第八章道路三維建模及透視圖繪制

1、第八章 道路三維建模及透視圖繪制隨著我國(guó)道路交通事業(yè)的迅速發(fā)展，以及高速公路網(wǎng)的規(guī)劃，人們對(duì)道路的設(shè)計(jì)提出了新的要求。道路的設(shè)計(jì)不再僅僅局限于單純的幾何設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更加強(qiáng)調(diào)道路這個(gè)三維空間實(shí)體的整體設(shè)計(jì)；注重道路的道路與環(huán)境的協(xié)調(diào)性、美觀性；注重道路的整體布置。評(píng)價(jià)道路的立足點(diǎn)已由單純的功能性轉(zhuǎn)向功能性和美觀性相兼的綜合考慮，不僅要求有一個(gè)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(dòng)畫(huà)來(lái)檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)道路的立體線(xiàn)形設(shè)計(jì)、以及景觀設(shè)計(jì)無(wú)疑是最直觀、最生動(dòng)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(jī)駕駛，通過(guò)視覺(jué)，運(yùn)動(dòng)感覺(jué)和時(shí)間變化來(lái)判斷分析設(shè)計(jì)的道路

2、立體線(xiàn)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(xiàn)形設(shè)計(jì)，有利于景觀設(shè)計(jì)。第一節(jié) 道路三維建模程序的基本內(nèi)容與功能一、道路三維建模程序的基本內(nèi)容道路是若干帶狀空間結(jié)構(gòu)相互聯(lián)結(jié)并置于三維地表之上的空間結(jié)構(gòu)。道路線(xiàn)形是道路的平面、縱斷面和橫斷面三者合一的立體線(xiàn)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(shí)體。而一個(gè)道路工程項(xiàng)目包括路基、橋梁、涵洞、通道、立交、平交、交通工程設(shè)施以及其他附屬設(shè)施等多項(xiàng)工程實(shí)體。道路工程三維建模就是在計(jì)算機(jī)中建立起這些工程實(shí)體的三維模型，制作出具有真實(shí)感的效果和三維動(dòng)畫(huà)等多種視覺(jué)模型。道路工程中的工程實(shí)體比較復(fù)雜，但根據(jù)各構(gòu)造物的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3、，可以把道路三維建模分成四個(gè)模塊：道路建模、交通設(shè)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(shè)施建模：用于創(chuàng)建護(hù)欄、標(biāo)志牌、輪廓標(biāo)、路面標(biāo)線(xiàn)等交通設(shè)施的三維建模。3.橋梁建模：用于創(chuàng)建橋頭錐坡、下部構(gòu)造、上部構(gòu)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(xún)、透視圖圖紙、攝像機(jī)路徑生成、數(shù)據(jù)文件檢查等輔助功能。由于道路工程構(gòu)造物的形式比較多樣化，因此在三維建模開(kāi)發(fā)的時(shí)候，應(yīng)本著通用、靈活、簡(jiǎn)潔、方便和實(shí)用的原則，在保證實(shí)用性的前提下，盡可能地降低三維建模的復(fù)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(yīng)具備以下的主要功能：1.根據(jù)道路的平縱橫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立道路的三維模型系統(tǒng)能根據(jù)平縱橫數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，建立其三維模型。為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)直觀的道路的形象。2.根據(jù)地形數(shù)據(jù)建立道路周?chē)膸钊S地形模型建立道路周?chē)膸钊S地形模型需要有地形資料，如果有該道路的帶狀數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)直接根據(jù)這些資料生成帶狀三維地形模型。如果沒(méi)有數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)應(yīng)提供從地形圖上采取數(shù)模數(shù)據(jù)的工具，這樣基本上可以模擬出道路周?chē)娜S地形。3.進(jìn)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(jìn)行疊加時(shí)，需要對(duì)路基邊坡范圍內(nèi)的地面模型進(jìn)行消除。對(duì)于填方路段，由于道路模型在

