政大校園多功能虛擬三維模型之精緻與精確模型數位化建置

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(1)國立政治大學校務發展研究計畫九十八學年第二學期成果報告. 政大校園多功能虛擬三維模型之精緻與精確模型數位化建置. 執行期間：民國99年4月1日至100年3月31日. 執行單位：地政學系傳播學院數位內容碩士學位學程. 計畫主持人：林士淵共同主持人：陳聖智計畫參與人員：陳宜僅呂凌慧徐帅庭曾韻如蕭旭剛 1.

(2) 摘要近年來進行城市之三維建模時，為描述特定建模對象之地理位置與空間幾何特性，可快速並準確獲得三維資料的多元空間資訊（geomatics）技術，已逐漸帶入數位化三維建模之應用。除了空間資訊之賦予，以數位媒體來探究數位典藏，亦是實際可行並可達到資訊傳播推廣的方法，包括 3D 模型製作、模擬操作、動畫製作、虛擬導航、以網路為基礎的虛擬展示系統、以及文化遺產的實體計畫，皆為數位媒體於空間資訊與地理環境展示的應用，提供知識保存與擷取的另一個方式。雖然前述二種方法皆可建置欲數位化典藏城市之三維模型，但是空間資訊技術著重於量測成果之精確度（accuracy），而數位媒體方式則是以建築美學出發，強調模型之精細度（level of detail），因此，本計畫將以國立政治大學部分校區為實驗基地，分別由地形與建物二個部分探討實驗區域真實三維模型之建立。在地形的部分，採用多元空間資訊科技，建立涵蓋實驗區之高解析度且高精度的三維數值地形模型，作為欲數位化建模內容之空間基礎。接著利用數位電腦輔助設計（CAAD）建模技術，建立實驗區內各個建物之高精細度模型，達到可真實呈現各個建物之外觀與特色之目的。由於不同方法所建置之模型具備不同之特性，整合後之模型即為兼具精準度與視覺美學及真實性結合之虛擬三維模型，為數位校園典藏內容之具體有效呈現。關鍵字：數位典藏、空間資訊、數位媒體、數位模型. Abstract City model has been proved as a useful tool in various applications. In order to improve the efficiency of model construction, and also to upgrade the quality of the 3D city models, a digitising method for constructing accurate and high level of detail (LoD) 3D model is developed. It is proposed to produce 3D terrain and building models separately, and then integrate them afterwards. The terrain model is generated using multiple geomatics techniques, in which the reference terrain is created using aerial photogrammetry technique. Additionally, the GPS RTK (Global Positioning System Real-time Kinematic) method is applied to refine the resolution and continuousness of the terrain surface. As a result, a high resolution and accuracy terrain model is obtained. Regarding the building models, a ground surveying method using total station instrument is firstly introduced to provide primitive models of buildings of interest. The computer aided design technique is then applied to upgrade the level of details of the buildings. As the terrain and building models are produced in the same reference spatial frame, the co-registration is accomplished automatically and therefore can be imported and edited simultaneously in any software environment. Once the refinement is finished, the city model which is of high resolution, high accuracy and fine level of details is achieved. The proposed method was applied in part of the campus of the National Chengchi University. The terrain model was generated using aerial photogrammetry and GPS RTK methods. The building models were produced based on primitive CAD models derived from ground surveying and the LoD was subsequently upgraded up to level four. After the integration, the accurate and high LoD 3D model was demonstrated. Keywords：Digital archives, Geomatics, Digital media, Digital model. 2.

