大学毕业设计苏州凯宾斯基大酒店三维演示系统的研究与实现.docx
《大学毕业设计苏州凯宾斯基大酒店三维演示系统的研究与实现.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学毕业设计苏州凯宾斯基大酒店三维演示系统的研究与实现.docx（60页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
大学毕业设计苏州凯宾斯基大酒店三维演示系统的研究与实现
苏州凯宾斯基大酒店三维演示系统的研究与实现
摘要
与传统的GIS相比，三维GIS能够真实地展示三维空间世界，通过使用立体的造型展示空间地理现象。
三维GIS不仅能展示平面关系、也能展示垂直关系之间的空间实体。
基于三维地理信息系统，我们可以进行三维空间分析和自由操控。
本论文通过使用PHOTOSHOP、AUTOCAD、3DMAX、VRMAP等软件，重点探讨了数据的采集和处理、三维模型的建立、纹理映射的处理、三维场景的优化，完成了苏州凯宾斯基大酒店的虚拟建模以及简单的GIS空间分析，实现了苏州凯宾斯基大酒店的三维演示系统的建设。
关键词三维建模凯宾斯基三维GIS
The3DdemonstrationsystemResearchAndImplementationOfKempinskiHotelSuzhou
Abstract
ComparedwiththetraditionalGIS,3DGIScantrulyshowthethree-dimensionalworld,throughtheuseofthree-dimensionalmodellingexhibitionspacegeographicphenomena.3DGIScannotonlydisplayplanerelations,butalsocanshowtheverticalrelationshipofspatialentities.Basedonthethree-dimensionalgeographicinformationsystem,wecancontrolanalysisofthreedimensionalspacefreely.ThisthesisbasedonthesoftwareofPHOTOSHOP,AUTOCAD,3DSMAX,VRMAP,itmainlydiscussedthedataacquisitionandprocessing,3Dmodel,theestablishmentoftexturemappingprocessing,3Dscene.FinallyIcompletedthevirtualmodelingofkempinskihotelSuzhou,simpleGISspatialanalysis,realizedthekempinskihotelinsuzhoufortheconstructionofthe3ddemonstrationsystem.
Keywords3Dmodeling;kempinski;3DGIS
第1章绪论
1.1论文选题背景
随着GIS应用的深入，人们对利用三维空间处理问题的需求越来越多。
目前对三维GIS应用要求较多的部门有石油、地质、采矿等领域，但是其功能还只是出于部分实现的阶段。
因为数据结构理论和技术与二维GIS数据模型的成熟，数据库理论技术、图形学理论以及其它相关计算机技术的进一步发展，同时因为应用需求的强烈推动，三维GIS的加速发展和研究已逐步成为可能。
三维GIS的发展使得二维平面中的空间信息不再单调，同时对空间分析和信息判读也提供了很好的途径，对各个行业提供了更加直观的辅助决策支持。
所以空间信息的社会化服务应用对三维GIS的需求尤为迫切，而三维GIS则是GIS发展的最重要的发展方向之一。
1.2论文研究目的和意义