5、上，地面在下，可由相應(yīng)的三維動(dòng)畫(huà)制作軟件根據(jù)高度關(guān)系自動(dòng)地將處于道路之下的地面消除掉。但對(duì)于挖方地段，這些三維軟件則無(wú)法進(jìn)行我們所需要的消隱，會(huì)將道路模型消隱掉。因此有必要對(duì)路基邊坡范圍內(nèi)的地面模型進(jìn)行消除，使道路模型完整的體現(xiàn)出來(lái)。4.建立橋梁的三維模型主要是模擬橋梁橋面。并能自動(dòng)進(jìn)行橋梁模型道路模型的無(wú)縫拼接。5.建立一些交通設(shè)施模型常見(jiàn)的交通工程設(shè)施有交通標(biāo)志線(xiàn)、波形防撞護(hù)欄。系統(tǒng)能自動(dòng)或交互加入這些交通設(shè)施。6.提供道路中常見(jiàn)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(yīng)能提供了幾種房屋的模型，用戶(hù)可以選擇房屋類(lèi)型，然后交互添加到模型中。7.提供動(dòng)畫(huà)軌跡利用三維動(dòng)畫(huà)制作軟件制作動(dòng)畫(huà)

6、時(shí)，需要兩條動(dòng)畫(huà)軌跡：視點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。如果用三維動(dòng)畫(huà)制作軟件的編輯工具來(lái)編輯動(dòng)畫(huà)軌跡，容易造成動(dòng)畫(huà)畫(huà)面抖動(dòng)、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(jì)算產(chǎn)生的動(dòng)畫(huà)軌跡就克服了這一缺點(diǎn)。第二章 三維建模表示方法三維模型能給人以真實(shí)的形狀和形式的感覺(jué)，利用三維模型能有利于設(shè)計(jì)的概念化，有利于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可視化交流和設(shè)計(jì)決策。三維模型也是計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫(huà)制作和視景仿真的基礎(chǔ)。三維模型的表示方法主要有：線(xiàn)框模型（wireframemodel）、表面模型（surfacemodel）以及實(shí)體模型（solidmodel），它們各有自己的特點(diǎn)。 一、線(xiàn)框模型線(xiàn)框模型描繪的是三維對(duì)象的

7、框架。模型中沒(méi)有面，只有描繪對(duì)象邊界的點(diǎn)、直線(xiàn)和曲線(xiàn)。線(xiàn)框模型由三維的空間直線(xiàn)和曲線(xiàn)組成，用直線(xiàn)和曲線(xiàn)來(lái)表示實(shí)體輪廓，這些線(xiàn)是沿對(duì)象表面邊界繪制的，只顯示模型的中空輪廓（圖8-1）。它對(duì)所描述的三維物體沒(méi)有實(shí)在的面的信息，因而不能對(duì)線(xiàn)框模型進(jìn)行消隱、渲染和陰影等處理，對(duì)于復(fù)雜的物體用它表示存在著很大的局限性。圖8-1 線(xiàn)框模型二、表面模型表面模型是通過(guò)創(chuàng)建對(duì)象的表面而繪制的。它不僅定義三維對(duì)象的邊而且定義面，即用若干空間的平面或曲面來(lái)模擬物體的表面特征。在建模時(shí)，需要確定用以模擬物體表面的每個(gè)平面的空間位置，對(duì)于不規(guī)則形體可以通過(guò)增加模擬的平面（曲面）的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(gè)平面，用這些更小的面來(lái)擬合物體的表面。如果只需要表面來(lái)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(zhì)量、重量、重心等），那么可以使用網(wǎng)格或一定數(shù)目的空間平面來(lái)表示。圖8-2a）是用網(wǎng)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(méi)有進(jìn)行消隱、著色、渲染之前，表面模型顯示為線(xiàn)框。a）網(wǎng)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(shí)體模型實(shí)體建模是最容易使用的三維建模方法，實(shí)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(lèi)三維建模中，實(shí)體的信息最完整，歧義最少，不僅可以像表面模型那樣對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行渲染處理，而且可以

