2.5维电子地图渲染方法研究

【前言】2.5维电子地图渲染方法研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。一、常规环境光渲染 常规的三维模型渲染方式是一种虚拟自然光照通过曝光效果突出立体画面感的渲染方式。这种渲染方法可以以多种光学设置展现模型的视觉效果，具有较高的灵活性。建筑的立体视觉效果通常使用摄影机视角、环境光与灯光进行配置。摄影机架设的位置决定建...

摘要：2.5维电子地图是介于二维地图和三维景观图之间的一种独特的地理信息表达方式，其制作过程的重要步骤是三维模型渲染。渲染方法有多种，其中主要有常规环境光渲染、AO贴图渲染等方法，两种渲染方法的成图效果各有利弊，本文将两种渲染方法结合，使用常规环境光结合AO贴图渲染融合成图，对这三种方法成图效果进行对比，进而论述2.5维电子地图较为理想的渲染方法，其成图作为GIS研发的数据储备。

关键词：2.5维电子地图环境光；AO；渲染

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

除了二维地图和三维景观图之外，2.5维电子地图是另一种地理信息的表达方式，它比二维地图更直观，比三维景观图易操作，而且最大的区别在于2.5维电子地图的底图是栅格数据而不是矢量，它由三维模型附加光影技术运用插件渲染而成。其中建筑模型是2.5维地图渲染的主要对象，它是体现城市景观的主要因素，对模型的渲染方法也是多种形式的，常规环境光渲染和AO贴图渲染是两种主要方法，两种方法在成图效果上有着明显差别，对地理信息数据的视觉清晰度和立体画面感有着重要影响。

一、常规环境光渲染

常规的三维模型渲染方式是一种虚拟自然光照通过曝光效果突出立体画面感的渲染方式。这种渲染方法可以以多种光学设置展现模型的视觉效果，具有较高的灵活性。建筑的立体视觉效果通常使用摄影机视角、环境光与灯光进行配置。摄影机架设的位置决定建筑物的呈现角度，原则是要体现建筑的整体形状和特征，摄影机垂直视角决定建筑的视觉俯仰角度；环境光的使用可产生全局光照，增强整体场景的亮度，保证阴影部分的模型不至于过暗；灯光设置用于产生类似于阳光的光学效果，产生阴影呈现出立体视觉感。

图1：模型光影部件平面配置（左）与剖面设置（右）示意图

目前，在建筑渲染的领域里，无论是单栋建筑模型效果渲染还是2.5维地图渲染大都采取这种渲染方式。前者体现重点建筑的整体容貌与轮廓特征，常用于建筑竣工效果展示[4]；后者体现特定范围内的建筑格局与区域容貌，常用于底图的制作。国内有很多企业拥有建筑与地图渲染的成果，如水晶石、伟景行等公司已经出品了相应的模型渲染成果。常规环境光渲染的光影部件的平面配置和剖面配置范例如图1。

常规设置光影部件参数后，渲染效果如图2。

通过效果图可以看出，在加入灯光和环境光进行曝光渲染后，通过阴影效果可以突出建筑的立体画面感和真实感，这种渲染方式在2.5维电子地图效果图表达方法中比较常见；然而，建筑模型面向灯光的一面，曝光后色调过于明亮，即使对光学参数进行适应性调整，也很难解决色彩对比度的问题，在阳台、飘窗、转角、女儿墙、屋顶等建筑部件细节已经不能分辨明显界线，如果降低曝光参数，又会导致整体亮度过暗、色调模糊等弊端。

图2：Vray渲染的曝光效果图 图3：AO补光原理示意图

二、AO贴图渲染

AO－Ambient Occlusion，“环境吸收”或者“环境光吸收”。Occlusion 就是提供了非常精确和平滑的阴影，就好像是全局照明的结果。在最终渲染后有多种方法来合成这些阴影会在真正意义上改善图像，主要能改善阴影，给场景更多的深度，真正有助于更好的表现出模型的所有细节[3]。

AO（Ambient Occlusion）贴图一种虚拟环境光的补光灰度贴图。首先从摄像机发出取样光线，取样光线和物体的交点，就是我们说的取样点，然后从取样点发出次光线（Probe Rays）。AO的次光线是求每一条光线是否被周围的物体所遮挡，如果遮挡了直接返回值，不做任何的Shader计算，也就是取样点的周围被物体阻挡着不让看到背景的百分比；作为AO每一个取样点其实就是渲染时输出的色彩值,原理如图3。

本文以小区景观为例，关闭全局光照和灯光，使用AO贴图渲染了一副灰度图，会发现此图与之前的景观图相比，亮度在区域内呈正比的同时，棱角呈现明显，明暗对比突出。如图4。