三维GIS展示这种表现形式非常有利于酒店的网络推广，它以更逼真、更丰富的平台使得人们将空间信息由抽象难懂往直观化和可视化方向进行了跨越式发展。
在众多的网民中，具有高收入的年轻人在潜在的客户中占据了很大的比例。
由此可见，网络的推广在酒店的营销中起到越来越重要的作用，其中三维GIS的展示让客户能够身临其境，给客户一个看得到的消费，对酒店具有很好的宣传效果，可以说是网上推广展示的最佳形式。
五星级酒店是衡量一个城市旅游业的首要条件，同时也是检测一个地区经济发展水平的标尺。
对于一个城市来说，是否拥有五星级酒店，与当地的经济发展程度是密切相关的。
城市面貌的巨大变化的同事，旅游业也在飞速发展，一个城市拥有多少高档次星级酒店，反映了这个地方旅游接待能力水平的高低，五星级酒店的出现可以说是标志着旅游配套系统的全面升级。
凯宾斯基大酒店来自于德国，它有着110多年的历史，是欧洲历史最悠久的豪华酒店管理品牌之一。
苏州金鸡湖凯宾斯基大酒店，可谓是完美地延续了凯宾斯基这一品牌一贯强调的舒适入住体验。
她地处美丽的金鸡湖和独墅湖间，与万顷碧波的湖面相映生辉，如同众星拱月，营造出鸟语花香、世外桃源般的意境，她的建成，一定程度上提升了苏州的城市形象，改善了苏州地区的旅游环境、投资环境。
对苏州凯宾斯基大酒店三维演示系统的研究与实现可以让消费者在消费之前能够如同身临其境般全方位了解酒店的布局、配套设施以及周边环境，为旅游出行提供了极大的便利，同时实现酒店的三维演示系统有助于提高苏州凯宾斯基大酒店的形象，也对城市宣传起到了相当大的帮助。
1.3三维GIS的概述
地理信息系统（GIS）是一个能够进行捕获、建模、处理、检索、分析和显示地理上引用的数据的基于计算机信息的系统。
在过去的几十年，GIS已成为一个标准的工具，在分享共同的需要查看和分析空间或基于地图的数据的一个多样化的学科。
目前，GIS技术是一个巨大的变化阶段。
第四代GIS，标准化的数据的特点,多维空间，组件结构、智能和网络平台，超小型应用程序开始显示其胚胎形式。
传统的GIS技术是计算机辅助绘图的起源，可以完美地处理二维地图。
但现实世界是三维，二维GIS代表三维信息的能力差。
数字高程模型（DEM），它是基于二维GIS可以处理第三维度信息如高程、二维不能表达“Z”值的情况，但是有很多信息存在于垂直方向。
二维GIS的缺陷限制其应用在许多领域，如地下深处,矿山、海洋等。
目前，开发真正的三维GIS系统是一个重要的任务。
需要简化结构和完善功能。
三维GIS是一种使用三维描述和分析地理现象的空间的地理信息系统。
二维GIS可以说是三维GIS的预先消化，而三维GIS则是二维GIS在三维空间的扩展，所以三维GIS是GIS在三维空间的传播。
三维GIS和传统GIS之间的差异在于空间拓扑结构的描述分析和空间分析的方向。
三维GIS构建空间实体模型通过使用三维空间坐标（x,y,z）为绝对参数，因此可以实现三维可视化和非常复杂的三维空间实体的空间分析。
与传统的GIS相比，三维GIS表示三维空间世界真实地和使用立体的造型展示空间地理现象。
三维GIS不仅代表了平面的关系，但也代表了垂直关系（有时也是一样重要的平面关系）之间的空间实体。
基于三维地理信息系统,我们可以进行三维空间分析和自由操控。
1.3.1三维GIS的发展
早先于八十年代末期时，随着GIS和计算机技术研究与应用的不断加深，研究者们开始对三维GIS进行研究。
早期，关于三维GIS的研究主要是面向矿山、地质等特殊的应用领域，它通过建立栅格化的数据模型进行一些特殊的空间分析，其功能相对来说较为单一。
巴克等人在1989年就开发出三维地理资源管理系统，这个系统原型虽然存在着许多的不足之处，但在空间分析能力上却取得了大幅度的进步。
早期的三维GIS系统原型，虽然说在技术上取得了很多的成果，但功能局限性却很大，并不能真正投入到实际应用中去[1]。