(3) 一、研究背景與目的數位化資料，不僅是文字內容，往往也包含圖片、聲音、影像等多媒體檔案，因此會有不同的需求與技術支援方案產生，在 2D 圖面與 3D 模型工作流程，整合各類影像編修與視覺解決技術方案，並支援多元格式，以便在 3D 應用程式之間交互處理。這些電腦與通訊技術包括電腦輔助設計（CAD）、電腦輔助建築設計（CAAD）、電腦圖學（CG）、虛擬實境（VR）、地理資訊系統（GIS）、與衛星定位系統（GPS）、攝影測量技術（Photogrammetry）、衛星影像、網路技術等，由於此類技術的快速發展，在實際應用上廣泛開啟了都市景觀視覺化與都市資訊整合的機會（Chiu and Lan, 2001; Sasada, 1999; Day and Radford, 1998），而整合成果除了提高都市的三維可視化程度，該都市模型與各類資料結合後，更是擴展了其應用範圍。基於數位都市模型所帶來之優點，本計畫將以相同的概念，整合上述所列多元化技術，建置數位化之政大校園三維模型。為能讓此模型可符合後續各種可能發展之需求，例如：校園導覽、校園規劃的視覺模擬、永續經營規畫以及校園史蹟的數位典藏等，本計畫所建立之模型必須同時滿足幾何上的高精確度，以及視覺美觀上的高精細度。據此，本計畫擬分別由地形與建物二個部分探討政大校園真實三維模型之建立，結合地政測量與建築美學，並整合測量資料擷取分析系統之精確度，建立電腦應用於視覺模擬的方法、視覺模擬之架構、3D 模型之建構的數位化研究架構與產出。在地形的部分，將由計畫主持人利用地政學系所有之軟硬體設備，並整合各類空間資訊（Geomatics）科技，建立涵蓋完整政大校區，且具備高解析度、高精度特性的三維數值地形模型，作為校園模型建立之基礎。校區內建物的部分，將由本計畫共同主持人設定建立示範之執行區域，利用三維建模技術，建立實驗區內各個建物之高精細度（Level of Detail）模型，達到可真實呈現各個建物之外觀與特色之目的。此對政大此時與將來之工程品質管理與校園風貌息息相關，更對於校園美化措施，校園實體空間擴展之可行性提供視覺模擬評估方案。整體而言，本計畫之具體研究目標為： 1、利用全球衛星定位系統即時動態測量(GPS Real Time Kinematic)方法，量測並製作高解析度且高精度之政大校區三維地形模型。 2、採用三維表面套合技術(Surface Matching)，整合前述之地形模型與航空攝影測量方式所製成之地表模型，得到涵蓋面積完整且精確度高的三維地形成果。 3、以三維建模技術建立示範之執行區域內各個建物之高精細度模型，真實呈現各個建物之外觀與特色。 4、選定實驗區域後，結合上述之地形成果與建物模型，製成政大校園之真實三維模型。. 二、多元數值地形模型之製作圖一中框選範圍為本計畫選擇之實驗基地（本文以下稱此區為「政大綠帶」），分別由地形與建物二個部分探討該區域真實三維模型之建立。在地形的部分，採用航空攝影測量以及全球定位系統測量方法，建立涵蓋實驗區之高解析度且高精度的三維數值地形模型，作為數位化內容之空間基礎。. 3.

(4) （一）航測數值地形模型航空攝影測量為一門將二維航攝影像處理為三維地表模型之技術。在選定待測地區後，利用裝載在航空器上之攝影機所拍攝之重疊影像，即可製作出表示該地區三維地表資訊之數值表面模型（Digital surface model, DSM）。據此，本實驗將三張地面解析度為 20 公分之政大校區空照影像，以及拍攝時已知之像機內、外方位資料，輸入至 Leica Photogrammetric Suite（LPS）軟體，並依據航空攝影測量標準工作流程，製作航測數值表面模型。由於此成果為後續典藏對象坐落位置之空間地形基準，為求得到高連續性且涵蓋精確三維資訊之圖一：本計畫之實驗區「政大綠帶」地形表面，在航測處理過程中搜尋共軛像點階段，嘗試 LPS 軟體中各種影像匹配策略，以求得到最佳成果。而在決定最佳匹配方法之後，實驗中亦分別製作空間解析度為 2 公尺、1 公尺、以及 0.5 公尺之表面模型，經比較後，本研究採用解析度為 0.5 公尺之數值表面模型作為數位典藏對象模型之地形基準（圖二(a)）。以航空攝影測量方法製作數值地表模型時，若在立體像對中影像有遮蔽、陰影或是呈現均調的情形，在影像匹配階段容易造成共軛像點搜尋不易及點位匹配錯誤，一旦該項問題發生，在所得數值地表模型成果中該區域資料便容易出現破碎、雜訊及模糊等現象。除此之外，在現實環境中高程突然劇烈變化之區域，例如斷崖、橋樑等地物，若影像處理過程中無法產生足夠的共軛像點或是沒有斷線（Breaklines）加入，數值地表模型成果中會造成地表起伏表現失真的情形。為求地表模型所記錄之地表資訊完整性，當上述問題發生時，便利用下節所述方法快速修補航測數值表面模型中此類區域。（二）GPS RTK 數值地形模型全球定位系統（Global Positioning Systems, GPS）中即時動態測量（Real-time kinematic, RTK）是由已知坐標點的主站和一個移動站，透過無線電數據通訊設備，將所接收到的 GPS 觀測量傳送到移動站的電腦上，與移動站本身所接收的觀測資料聯合，以 On-the-fly（OTF）週波未定值搜尋法快速解算週波未定值，計算移動站的瞬時坐標，此種方式是一種快速的測量方式，可以在短時間內獲得大量的點位，並可以達到公分級的精度（曾清涼、儲慶美，1999）。根據此特點，可知 GPS RTK 技術可快速獲取航測 DSM 中破碎或是高程差異明顯區域之三維地表模型。本研究將針對校園中一處高程差異明顯之區域（見圖二(c)），利用此方法，獲取該區之準確地形模型。首先利用政治大學校區內一已知坐標之固定站作為主站，而移動站的部份，為求 4.