AO光影技术在动画、影视、效果图制作上都有广泛应用，其最先应用在3D动画领域，以增强三维视觉效果，但是AO的自补光方式也有着自己无法逾越的鸿沟，这种补光渲染方式的成图色调普遍偏暗，没有曝光的明亮效果[2]。在阴影或者狭窄角落出现暗色调乃至呈现纯黑色调的几率非常高。图5就是一个例子。

AO渲染成图后，图像没有虚拟光照形成的阴影，也不会出现曝光产生的亮度过大的不适感。但是在建筑物的间隙中色调非常暗淡，虽然色彩饱和度与清晰度很高，但是整体效果偏暗。

图4：棱角明显的AO贴图 图5：AO贴图渲染生成的建筑群成图

三、AO贴图结合环境光渲染

由常规的环境光渲染的光影效果容易导致曝光过度，产生画面刺眼，色调混淆等不协调感，由AO贴图渲染的光影效果画面亮度容易阴暗，亮度偏低，如果将两者的结合的缺点相互抵消，反而会呈现出成像上的优点。

曝光渲染成像亮度易大，AO渲染成像亮度易小，前后两者以正片叠底的方式结合，通过成像叠加透明度的参数调整可以得到一个比较理想的成像效果，原理如图6：

图6：AO结合光照成像渲染图原理

环境光渲染成图的难点在于如何调节亮度，为避免曝光度过大需降低灯光的强度倍增值，但是这种方法会使模型整体亮度降低，成图的色调偏暗；AO贴图渲染成图的难点在于贴图补光衰减值的调节，根据模型质量和光影参数值的调节保证成图亮度，但是如果亮度过高会导致画面虚化缺失立体感。所以不妨将两种渲染方法结合，用AO贴图叠加环境光渲染。

首先使用环境光和灯光对建筑模型产生照明，图像产生阴影效果和曝光效果，成图亮度高，部分区域亮度过大导致成像不实，亮度不易控制的问题通过AO贴图渲染来解决；用AO贴图渲染，取消环境光和灯光，关闭阴影和全局光照，用AO贴图渲染成图，颜色为黑白成像，后期将AO贴图以正片叠底的方式叠加，设置透明度参数以调整画面亮度。在光照成像的基础上，建筑的拐角、屋顶、女儿墙、飘窗等细节在AO贴图叠加的影响下被增强，成像效果较为理想。

下面简略介绍一下两种渲染方式结合中的重要因素。灯光的作用是实现虚拟阳光的照明效果，是模型产生阴影，它的角度和强度等参数决定了模型整体的成像亮度；环境光的作用是微调模型亮度，虚拟地物漫反射的光学效果，保证灯光产生阴影遮盖下的模型的清晰度；AO贴图采用的补光方式与光照产生的明暗效果虽然呈正比，但是它类似于对明暗效果进行灰度级锐化，反色叠底后，模型成像的立体效果明显。三者结合使用，避免了微调这三种技术参数的难度。图7为小区景观三维模型三种渲染方式的效果对比图。

图7：左为环境光渲染，右为AO贴图渲染，中为两种渲染的结合

从整体光学效果上看，左图的建筑部件已经分辨不清，成像有些刺眼，但是色调为暖色调，光照产生的真实感显而易见；右图为AO贴图渲染，虽然立体感很强但是色调为冷色且偏暗。中图为两者结合后的效果图，从单栋建筑模型渲染效果对比看得更加明显。在建筑墙面和拐角、楼顶、女儿墙、飘窗等细节上叠加AO贴图后，一目了然。

结语

综上所述，AO贴图渲染对常规环境光建筑模型渲染效果图的曝光过度有着很好的纠正作用。单纯地使用AO贴图渲染出的效果亮度偏暗，与易曝光过度的常用光影设置正相反，AO贴图渲染很容易导致部分显示效果亮度过低而使整体画面偏暗。AO贴图结合常规光影效果的渲染可以相互弥补各自的缺点，这种方法在2.5维电子地图的制作中可以使用[5]，相得益彰的视觉效果可为2.5维电子地图提供理想的底图基础。

参考文献

[1] 李杰光.3DS Max&VRay建筑全模型渲染（第二版）[M].北京：人民邮电出版社,2013.4

[2] 林军政.3ds Max/VRay建筑动画技术精粹[M].北京：清华大学出版社,2011.9

[3]陆伟民,人工智能技术及应用[M].上海：同济大学出版社，1998:9-33

[4] 吴庆东,张龄,冉凌风.城市老社区公共服务设施发展困境与优化对策研究――以陆家嘴地区为例[J].上海城市规划,2012(1):49-54

[5] 田宜平,李伟忠,何珍文.数字城市中三维数字社区的解决方案[J].地理空间信息,2004(1):223-225