9、對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行分析，得到質(zhì)量屬性等。圖8-3 實(shí)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?shí)體模型。采用哪種方法取決于建模的用途和計(jì)算機(jī)硬件支持條件。由于道路設(shè)計(jì)表面和地表都是不規(guī)則的，因而可以采用表面模型來(lái)構(gòu)造道路及其周?chē)匦稳S模型。一、道路三維建模道路的三維模型包括道路周?chē)膸钊S地表模型和道路設(shè)計(jì)表面模型。1.地表表面模型通過(guò)野外測(cè)量、航測(cè)、地圖數(shù)字化等途徑可以獲得設(shè)計(jì)所需的道路帶狀地形資料，經(jīng)過(guò)數(shù)字地面模型處理軟件后形成數(shù)字地面模型（DTM），根據(jù)DTM的類(lèi)型（常用的有三角網(wǎng)式和方格網(wǎng)式等）采用不同的方法來(lái)建立地面三維模型。如果采用的是三角網(wǎng)式DT

10、M，那么地表采用的是若干空間三角形平面來(lái)表示的，每一個(gè)三角形平面的空間位置均由三個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z）確定，而這些數(shù)據(jù)都可以方便地從DTM中獲得。在AutoCAD中繪制地表三維模型時(shí)，每個(gè)三角形平面的繪制采用3dface命令來(lái)完成，見(jiàn)圖8-4。如果采用常用的是方格網(wǎng)式DTM，即可以采用三角形平面，又可以采用網(wǎng)格曲面來(lái)擬合地表。對(duì)于前者，只需將每個(gè)網(wǎng)格分解為兩個(gè)三角形即可，對(duì)于后者，可以直接采用AutoCAD的多邊形網(wǎng)格曲面（3dmesh命令）來(lái)擬合，見(jiàn)圖8-5圖8-4 空間平面擬合地表圖8-5 多邊形網(wǎng)格曲面擬合地表2.道路設(shè)計(jì)表面模型道路設(shè)計(jì)表面模型包括：中間帶、行車(chē)道、路肩、邊坡表

11、面、邊溝、各種交通設(shè)施（包括標(biāo)志標(biāo)牌、標(biāo)線(xiàn)、防撞護(hù)欄等）、橋梁（包括梁、橋臺(tái)、橋墩等）。采用表面模型來(lái)建立道路設(shè)計(jì)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(duì)于地表模型而言，道路設(shè)計(jì)表面模型的規(guī)律性還是較強(qiáng)的。一般采用四邊形空間平面來(lái)建立道路設(shè)計(jì)表面三維模型。例如繪制行車(chē)道表面模型時(shí)，先根據(jù)所需的建模精細(xì)程度，確定延路線(xiàn)前進(jìn)方向的間距，然后計(jì)算出模擬道路表面的每個(gè)四邊形的四個(gè)頂點(diǎn)的三維坐標(biāo)，再用AutoCAD的3dface命令繪制出每個(gè)空間四邊形平面，見(jiàn)圖8-6。三維坐標(biāo)的計(jì)算采用路線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件來(lái)完成。組成道路設(shè)計(jì)表面模型的其它部分也可以采用相同的方法來(lái)完成。圖8-6 空間四

12、邊形平面擬合道路設(shè)計(jì)表面3.地表模型與道路設(shè)計(jì)表面模型的疊加道路設(shè)計(jì)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(xiàn)出來(lái)。因此，需要對(duì)路基邊坡范圍內(nèi)的地表進(jìn)行清除。對(duì)于挖方路段，由于道路模型在下，地面在上，地表模型會(huì)“蓋住”道路設(shè)計(jì)表面模型。地表模型與道路設(shè)計(jì)表面模型的疊加的關(guān)鍵是確定需要清除的地表模型的范圍。計(jì)算處理方法如下：先計(jì)算出邊坡和地面的交點(diǎn)（得到坡腳線(xiàn)），把這些交點(diǎn)加入到地面散點(diǎn)中去，并且從原來(lái)地面散點(diǎn)中剔除掉位于兩側(cè)路基坡腳線(xiàn)范圍內(nèi)的地面點(diǎn)，然后重新生成DTM，在生成DTM時(shí)，應(yīng)刪除下列三角形：三個(gè)頂點(diǎn)均為坡腳點(diǎn)（邊坡與地面的交點(diǎn)）的三角形一條邊與道路中線(xiàn)