(5) 在不同地形上便利接收資料，本實驗將 GPS 接收儀之天線固定在滑板車上，量測天線高後，設定儀器於滑板車行進中每兩秒接收一個點位，在此區域量測得到 3,488 筆點位資料，初步檢視點雲成果並刪除明顯錯誤點位之後，接著使用 GeoidINT 程式，將觀測資料由橢球高轉換為與航測 DSM 相同之正高系統。GPS RTK 測量之帄面位置如圖二(b)中藍點分布所示。（三）數值地形模型中建物基地範圍界定套合航測與 GPS RTK 數值表面模型後，為提供後續建物模型之空間設置，必須在完成整合後之數值表面模型中界定建物之基地範圍。其作法為在航空正射影像中選取若干控制點後，至現場各控制點點位架設全測站儀器，利用控制點之已知坐標資訊，以前方交會方式計算基地角點坐標，進而繪製出建物基地邊緣線，最後再刪除基地邊緣線內涵蓋的所有航測計算所得之地面點，成果即為建物模型放置之基礎（見圖二(b)）。. (b). (a). b）. (c) 地面. 河堤步道陸橋河堤步道圖二：(a)為點雲形式之航測數值表面模型，背景為正射影像；(b)為刪除建物部分點雲，並加上 GPS RTK 之模型；(c)為局部 GPS RTK 點雲模型，並以顏色表示高程資訊，顏色愈深代表高度愈高。. 5.

(6) 三、三維建物模型之製作（一）建物 CAD 模型為得到精確之基礎建物模型，本計畫利用前述界定建物基地邊緣線之測量方法，至實地觀測建物外觀之邊角點以及特徵點，量測這些點位之三維坐標，並依序連接所有點後，即可得到一幾何位置準確（Accurate）但外觀精細度低之模型，利用此初步建物成果作為建置後續高精細度建物模型之骨架（見圖五(a)）。（二）高精細度三維建物模型數位建物建置架構以四個項目為主：資料收集、帄面資料、電腦 3D 模型、以及電腦動畫製作。資料收集包括紙本文獻、有比例的圖面、與現場照片等。帄面資料必須收集電腦輔助繪圖的檔案，帄面圖、立面圖、與剖面圖等。電腦 3D 模型則是帄面轉立體、量體、與材質貼圖。最後，電腦動畫製作的主要內容是光源、攝影機、輸出格式設定、與剪輯等。帄面資料是以調查研究報告書的內容為主。除了對於建築物歷史發展與相關細節的認識之外，各種圖面是建構電腦 3D 模型的基礎資料（陳聖智，2008）。有別與過去以帄面圖與立面圖繪製基本 3D 圖面，本研究結合精確的實際測量 CAD 模型，將過去方法加以精進，依據該建築物的數值模型建構 3D 模型。其次以電腦 3D 軟體建構電腦 3D 模型，包括建築外觀與重要的地景，並且將現場拍的建築材質照片貼於模型上，以儘量擬真為原則。其中以光源與算圖的設定仍是重要的一環，這個程序將決定呈現時的亮度與視覺角度以及牽涉真實性的視覺感受及科學上的精準度。數位影像與比對數位資料，透過 CAD 模型與地形與建物的關係圖等，作為判斷建物與地形與比例大小，利用電腦 3D 軟體建構技術，依據該建築物的帄面圖與立面圖，界定建物基地邊緣線以繪製基本圖面。其必要資訊包括欲建模對象物的模型數值與建築圖像，並且以匯入 CAD 模型的方式提供建築位置與高度。其次，將基本資料以電腦 3D 軟體建構 3D 數位。為達到高精細度三維模型，對於建築物的外觀，以材質貼圖的處理技術獲得，並加入材質烘培技術將光貼圖回貼，包括建築外觀與重要的影響空間辨識的標地物，並且將現場拍的建築材質照片貼於模型上。最後，檢視 3D 模型與實體模型的外觀相似度，且依據數值地形模型結合量體模型的高度，完成實際建築物與地面接合的關係。在模型的處理上本研究也提供製作兩種模形：一種為高面數（High poly）模形；一種為減面過後（Low poly）的模形。高面數模形對於視覺模擬有極佳算圖效果；減面模形有利於未來即時算圖上的運算能力應變。由高面數模型減面後，再進行 UV 貼圖的重調與骨架、材質的重置。相對於精準模形在減面時，對於模型的細部結構以貼圖的方式來呈現，如鐵窗、欄杆或其他細節部分構件等。模型進行優化及減面可以在保留模型原有細節，並可以將優化後的模型保存為一些常用的 3D 格式。本研究提出以高精細度三維建物模型與低面數的模型結合精確 CAD 模型的操作步驟，呈現具精細模型的品質，其主要的操作流程架構如下圖三所示。. 6.