随着计算机技术的快速发展，一些较为简单的三维显示、查询等功能已经不能满足人们的需求，二维GIS的功能性被进一步要求能在三维空间得到更好的实现。
因此，许多模拟系统开始试图将二维GIS技术和三维可视化的技术集中起来，其中也包含了虚拟现实技术，通过使用数据库来研究海量数据的可视化和存取。
在1994年，布瑞林、伯德和埃蒙斯开发了三维GIS原型系统，他们将集中研究把几何操作嵌入到Object一orientedDatabase管理系统中，解决了很多类似于相交和相并等的空间查询问题。
如今，美国国家地理信息和分析中心已经开发出一种Field一based的三维GIS，将汤姆提出的Field一based的操作扩展到三维空间中，并且对Field一based的三维空间操作进行了较为全面的分析和实现，其具有很好的应用前景。
在1998年1月，美国前副总统戈尔提出了/数字地球的构想。
目前，许多关于三维GIS研究开始转向数字地球领域。
以城市的信息化建设为背景来看，三维数字城市研究已然成为了一个新的热点，并且得到迅速发展和应用。
1.3.2三维GIS的研究内容
三维GIS的目标是建立一个分析、采集、管理和再现三维空间数据的信息系统[2]。
它的研究范围涉及虚拟现实、数据库、计算机图形学、地理信息系统等多个领域。
与二维GIS相比，其研究对象可以归纳为点、线、面、体4类。
其中的线包括二维GIS中的平面曲线和三维中特有的空间曲线；面包括二维平面和三维中的空间曲面；而体则只是在是三维中能够体现出来。
三维空间数据模型的研究中，我们重点要解决两个问题，其一，GIS中有待解决的分辨率、几何结构和几何特征等方面的因为过于复杂，从而使得现有的方法和模型在地质、海洋、以及大气等方面的构造模型中难以应用。
而这些数据由于处于应用方面，很难用简单的函数和单元进行模型化，是需要空间理论的拓展的；其二，三维模型的构造需要数据获取技术的更高要求的发展，还要对三维获取立体重建和多种数据源的有机集成进行研究。
为描述出各种三维的地理现象，需要解决很多问题，类似于怎么描述三维模型中三维拓扑数据、怎么获取三维GIS的数据、怎么进行模型直接的数据转换、怎么进行三维模型的空间分析、怎么编辑三维数据模型，等等。
1.3.3三维GIS的当前研究现状
三维GIS目前来说还是一个较为新颖的，它的发展过程中也充满了挑战以及各种机遇。
其面临的有利的契机体现在以下几个方面：
（1）二维GIS具备的较为成熟的理论和技术。
在数据的获得、处理、管理以及输出阶段，数据结构和数据模型方面已然具备了很多较为成熟的理论和方法，二维GIS在实践方面也有了好几十年的发展经验，被人们普遍应用在各个领域和部门。
也正是由于二维GIS的成熟发展，才为三维GIS奠定了坚实的基础[3]。
（2）三维可视化技术的发展。
在大气、医学、地质、生物等方面，三维可视化技术已经有了很多成功的应用，而二维GIS跟三维GIS的一个很大的不同之处就在于三维GIS有一个很直观的视觉表现问题，这也是三维GIS的一个基本的要求。
现如今，较为成熟的可视化技术已然为了这一要求奠定了坚实的理论技术基础。
人们要做的就是要对地学对象的本质特征进行科学的分析，找出地学对象与其他领域对象的不同点，并且要利用相应的三维可视化技术对三维GIS进行视觉方面的表现，完成较为合适的几何建模和概念建模。
（3）三维空间分析方法的开发。
现如今，大部分的GIS只是做一下简单的查询。
编辑、管理以及显示要求，只是作为一个很大的空间数据库而存在，其空间分析的种类和数量都很少，所以不能为决策者们提供一个直接的决策方案出来。
而在现有的三维GIS中，同样是要面临这个问题的[4]。
三维GIS发展的一个重要的方面就是在研究开发GIS的基本空间分析以及将多个领域的权威知识应用于GIS中。
（4）完整的三维空间结构与数据模型。
三维GIS的核心是三维空间是数据库，直接关系到数据的输入、存储、分析、处理和输出等各环节，并且影响了整个GIS的性能。
