第八章道路三維建模及透視圖繪制VIP

1、第八章 道路三維建模及透視圖繪制隨著我國道路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，以及高速公路網的規(guī)劃，人們對道路的設計提出了新的要求。道路的設計不再僅僅局限于單純的幾何設計和結構設計，更加強調道路這個三維空間實體的整體設計；注重道路的道路與環(huán)境的協調性、美觀性；注重道路的整體布置。評價道路的立足點已由單純的功能性轉向功能性和美觀性相兼的綜合考慮，不僅要求有一個方便快捷、安全的行駛道路，而且希望它是舒適的美觀的。利用道路三維模型和動畫來檢驗、評價道路的立體線形設計、以及景觀設計無疑是最直觀、最生動的。三維透視圖比二維圖更加讓人容易了解，更能一目了然。模擬司機駕駛，通過視覺，運動感覺和時間變化來判斷分析設計的道路

2、立體線形和道路景觀，這樣更有利于道路方案比選，有利于優(yōu)化線形設計，有利于景觀設計。第一節(jié) 道路三維建模程序的基本內容與功能一、道路三維建模程序的基本內容道路是若干帶狀空間結構相互聯結并置于三維地表之上的空間結構。道路線形是道路的平面、縱斷面和橫斷面三者合一的立體線形，最終映入駕駛員眼睛的是道路平縱橫配合后的三維帶狀實體。而一個道路工程項目包括路基、橋梁、涵洞、通道、立交、平交、交通工程設施以及其他附屬設施等多項工程實體。道路工程三維建模就是在計算機中建立起這些工程實體的三維模型，制作出具有真實感的效果和三維動畫等多種視覺模型。道路工程中的工程實體比較復雜，但根據各構造物的設計計算方法和結構特點

3、，可以把道路三維建模分成四個模塊：道路建模、交通設施建模、橋梁建模和輔助建模。1.道路建模：可以創(chuàng)建路基、路面、邊坡、邊溝等物體的三維模型。2.交通設施建模：用于創(chuàng)建護欄、標志牌、輪廓標、路面標線等交通設施的三維建模。3.橋梁建模：用于創(chuàng)建橋頭錐坡、下部構造、上部構造等三維模型。4.輔助建模：提供視圖和空間視角觀察、模型交互式編輯、信息查詢、透視圖圖紙、攝像機路徑生成、數據文件檢查等輔助功能。由于道路工程構造物的形式比較多樣化，因此在三維建模開發(fā)的時候，應本著通用、靈活、簡潔、方便和實用的原則，在保證實用性的前提下，盡可能地降低三維建模的復雜度和難度。二、道路三維建模程序的基本功能為了能較好的

4、完成道路三維模型的建立，系統(tǒng)應具備以下的主要功能：1.根據道路的平縱橫設計數據建立道路的三維模型系統(tǒng)能根據平縱橫數據進行計算，建立其三維模型。為設計者提供一個直觀的道路的形象。2.根據地形數據建立道路周圍的帶狀三維地形模型建立道路周圍的帶狀三維地形模型需要有地形資料，如果有該道路的帶狀數字地面模型數據，那么系統(tǒng)直接根據這些資料生成帶狀三維地形模型。如果沒有數字地面模型數據，系統(tǒng)應提供從地形圖上采取數模數據的工具，這樣基本上可以模擬出道路周圍的三維地形。3.進行道路三維模型與地形模型的疊加消隱在三維地面模型和道路模型進行疊加時，需要對路基邊坡范圍內的地面模型進行消除。對于填方路段，由于道路模型在

5、上，地面在下，可由相應的三維動畫制作軟件根據高度關系自動地將處于道路之下的地面消除掉。但對于挖方地段，這些三維軟件則無法進行我們所需要的消隱，會將道路模型消隱掉。因此有必要對路基邊坡范圍內的地面模型進行消除，使道路模型完整的體現出來。4.建立橋梁的三維模型主要是模擬橋梁橋面。并能自動進行橋梁模型道路模型的無縫拼接。5.建立一些交通設施模型常見的交通工程設施有交通標志線、波形防撞護欄。系統(tǒng)能自動或交互加入這些交通設施。6.提供道路中常見的一些地物的三維模型，并能交互的添加到模型中系統(tǒng)應能提供了幾種房屋的模型，用戶可以選擇房屋類型，然后交互添加到模型中。7.提供動畫軌跡利用三維動畫制作軟件制作動畫