(7) Check polygon. Texture baking. Check data. CAD 精準測. 3D 建模. 材質貼圖. 模型減面. 高精細模型. 量數值模型量體尺度定位方式. 減面. 貼圖處理. 重建. 指定路徑. 空間關係 AutoCAD, 2D；3D. 周邊環境. Unwrap. Maya, 3ds Max. Photoshop後製處理. 圖三：結合精確 CAD 與高精細度三維建物模型與低面數模型製作之主要操作流程。材質貼圖是設定構成多邊形的各頂點，要如何把光源反射過來的光源反射回去的參數集合。貼圖除牽涉到影像校正（Image rectification）外，尚有法向量的方向關係，法向量與是否破面的問題影響顯示的穩定性因而需要將多餘的面去除外並檢查座標方向性。法線（Normal）是用來提供算圖所需的資訊，軟體會依據它與視線間的夾角來判斷面的可建與否，或依據它與光線間的夾角來計算受到照明的程度。法線表示多邊形的方向，若設定錯誤的話，打光處理就會出現問題。在計算模型的陰影和聚光的形狀時會使用到這個參數，因為必須要先知道一個面的方向，才能判斷照射到一個面的光線會以何種角度反射回來。以圖層為基礎的頂點繪製工具（Vertex Paint Tools），以熱輻射與材質算圖處理來產生如同影像一般真實的環境，並包含有 UV Unwrap 的材質工具透過場景製作與編輯功能表，能將場景、模型透視角度、旋轉與碰撞設定、光源設定、鏡頭、燈光、彩現、物件的材質設定與材質與貼圖等。在造型處理方面，具快速且細緻的多邊形、貼圖的完整組合，算圖處理（Rendering）上的快速，混合的掃描線算圖引擎包含了「全域照明（Global illumination）」算圖處理。搭配著能夠對貼圖頻道（Map channel）與合成作業進行精密控制介面數位式補色繪製處理（Digital matte painting），配合影像編輯處理，可建立出接近真實景像的擬真環境。為描述真實景像的擬真程度，表一列出四種等級的模型精細度（Levels of detail，簡稱 LoD）（Chiu and Lan, 2001; Day and Radford, 1998, Ligget and Jepson, 1995）。LoD 在模擬區域的適合程度與細部的有用性是相關的，理想上每棟建築物被限制在二萬個多面體以內或提升視覺模擬效能的最佳化。為求真實表達欲建置之建物，本計畫所製作的建物模型為達到等級三至四（Level 3-4）的模型精細度（參見圖四）。表 1：本研究採用細部精緻程度之定義。 Level 1. Level 2. Basic volume by lofting. Level 1 + roofing + elevation with. Level 3. Level 4. Level 2 + Ground Level 3 + level details windows, doors +. mapping. detail mapping. 7.