三维空间数据模型是建立三维空间数据库的理论基础，是人们对客观世界的抽象的理解。
由于三维空间数据的复杂性，基于关系数据库的传统空间数据库管理系统很难进行三维空间数据的管理[5]。
Kavouras等人早在八十年代末就进行了三维GIS的研究，开发了应用于评估矿产资源及开发的三维GIS系统。
在这个系统中，集成了栅格矢量模型，具备了简单的例如最近点分析等的空间分析能力[12]。
1989年，Bak开发出了三维地理资源的管理系统。
虽然这个系统原型存在着很多的不足之处，但是在空间分析上却取得了很大的进步。
1994年，Breunig还进行了较为系统的研究和实践，他开发了三维GIS的系统原型，研究集中体现在将集合操作嵌入到面向对象数据库管理系统中。
他们通过使用矢量模型解决了很多例如相交和相并的空间查询问题，虽然说在技术上取得了很多结果，但是都没有投入到实际的应用中去。
目前，Rostock大学以及一些别的研究机构正联合研究三维城市模拟中三维GIS的应用。
在研究中，他们分类和表示了空间对象，建立了数字城市模拟系统，可以方便的对城市基础设施进行分析、查询和显示。
这种模拟系统通过采用基于对象的信息模型，将非空间数据和空间数据集成在对象关系型数据库管理系统中。
数据表示中采用了Brep、CSG等一下较为经典的表示方法，R树被应用在空间索引方法中。
就目前来讲，三维GIS的研究才算是刚刚起步，研究结果和应用水平跟国外相比差距还很大。
第2章苏州凯宾斯基大酒店的三维建模
2.1数据准备
一般来说，建设三维城市需要建筑模型信息，DOM（场景地表覆盖信息），属性信息，DEM（地表起伏信息），建筑模型信息。
我们可以通过航测内业来采集建筑的线划图，通过到实地拍摄从而得到建筑顶面纹理以及侧面纹理，通过比高加地表DEM从而获得建筑的绝对高度。
在类似于3Dmax这种三维建模软件中以比高和线画图为参照来建好模型框架，人工建模则是将顶面和侧面的纹理进行贴图制作出模型。
之后将人工模型，场景地表覆盖信息，地表起伏信息，线画图这四种信息导入到类似于VRmap这种专门进行三维信息系统分析的软件中去，将相应的属性信息录入到软件中去，之后再进行相关的应用开发就可以实现一个相当具有专业性的三维地理信息系统了。
由于客观条件的局限，本文中所采用的数据主要是平面规划图（CAD文件）、空间影像数据（XX地图上获取）和地物的纹理图片三个部分。
金鸡湖凯宾斯基大酒店三维建模制作的流程图。
地图的生成和加工
地图格式的转换
资料的采集与整理
灯光布局
场景的建模
纹理制作与材质贴图
动画制作
渲染输出
图2-1-1金鸡湖凯宾斯基建模流程
另外纹理图片的拍摄特意留意了以下五个问题：
a.拍摄过程中按照一定的顺序进行拍摄，最终形成回路。
拍摄的路线最终能形成回路。
如图2-1-3。
图2-1-3拍照路线
b.由于有些部分拍摄的面太过于狭窄又过高，所以在拍摄将相机旋转90度拍摄的时候注意每次旋转的方向都应该是同向的，这样对于后期批量进行影响处理提供了很大的便捷，每次的旋转的方向都是相同的。
c.在拍摄的过程中，由于树木遮挡，拍摄建筑的时候不能完整的拍摄出来，所以要事先在调绘底图上调绘出来，因此，这些建筑在矢量采集时不能准确的采集出来。
d.在进入到较为狭窄的小巷子里面进行拍摄的时候，由于距离过近，一个面不能一次拍完，这时候要注意多次拍摄的时候每个拍摄点的重叠区域的距离相差不能太大，尽量保持在同一水平线上进行拍摄。
这样做的目的是减少后期影响纠正拼接处理的操作。
如果某一个面不能全部进行通视，那么就应该拍摄其部分进行可视纹理操作。
e.对于新增建筑，我们要注意在调绘的底图上描绘出其轮廓和位置，并且记录的时候要注意备注好建筑的层数，以便后期操作。
2.2基于3DMAX的建模方法
2.2.1三维建模的原则与流程
在建模过程中，要注意对不同的事物进行区分。