6、時，需要兩條動畫軌跡：視點的運動軌跡和目標點的運動軌跡。如果用三維動畫制作軟件的編輯工具來編輯動畫軌跡，容易造成動畫畫面抖動、顛簸。這主要是由于人工編輯軌跡不平滑而造成的。由系統(tǒng)計算產生的動畫軌跡就克服了這一缺點。第二章 三維建模表示方法三維模型能給人以真實的形狀和形式的感覺，利用三維模型能有利于設計的概念化，有利于設計產品的可視化交流和設計決策。三維模型也是計算機三維動畫制作和視景仿真的基礎。三維模型的表示方法主要有：線框模型（wireframemodel）、表面模型（surfacemodel）以及實體模型（solidmodel），它們各有自己的特點。 一、線框模型線框模型描繪的是三維對象的

7、框架。模型中沒有面，只有描繪對象邊界的點、直線和曲線。線框模型由三維的空間直線和曲線組成，用直線和曲線來表示實體輪廓，這些線是沿對象表面邊界繪制的，只顯示模型的中空輪廓（圖8-1）。它對所描述的三維物體沒有實在的面的信息，因而不能對線框模型進行消隱、渲染和陰影等處理，對于復雜的物體用它表示存在著很大的局限性。圖8-1 線框模型二、表面模型表面模型是通過創(chuàng)建對象的表面而繪制的。它不僅定義三維對象的邊而且定義面，即用若干空間的平面或曲面來模擬物體的表面特征。在建模時，需要確定用以模擬物體表面的每個平面的空間位置，對于不規(guī)則形體可以通過增加模擬的平面（曲面）的個數來實現模擬物體的表面特征，例如不規(guī)則

8、的曲面，可以劃分為有限個平面，用這些更小的面來擬合物體的表面。如果只需要表面來提供隱藏、著色和渲染功能，但又不需要提供物體的物理特性（質量、重量、重心等），那么可以使用網格或一定數目的空間平面來表示。圖8-2a）是用網格擬合的山脈，圖8-2b）使用三維空間平面擬合的山脈及道路的三維模型。在沒有進行消隱、著色、渲染之前，表面模型顯示為線框。a）網格擬合的山脈b）空間平面擬合的山脈圖8-2 表面模型三、實體模型實體建模是最容易使用的三維建模方法，實體模型既具有面積概念也具有體積特征，如圖8-3所示。在各類三維建模中，實體的信息最完整，歧義最少，不僅可以像表面模型那樣對實體模型進行渲染處理，而且可以

9、對實體模型進行分析，得到質量屬性等。圖8-3 實體模型第三節(jié) 道路與橋梁三維建模道路橋梁三維建?？梢圆捎帽砻婺Ｐ停部梢圆捎脤嶓w模型。采用哪種方法取決于建模的用途和計算機硬件支持條件。由于道路設計表面和地表都是不規(guī)則的，因而可以采用表面模型來構造道路及其周圍地形三維模型。一、道路三維建模道路的三維模型包括道路周圍的帶狀三維地表模型和道路設計表面模型。1.地表表面模型通過野外測量、航測、地圖數字化等途徑可以獲得設計所需的道路帶狀地形資料，經過數字地面模型處理軟件后形成數字地面模型（DTM），根據DTM的類型（常用的有三角網式和方格網式等）采用不同的方法來建立地面三維模型。如果采用的是三角網式DT

10、M，那么地表采用的是若干空間三角形平面來表示的，每一個三角形平面的空間位置均由三個頂點的三維坐標（x，y，z）確定，而這些數據都可以方便地從DTM中獲得。在AutoCAD中繪制地表三維模型時，每個三角形平面的繪制采用3dface命令來完成，見圖8-4。如果采用常用的是方格網式DTM，即可以采用三角形平面，又可以采用網格曲面來擬合地表。對于前者，只需將每個網格分解為兩個三角形即可，對于后者，可以直接采用AutoCAD的多邊形網格曲面（3dmesh命令）來擬合，見圖8-5圖8-4 空間平面擬合地表圖8-5 多邊形網格曲面擬合地表2.道路設計表面模型道路設計表面模型包括：中間帶、行車道、路肩、邊坡表

