制二維圖形在三維物體上的位置，定義了貼圖坐標(biāo)，U與X對(duì)應(yīng)，V與Y對(duì)應(yīng)。

對(duì)OBJ文件進(jìn)行UV貼圖時(shí)可能會(huì)碰到以下問(wèn)題，應(yīng)該注意：

（1）在材質(zhì)球上添加棋盤格，從模型上顯示，在一系列的UV（黑白的棋盤格）中，所有的表面都必須有同樣的尺寸，因此，當(dāng)瀏覽模型時(shí)，那些小方塊應(yīng)該是相同大小的。另外，也應(yīng)該盡量避免拉伸。棋盤格應(yīng)該越接近正方形越好。Maya和3Ds Max中的unflod功能可以幫助實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

（2）在貼圖中，貼圖的空間應(yīng)該充分利用。所以要盡量找到最好的UV排列方法將UV排滿。

（3）盡最大努力把模型邊緣連接好，這樣才能避免貼圖的接縫問(wèn)題。同時(shí)在剪開(kāi)UV的時(shí)候要注意接縫的位置。

（4）UV最好不要重疊，不要超出UV編輯框。

（5）UV貼圖必須同OBJ模型放在同一個(gè)文件夾下，否則導(dǎo)出的3DS模型沒(méi)有質(zhì)材。

2.2.2 3DS－kmz

3DS模型導(dǎo)入Sketch Up中之后，可能要對(duì)模型做一些修改和調(diào)整，才能生成符合Google Earth環(huán)境的三維模型，方法如下。

（1）修改建筑物。大多建筑物的模型頂部都沒(méi)有進(jìn)行貼圖，可能因?yàn)轫敳坎馁|(zhì)難以采集，也有可能是大多漫游都不會(huì)看到頂部，所以為了減小模型的數(shù)量，頂部省略了材質(zhì)貼圖。屋頂紋理借助Google Earth抓圖解決，導(dǎo)入的模型可以在Sketch Up中再次貼圖。

（2）調(diào)整模型大小。轉(zhuǎn)換后的模型大小不一定與Google Earth中的環(huán)境匹配，因此模型在上載到Google Earth之前必須調(diào)整大小。在Google Earth確定好模型所處位置，通過(guò)GE接口導(dǎo)入一個(gè)當(dāng)前視口中的圖像，模型根據(jù)圖像所顯示的位置大小進(jìn)行調(diào)整。

由于Google Earth圖像僅提供構(gòu)造物的平面信息，而不具有高程信息，因此簡(jiǎn)易的建筑模型高度應(yīng)與建筑平面尺寸保持相應(yīng)的比例關(guān)系，以滿足建筑物的實(shí)際體量。最后通過(guò)建筑物實(shí)際高度、實(shí)物與模型比例來(lái)確定模型的高度。

3 三維模型的實(shí)現(xiàn)

3.1 模型轉(zhuǎn)換案例

為了驗(yàn)證該方案的正確性，作者按照上節(jié)三維模型轉(zhuǎn)換方案中的流程步驟轉(zhuǎn)換了大量的三維模型。本文用某大學(xué)“數(shù)字校園”項(xiàng)目中Maya創(chuàng)建的OBJ模型作為數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為Collada模型，最后導(dǎo)入Google Earth中，如圖4是導(dǎo)入Google Earth中的教學(xué)樓模型。

圖4 Google Earth中教學(xué)樓模型

圖5 導(dǎo)入?yún)?shù)顯示圖

3.2 模型轉(zhuǎn)換分析

當(dāng)3DS文件在Sketch Up中打開(kāi)時(shí)，模型中某些數(shù)據(jù)可能會(huì)丟失，比如材質(zhì)、貼圖等數(shù)據(jù)。以Maya模型8hl.3ds為例，導(dǎo)入后會(huì)彈出對(duì)話框，如圖5所示，對(duì)話框中顯示不能生成8 HL.JPG貼圖與01－Default材質(zhì)。

主要原因是在OBJ－3DS轉(zhuǎn)換過(guò)程中，OBJ模型的貼圖出現(xiàn)了問(wèn)題。改正的方法是重新對(duì)該OBJ文件進(jìn)行UV貼圖。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在的3D文件資源十分豐富，要充分利用這些資源，文件格式的轉(zhuǎn)換就必不可少。本文對(duì)Google Earth中Collada模型的轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)與嘗試性的實(shí)踐，提出一種新的轉(zhuǎn)換流程，并以個(gè)案實(shí)驗(yàn)的形式給出了實(shí)現(xiàn)效果圖。

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