13、相交的三角形經(jīng)過(guò)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(xiàn)范圍內(nèi)的地面了，從而實(shí)現(xiàn)了地表模型與道路設(shè)計(jì)表面模型的疊加，見(jiàn)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(jié)構(gòu)的形狀一般比較規(guī)則，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，構(gòu)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(shí)體建模比采用表面模型建模更容易，成型更方便。（見(jiàn)圖8-8）橋梁的結(jié)構(gòu)主要包括上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。1.上部結(jié)構(gòu)三維模型不同類(lèi)型的橋梁，其上部結(jié)構(gòu)不同，但均可以采用拉伸的方法來(lái)生成，對(duì)于變截面梁，可采分段拉伸的方法來(lái)生成。以箱梁為例說(shuō)明繪制方法，其步驟如下：用1：1的比例繪制上部結(jié)

14、構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（剖面圖），如圖8-9。橫斷面圖需要采用多段線(xiàn)（pline命令）繪制，并且多段線(xiàn)必須閉合。在繪制的時(shí)候，把外輪廓用一條閉合多段線(xiàn)繪制，內(nèi)部的輪廓也分別用閉合多段線(xiàn)繪制。將每條多段線(xiàn)表示的區(qū)域用面域命令region轉(zhuǎn)換為面域。使用subtract命令對(duì)面域進(jìn)行掏空（圖8-9）。操作過(guò)程如下：Command：subtract8 選擇要從中減去的實(shí)體或面域.選擇對(duì)象：（選擇面域1按 ENTER 鍵）選擇要從中減去的實(shí)體或面域.選擇對(duì)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(jié)構(gòu)剖面圖繪制三維橋梁中線(xiàn)作為拉伸路徑。將上部結(jié)構(gòu)剖面圖進(jìn)行

15、三維旋轉(zhuǎn)，使剖面與橋梁中線(xiàn)垂直，見(jiàn)圖8-10。沿拉伸軌跡拉伸剖面，得到上部結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，見(jiàn)圖8-11。圖8-10 橋梁上部結(jié)構(gòu)剖面圖和拉伸路徑圖8-11 橋梁上部結(jié)構(gòu)三維模型2.橋梁的下部結(jié)構(gòu)三維模型橋梁的下部結(jié)構(gòu)主要包括橋臺(tái)、橋墩、承臺(tái)等。這些部分一般構(gòu)造比較規(guī)則，可以采用AutoCAD的基本三維實(shí)體模型通過(guò)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(lái)產(chǎn)生，系梁采用長(zhǎng)方體來(lái)產(chǎn)生的，然后使用并集命令union來(lái)產(chǎn)生組合三維實(shí)體。圖8-12 橋梁下部結(jié)構(gòu)三維模型目前，道路三維建模都有相關(guān)的輔助軟件，這些軟件大多數(shù)是采用對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的方法來(lái)編制。三、附