11、面、邊溝、各種交通設施（包括標志標牌、標線、防撞護欄等）、橋梁（包括梁、橋臺、橋墩等）。采用表面模型來建立道路設計表面模型既可以采用三角形空間平面，也可以采用四邊形空間平面。相對于地表模型而言，道路設計表面模型的規(guī)律性還是較強的。一般采用四邊形空間平面來建立道路設計表面三維模型。例如繪制行車道表面模型時，先根據所需的建模精細程度，確定延路線前進方向的間距，然后計算出模擬道路表面的每個四邊形的四個頂點的三維坐標，再用AutoCAD的3dface命令繪制出每個空間四邊形平面，見圖8-6。三維坐標的計算采用路線設計軟件來完成。組成道路設計表面模型的其它部分也可以采用相同的方法來完成。圖8-6 空間四

12、邊形平面擬合道路設計表面3.地表模型與道路設計表面模型的疊加道路設計表面模型與地表三維模型疊加的目的是使道路表面模型能在三維地表上完整地體現出來。因此，需要對路基邊坡范圍內的地表進行清除。對于挖方路段，由于道路模型在下，地面在上，地表模型會“蓋住”道路設計表面模型。地表模型與道路設計表面模型的疊加的關鍵是確定需要清除的地表模型的范圍。計算處理方法如下：先計算出邊坡和地面的交點（得到坡腳線），把這些交點加入到地面散點中去，并且從原來地面散點中剔除掉位于兩側路基坡腳線范圍內的地面點，然后重新生成DTM，在生成DTM時，應刪除下列三角形：三個頂點均為坡腳點（邊坡與地面的交點）的三角形一條邊與道路中線

13、相交的三角形經過這樣處理后所形成的所建立的地表模型中就不包含路基坡腳線范圍內的地面了，從而實現了地表模型與道路設計表面模型的疊加，見圖8-7。圖8-7 道路三維表面模型圖8-8 橋梁三維表面模型二、橋梁三維建模由于橋梁結構的形狀一般比較規(guī)則，具有較強的規(guī)律性，構件多為規(guī)則的形體，比道路建模更容易。因此，橋梁三維建模采用實體建模比采用表面模型建模更容易，成型更方便。（見圖8-8）橋梁的結構主要包括上部結構和下部結構。1.上部結構三維模型不同類型的橋梁，其上部結構不同，但均可以采用拉伸的方法來生成，對于變截面梁，可采分段拉伸的方法來生成。以箱梁為例說明繪制方法，其步驟如下：用1：1的比例繪制上部結

14、構標準橫斷面圖（剖面圖），如圖8-9。橫斷面圖需要采用多段線（pline命令）繪制，并且多段線必須閉合。在繪制的時候，把外輪廓用一條閉合多段線繪制，內部的輪廓也分別用閉合多段線繪制。將每條多段線表示的區(qū)域用面域命令region轉換為面域。使用subtract命令對面域進行掏空（圖8-9）。操作過程如下：Command：subtract8 選擇要從中減去的實體或面域.選擇對象：（選擇面域1按 ENTER 鍵）選擇要從中減去的實體或面域.選擇對象：（選擇面域2、3、4、5按 ENTER 鍵）面域1面域5面域4面域3面域2圖8-9 橋梁上部結構剖面圖繪制三維橋梁中線作為拉伸路徑。將上部結構剖面圖進行

15、三維旋轉，使剖面與橋梁中線垂直，見圖8-10。沿拉伸軌跡拉伸剖面，得到上部結構三維實體模型，見圖8-11。圖8-10 橋梁上部結構剖面圖和拉伸路徑圖8-11 橋梁上部結構三維模型2.橋梁的下部結構三維模型橋梁的下部結構主要包括橋臺、橋墩、承臺等。這些部分一般構造比較規(guī)則，可以采用AutoCAD的基本三維實體模型通過組合和拉伸命令完成。例如圖8-12中的雙柱式橋墩和蓋梁采用拉伸的方法來產生，系梁采用長方體來產生的，然后使用并集命令union來產生組合三維實體。圖8-12 橋梁下部結構三維模型目前，道路三維建模都有相關的輔助軟件，這些軟件大多數是采用對AutoCAD進行二次開發(fā)的方法來編制。三、附