在具体建模的时候，可以按照建模的原则：
a.在保证建模物体的可塑性和真实性的基础上，不到必要的时候不需要用细化工具将模型细化，使得模型所含的面数尽可能少一些。
b.纹理这部分要尽量在合理的情况下压缩，最好是将纹理的像素大小处理成2的n次幂，这样做有利于真实的显示出纹理。
c.精心构建层次结构库。
注意到以上三点，那么我们最终的数据文件就会极大可能性变小。
从而在实时渲染的时候减小了跳帧率，最大程度的保证了图像的连续性。
建模的内容包括地形、地貌的建模、建筑单体的建模等。
三维建模的一般流程如图2-2-2。
图2-2-2三维建模流程
2.2.2构建实体建筑
本文中的模型主要有主楼，辅楼等模型。
如图2-2-3。
图2-2-3苏州凯宾斯基大酒店
建模的方法如下：
首先在CAD中采用写块的方法将建模区域分离出来并以楼名为名输出，然后在3DMAX中倒入CAD底图数据。
封闭一块楼，对整个楼进行勾绘，如图2-2-4就是一个导入的矢量和自己画的底图。
图2-2-4CAD地图
在实地考察的时候发现，现有的网上地图可能是由于信息滞后的原因分部不太准确，不能按照网上的地图进行勾勒，本着严谨的态度，应当去实地考察，要事先在记录纸上简单的勾勒出各楼的分部情况。
在地图上显示的房子不连续，在实体考察中发现是连续的，这就为了后来的建模提供了极大的便利。
在采集的时候，圆弧是以近似等分的折线段表示的，应当还原其真实的形状。
通过转换可编辑多边形的操作挤出高度将其他区域生成立体图，如2-2-5所示。
图2-2-5多边形挤出的立体建筑
此外还有一点应该注意的是，模型制作要尽量精简，布尔运算如Subtraction（减）处理、Union（并）、Intersection（交）最好在二维图形中完成，这样可以避免后期处理的很多不必要的麻烦。
2.2.3细节模型生成和绘制
在细节的处理中，常见的较为复杂的模型有楼梯、扶手、女儿墙和一些需要进行布尔打洞的复杂模型。
此外，道路和植被的模型制作也有一些可以采用的较为简单的技巧。
下面我主要就将这几个模型的制作过程提取出来进行展示。
（1）楼梯及扶手的制作。
先挤压构建上下楼梯体的上部分半面，之后通过三维捕捉来连接到下部分，最后选中倾斜部分的线段，点击
选中shape1，这样进行挤压就完成了楼梯扶手的制作。
（图2-2-6）。
图2-2-6楼梯扶手制作
（2）女儿墙的制作。
先选取顶面，然后点击bevel，将高度设为0，通过选择内部的面向下挤压，这就完成了女儿墙的制作。
（图2-2-7）。
图2-2-7女儿墙制作
（3）空洞结构。
如主楼顶层是空心的椭圆体，我们运用布尔打洞完成。
先创建椭圆体，再选择compoundobjects下的Boolean设置打洞类型subtraction（A-B）随后选择打洞的体完成，如图2-2-8。
图2-2-8布尔打洞
2.3纹理处理
2.3.1材质和纹理贴图（纹理映射）
在Photoshop中纹理图像的一般处理过程如图2-3-2所示。
图2-3-2纹理处理流程
1.PS处理纹理图像时，需要建立制作图层，在纠错图像上进行的各种编辑操作（图2-3-3）。
图2-3-3打开图像
2.通过裁剪图像将纹理图像扩展到整面墙，如图2-3-4。
图2-3-4扭正后
3.通过刷图完善图片获得玻璃幕墙的纹理
图2-5-6纹理采集图2-5-7纹理采集图2-5-8纹理采集
4.通过调整对比度这一操作使得图像更加明亮的展示出来（图2-3-8）。
图2-3-8修改色阶
5.修改图的尺寸，对图像进行保存（图2-3-9）。
图2-3-9修改图像大小
2.3.2模型贴材质。
1.材质与贴图设计
模型建成之后要对模型进行材质贴图，在3Dmax中我们通常使用三种方法对模型进行材质贴图。
（1）利用位图。
在3Dmax材质制作中，最常使用的一种二维贴图的方法就是位图。
作三维场景的时候，大部分模型的贴图都是要求与实体建筑相吻合的。