16、屬設(shè)施模型的建立道路附屬設(shè)施模型主要包括交通標(biāo)線(xiàn)模型、防撞護(hù)欄模型、標(biāo)志標(biāo)牌模型等。1.交通標(biāo)線(xiàn)模型交通標(biāo)線(xiàn)主要是行車(chē)道的分隔線(xiàn)。標(biāo)線(xiàn)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(lái)完成的。每個(gè)矩形平面的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)可由前面講的道路平面坐標(biāo)計(jì)算模塊和道路縱、橫斷面計(jì)算模塊計(jì)算出來(lái)。一條標(biāo)線(xiàn)的空間矩形平面的個(gè)數(shù)直接影響在視覺(jué)上的逼真程度。2.防撞護(hù)欄模型高等級(jí)道路的中央帶和兩側(cè)一般均要設(shè)置防撞護(hù)欄。一般采用的是波形護(hù)欄，可利用AutoCAD的三維建模工具來(lái)完成的，計(jì)算出護(hù)欄模型的參數(shù)后，傳遞給AutoCAD，由AutoCAD來(lái)建立模型。3.標(biāo)志標(biāo)牌模型標(biāo)志標(biāo)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(biāo)志標(biāo)牌模型可從系統(tǒng)提供的三維部件庫(kù)中直接調(diào)用，并輸入合適的指示內(nèi)容，插入到指定里程的合適位置上即可。指示內(nèi)容的位置和插入點(diǎn)的位置由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算。第四節(jié) 動(dòng)態(tài)、靜態(tài)全景透視圖的繪制完成了三維模型建構(gòu)以后，就可以制作動(dòng)態(tài)和靜態(tài)全景透視圖了。制作動(dòng)態(tài)和靜態(tài)全景透視圖的主要的任務(wù)就是給對(duì)模型進(jìn)行渲染。所謂渲染實(shí)際上對(duì)給三維模型進(jìn)行真實(shí)化處理，賦給相應(yīng)的顏色、材質(zhì)、光線(xiàn)等。制作動(dòng)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(diào)入該文件，再加上動(dòng)畫(huà)軌跡就能制作動(dòng)態(tài)全景透視圖，這個(gè)操作過(guò)程要求用戶(hù)3DSMAX的

18、功能一定的了解，主要是需要用戶(hù)對(duì)3DSMAX軟件的貼圖、燈光處理、動(dòng)畫(huà)制作功能熟悉，對(duì)3DSMAX軟件復(fù)雜的建模功能則沒(méi)有要求，因?yàn)閹缀跛械慕９ぷ鞫荚贏utoCAD中完成。一、 動(dòng)畫(huà)的基本原理動(dòng)畫(huà)的產(chǎn)生是利用人眼的視覺(jué)暫留來(lái)完成的，這和電影原理完全相同。當(dāng)每秒鐘變化的畫(huà)面超過(guò)15幅時(shí)，連續(xù)的畫(huà)面就會(huì)在人眼中產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)景象。計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)制作與手工制作的過(guò)程大致一樣。先制作出關(guān)鍵性的畫(huà)面，再完成關(guān)鍵畫(huà)面之間的過(guò)渡畫(huà)面。然后通過(guò)播放設(shè)備連續(xù)播放，就形成動(dòng)畫(huà)。在計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)制作軟件中，由計(jì)算機(jī)來(lái)完成關(guān)鍵幀間的過(guò)渡畫(huà)面。其速度和精度是手工無(wú)法比擬的。在計(jì)算機(jī)上播放動(dòng)畫(huà)，實(shí)際上是一幅幅畫(huà)面的產(chǎn)生和更新過(guò)程。

19、由于每幅畫(huà)面所包含的信息量大，要在很短的時(shí)間內(nèi)刷新它，就需要計(jì)算機(jī)具有足夠快的運(yùn)行速度。二、 AutoCAD中模型的輸出及動(dòng)畫(huà)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(shù)據(jù)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(diǎn)：要選擇以圖層的方式輸出。因?yàn)槊恳粓D層代表同一物體。如LMBX代表路面標(biāo)線(xiàn)。在AutoCAD中已對(duì)同一物體賦與了顏色和燈光。以層的方式輸出時(shí)，會(huì)保留這些信息。輸出時(shí)要選擇所有物體。在輸出時(shí)應(yīng)選擇“Auto-Weiding”項(xiàng)，這樣就能將頂點(diǎn)間距小于指定值(一般為0.0001m)的兩頂點(diǎn)合并為一個(gè)，從而能較大的減少模型的數(shù)據(jù)量，提高動(dòng)畫(huà)制作速度，降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求。2.動(dòng)畫(huà)