16、屬設施模型的建立道路附屬設施模型主要包括交通標線模型、防撞護欄模型、標志標牌模型等。1.交通標線模型交通標線主要是行車道的分隔線。標線模型采用的是依附于路面的連續(xù)的或有間隔的空間矩形平面來完成的。每個矩形平面的四個頂點坐標可由前面講的道路平面坐標計算模塊和道路縱、橫斷面計算模塊計算出來。一條標線的空間矩形平面的個數直接影響在視覺上的逼真程度。2.防撞護欄模型高等級道路的中央帶和兩側一般均要設置防撞護欄。一般采用的是波形護欄，可利用AutoCAD的三維建模工具來完成的，計算出護欄模型的參數后，傳遞給AutoCAD，由AutoCAD來建立模型。3.標志標牌模型標志標牌模型主要包括里程指示牌、地名指

17、示牌、道路出入口指示牌、警示牌等。這些標志標牌模型可從系統(tǒng)提供的三維部件庫中直接調用，并輸入合適的指示內容，插入到指定里程的合適位置上即可。指示內容的位置和插入點的位置由系統(tǒng)自動計算。第四節(jié) 動態(tài)、靜態(tài)全景透視圖的繪制完成了三維模型建構以后，就可以制作動態(tài)和靜態(tài)全景透視圖了。制作動態(tài)和靜態(tài)全景透視圖的主要的任務就是給對模型進行渲染。所謂渲染實際上對給三維模型進行真實化處理，賦給相應的顏色、材質、光線等。制作動態(tài)和靜態(tài)全景透視圖可利用3DSMAX軟件完成。三維模型制作完后，以*.3DS的格式輸出，在3DSMAX中調入該文件，再加上動畫軌跡就能制作動態(tài)全景透視圖，這個操作過程要求用戶3DSMAX的

18、功能一定的了解，主要是需要用戶對3DSMAX軟件的貼圖、燈光處理、動畫制作功能熟悉，對3DSMAX軟件復雜的建模功能則沒有要求，因為幾乎所有的建模工作都在AutoCAD中完成。一、 動畫的基本原理動畫的產生是利用人眼的視覺暫留來完成的，這和電影原理完全相同。當每秒鐘變化的畫面超過15幅時，連續(xù)的畫面就會在人眼中產生動畫景象。計算機動畫制作與手工制作的過程大致一樣。先制作出關鍵性的畫面，再完成關鍵畫面之間的過渡畫面。然后通過播放設備連續(xù)播放，就形成動畫。在計算機動畫制作軟件中，由計算機來完成關鍵幀間的過渡畫面。其速度和精度是手工無法比擬的。在計算機上播放動畫，實際上是一幅幅畫面的產生和更新過程。

19、由于每幅畫面所包含的信息量大，要在很短的時間內刷新它，就需要計算機具有足夠快的運行速度。二、 AutoCAD中模型的輸出及動畫軌跡的生成1.AutoCAD中模型的輸出目前AutoCAD R14及以上版本均提供了向3DSMAX直接輸出3DSMAX支持的文件格“*.3DS”，為AutoCAD和3DSMAX交換數據提供便利。在AutoCAD中使用3DSout命令就能很方便地完成輸出到3DSMAX的工作。在輸出要注意幾點：要選擇以圖層的方式輸出。因為每一圖層代表同一物體。如LMBX代表路面標線。在AutoCAD中已對同一物體賦與了顏色和燈光。以層的方式輸出時，會保留這些信息。輸出時要選擇所有物體。在輸出時應選擇“Auto-Weiding”項，這樣就能將頂點間距小于指定值(一般為0.0001m)的兩頂點合并為一個，從而能較大的減少模型的數據量，提高動畫制作速度，降低對計算機硬件的要求。2.動畫