通过其他的贴图程序进行贴图实现是相当麻烦的，并且与现实建筑的纹理还有一定的差距。
因此，为了解决这一问题并且简化建模操作，我们通过使用数码相机或者其他的可取途径来获得位图，从而来对金鸡湖凯宾斯基大酒店外围进行贴图是一种非常合适的方法。
在本次建模中，部分建筑体的墙面、木纹、树木等地物的材质我们都是采取的这个方法。
（2）利用基本材质。
在3Dmax中，基本材质采用的通常是三种参数构成对象表面，即AmbientColor（环境光颜色），DiffuseColor（漫反射颜色），SpecularColor（高光颜色），大部分的基本材质都可以通过使用3种颜色和对高光区的控制创建出来。
这种材质能够生产相对有效的渲染效果，操作还很简单，与此同时还可以模拟透明或者半透明的对象，创建模拟发光对象。
（3）复合材质。
通过综合运用位图、基本材质和程序贴图来制作类似草地、天空等相对复杂的材质。
2.普通的纹理映射步骤
（1）选中模型中索要贴图的面，通过快捷键M,开材质编辑窗口
，选中第一个空材质球，在漫反射路径块中点、位图。
确定所要贴图的路径（图2-3-10）。
图2-3-10模型表面贴图
（2）单击
将材质指定给选定对象，然后选择
在视口中显示贴图，同时在修改器下拉列表下选择UVW贴图，给贴图面赋一个UVW坐标，从而使材料与模型坐标统一，适配，这时材质初步呈现出来，只是位置却不正确。
之后，我们在面板的参数中选用长方体（box）。
，这样材质位置就正确了。
与此同时，还要通过输入Utitle和Vtitle的相应数值设置材质的平铺数量。
最后将面转化为可编辑多边形。
（图2-3-1）。
整体贴图效果（2-3-12）。
图2-3-11模型贴图后效果
图2-3-12整体建筑物贴图效果
（3）整体焊接。
用CTRL+A选中所有的点，然后焊接顶点，阈值默认为0.1，使用快捷键F7可以显示顶点数、边数和面数。
单击
可以查看实际渲染效果（图2-3-13）。
最后可以导出3DS模型。
图2-3-13渲染后效果图
4透明纹理映射
透明纹理是通过融合技术和纹理技术共同实现的。
所谓融合技术（blending）就是通过指定源和目的地颜色值相结合的融合函数，效果是使得部分场景表现为半透明。
首先在photoshop中编辑两张纹理，一张是把透明部分变白不透明部分变黑，而另一张相反即把透明部分变黑不透明部分变白（图2-3-14），
图2-3-14透明纹理
然后在3dmax中贴图，点击
，双击
把第二张贴图指向第一张。
贴图效果和渲染效果如图2-3-15
图2-3-15透明结构渲染图
2.4建模中常见的问题
2.4.1多实体拼接局部闪烁问题
实体建筑中，很多需要通过多个实体破解出来，并不是用一个简单的几何形状就可以描述出来的。
在拼接的过程中，可能会出现模型局部闪烁的现象，经过多次尝试，总结出来的原因通常是两种：
（1）用凹多边形来表示实体表面。
其中多数图形系统都明确规定，实体表面是不可以通过凹多边形来绘制。
一般来说，图形系统能够将实体表面的凹多边形进行自动的补偿或分割，把一个凹多边形分解或者拼凑成多个凸多边形。
但是与此同时这种自动转变与最初的建模设想很可能是不吻合的，所以最好的解决方法就是在建模时就将凹多边形切分成若干个凸多边形的组合。
（2）多边形位置重叠造成的Z值争夺。
如果说两个或两个以上的多边形中在某些点所在的空间位置上具有相同的深度值（Z值），那么在进行图形显示时，是没有办法正确判断哪一个多边形的点应该优先显示的。
因此出现有的帧显示这个多边形上的点，而有的帧则显示那个多边形上的点，从而会引起画面的闪烁。
这时候通过进行适当的子面设计或多边形剪切就可以避免这一现象的产生。
2.4.2冗余多边形
描述实体模型表面的数据通常会存在冗余现象，这里的冗余多边形最主要就是指在实体外部观察模型时不可视的部分。
例如，楼体的内墙面、底座面及楼层
升级会员 