(8) 圖四：本研究建置不同精細度等級之建物模型，右為等級三之政大校門口附近建物模型，左為等級四之政大中正圖書館模型。. 四、三維地形與建物模型之整合傳統三維城市或是校園模型之製作，亦先將建物與地形分開處理，再行整合。其中製作建物模型的方法主要是採用影像為主之相關技術，首先利用地形圖定位建築帄面輪廓，再根據航空照片製作屋頂形狀，以及現場拍照輔助取得修圖製作材質，產生建物量體模型（Day et al., 1996）。而地形的部分多由地形圖中的等高線資訊取得。最後，透過量體建構結合方法與對位控制調整，達到地形與建物模型組合與整合（Model assembly and integration）的目的。雖然此套方法仍然可行，但所需人工介入的程度較高，且較無法掌握建物模型的幾何精確度。數位城市(digital cities) 從一個實質城市到一個虛擬資訊城市等有不同的定義與願景 (Mitchell, 1994; Ishida, 2000)。3D 數位城市已成為一個城市形式表達的方案，提供特別的功能例如探路(way-findings)、導覽(navigation)與虛擬訪問等(virtual visits)(Morozumi et al, 2000)。本研究反映一個城市的概念形成與再現方式透過政大校園實現技術方法上精進。主要達成有：一、技術分析研究，以了解最新的技術層面以及應用方式與過程。二、測量技術與數值模型的提供提升了視覺呈現的精準度與精緻度。三、依據資料及現況與軟體硬體資訊相結合，整合運用技術的方法以提高效能最佳呈現，其建構主要包含場景和物件兩種元素，且通常是在不同的軟體中處理，一部分的軟體負責場景的建置、互動機制的安排、視覺介面切換等，另一部分則負責 3D 模型和物件建立，最後再加以統合，成為完整的虛擬實境。四、將整個過程及所需的技術紀錄並提出一套完整流程，本研究亦從建築設計的應用領域出發，針對基礎資料進行分析，提擬虛擬空間設計計劃準則與視覺模擬呈現。而本計畫所提出的方法中，由於建物模型的產生即是以實地測量所得之精確 CAD 模型為基礎，其空間位置已處於與地形模型相同之絕對坐標系統。因此完成實驗區內各棟建物之高精細度三維模型後，地形與建物模型之整合即為一完全自動化之步驟。據此特性，在各階段不同精細程度之地形與建物模型皆可快速自動化整合（如下頁圖五所示）。研究成果模擬視覺呈現如圖六政大校園完成區域算圖；圖七各角度視覺模擬。 8.

(9) (a). (b). (c). 圖五：不同階段之地形與建物模型之整合，由上至下分別為(a)航測地形點雲與 CAD 建物模型之整合；(b)高精細度建物模型量體素模；(c)敷貼正射影像之地形與高精細度建物模型之整合。. 9.

(10) 圖六：政大校園完成區域算圖。. 10.

(11) 圖七各角度視覺模擬。. 11.

(12) 五、結論與建議為因應三維校園之數位建置與典藏需求，本計畫提出整合電腦輔助建築設計與空間資訊技術之方法，以快速建立精緻與精確虛擬三維校園模型。其中，地形的部分以數值航空攝影測量技術為主，可快速求得全面性的地形資料，若有需要，可再輔以 GPS RTK 測量方法，獲取特殊地形之細部區域地形模型，套合後即為三維數位校園模型中高準確度之地形基準。此外，空間測量方法亦應用在建物模型的產生，利用航測正射影像與地面實地測量方法，可得到幾何性精確的建物基本 CAD 模型，接著再使用電腦輔助設計軟體進一步塑模與敷貼材質，得到高精細度之建物模型。而在最後整合的部分，由於建物與地形模型皆架構在一致之絕對坐標系統，因此地形與建物模型之整合更為一即時自動化之步驟。在技術上達到可製作兼具精準度與視覺美學及真實性結合之虛擬三維模型後，如何充實模型之典藏內容為後續研究的重點。為具體有效呈現數位校園之典藏內容，將導入 3D 地理資訊系統架構，探討地理現象的展示方式與其間典藏數位對象之空間關係的分析方法及技術，並將討論如何在資料表徵與虛擬化的 3D 空間模型中，加入時間與空間概念的分析技術，預期下一階段之成果將可擴大虛擬三維校園之應用範圍，亦可擴展數位典藏實施之概念與方式。. 參考文獻陳聖智（2008）〈虛擬紅毛城：以保存為導向的數位化與虛擬化流程初探〉，國立交通大學土木工程學系博士論文。曾清涼、儲慶美（1999）《GPS 衛星測量原理及應用》，台南市：國立成功大學衛星資訊研究中心。 Chiu, M.L. and Lan, J.H.（2001）Discovery of Historical Tainan: A Digital Approach, Automation in Construction, Vol. 10, No.3, 355-364. Day A., Robson J., and Bourdakis, V.（1996）Living with a virtual city. Architectural Research Quarterly, no. 1, vol. 2. pp. 84-91. Day, A.K. and Radford, A.（1998）An Overview of City Simulation, Proceedings of CAADRIA 1998, Osaka, Japan, 183-192. Ligget, R.S. and Jepson, W.（1995）Implementing an integrated environment for urban simulation: CAD, visualization and GIS, in Koutamanis, A. Timmermans, H. and Vermeulen, I. （eds.）, Visual Databases in Architecture, Avebury, 145-160. Sasada T.（1999） Computer Graphics and Design, CAADRIA99, Shanghai, 21-29.. 12.

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