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灰度圖建模
“灰度圖”是什么?很多SketchUp用戶甚至還從來(lái)沒有聽說過這個(gè)名詞。為什么要用整整一節(jié)來(lái)介紹與討論它?因?yàn)椤盎叶葓D”可以大大簡(jiǎn)化SketchUp 用戶創(chuàng)建曲面模型 的速度,并保證質(zhì)量,甚至可以借此創(chuàng)建其他方法無(wú)法完成的曲面模型;還因?yàn)椤盎叶葓D”大到城鄉(xiāng)規(guī)劃 設(shè)計(jì)、建筑 與景觀 設(shè)計(jì),小至家裝、家具 的雕塑 、雕刻都有用武之地,能解決大問題。所以,就有了本章的精彩內(nèi)容。
1. 灰度圖的 概念與用途
灰度圖(Gray Scale Image)又稱灰階圖。把白色與黑色之間的過渡,按對(duì)數(shù)關(guān)系分為若干等級(jí),稱為灰度 ?;叶确譃?56 階(28)。用灰度表示的圖像稱為灰度圖。除了常見的衛(wèi)星圖像、航空照片外,許多地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)也以灰度表示。此外,其實(shí)我們每個(gè)人差不多都跟“灰度圖”有密切關(guān)系:醫(yī)院里影像學(xué)診斷用的X 光片和CT 片等就是“灰度圖”,不過灰度的等級(jí)分得更細(xì),可達(dá)到210、212 甚至216 階。
上面說的灰度圖的“大用途”,后面有些例子會(huì)討論如何在SketchUp 條件下實(shí)現(xiàn)這種“大用途”。除了上述的“大用途”外,“灰度圖”的“小用途”更為豐富多彩:譬如現(xiàn)代家具上的“雕花部件”,除了少數(shù)手工雕刻的之外,大多是用CNC(Computer Numerical Control,計(jì)算機(jī)數(shù)值控制)機(jī)械加工的,而CNC 加工的依據(jù)可能就是用“灰度圖”生成的刀具 路徑。
2. 基于灰度圖 生成 浮雕 例
能用灰度圖生成模型的軟件 有很多,如Rhino、3ds Max、C4D、Zbrush、3Dcoat、Blender、ProE、Maya、JDpaint 等,如果你能熟練操作上述這些軟件中的任何一款,就可能對(duì)灰度圖有一定概念。如果你還無(wú)緣以上軟件中的一款,本節(jié)的內(nèi)容或許可以幫你個(gè)小忙。 圖18.1.1 ①所示就是導(dǎo)入SketchUp 的一幅灰度圖(網(wǎng)絡(luò)上有大量類似的灰度圖),可用它在SketchUp 里生成浮雕形式的立體,如圖18.1.1 ②所示,它仍然保留了灰度圖;然后用SketchUp 的默認(rèn)正、反面顏色替換掉灰度圖后就如圖18.1.1③所示。至于圖18.1.1④所示的是浮雕去掉無(wú)用邊緣后的另一種形態(tài)。從這個(gè)小例子可以看出,SketchUp 也有一定程度把灰度圖生成浮雕模型的能力。下面的圖18.5.1和圖18.5.3都是同類例子?!禨ketchUp曲面建模思路與技巧》里詳細(xì)介紹了幾個(gè)這樣的例子。
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圖18.1.1 以灰度圖創(chuàng)建淺浮雕(蓮花)
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圖18.5.1 淺浮雕示例1(如意花)
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圖18.5.3 淺浮雕(彌勒佛頭像)
3,獲取灰度圖(小用途)
想要獲適用于上面“小用途”的灰度圖,非常容易,有以下幾種方法。
(1)在“百度圖片”上以“灰度圖”為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索 ,就能找到無(wú)數(shù)的“灰度圖”,這 些灰度圖大多是用來(lái)做木材或石材雕刻用的,注意有些比較復(fù)雜的灰度圖很難在 SketchUp 里生成3D 模型。 3D relief art(3D 浮雕藝術(shù))、Grayscale(灰階)、3D laser engraving(3D 激光雕刻)。
3D cnc grayscale( 3D數(shù)控灰度圖)、CNC Sculpture(CNC雕刻)。
grayscale images(灰度圖像)、3D model(3D 模型)。
(3)把一幅可用于生成模型的灰度圖直接拉到“百度圖片”或“Google 圖片”的搜索框里,就會(huì)得到一系列相似的灰度圖,然后改變搜索條件繼續(xù)搜索,很快就能接近你想要的目標(biāo)。
至于如何獲取“大用途”的灰度圖是另一門學(xué)問,將在后面專門介紹與討論。
4, 灰度圖 制備 (場(chǎng)景模糊)
能用灰度圖生成模型的軟件有很多,而反過來(lái),能用來(lái)設(shè)計(jì)與生成灰度圖的工具卻相對(duì)有限。注意,這里指的不是用彩色圖片去掉彩色而成的灰度圖,那太簡(jiǎn)單了。也不是以雕刻軟件(如精雕)來(lái)創(chuàng)建灰度圖。
鑒于SketchUp對(duì)于線、面數(shù)量非常敏感的這個(gè)特點(diǎn),只要細(xì)節(jié)稍微多一點(diǎn),圖形稍微復(fù)雜一點(diǎn),就難以在SketchUp 里生成模型。下面介紹作者常用的簡(jiǎn)單方法,僅供參考。
1. 生成黑底與白色的圖像
(1)這個(gè)方法適用于任何有“模糊”功能的圖像工具,包括Photoshop、PhotoImpact ,甚至國(guó)產(chǎn)的“美圖秀秀”“圖片工廠”等。下面的例子用的是Photolmpact X3(簡(jiǎn)稱PI),因 為在我看來(lái)它最好用(關(guān)于 PhotoImpact X3 可查閱《SketchUp 材質(zhì)系統(tǒng)精講》4.3 節(jié))。
(2)新建一個(gè)圖像文件,800×400 像素,黑底。然后輸入一行白色的字母(圖像也可以),如圖圖18.3.4①
(3)點(diǎn)擊菜單“相片→模糊→模糊→在彈出的對(duì)話框里點(diǎn)選模糊的程度→反復(fù)幾次即可得到不同的模糊程度,如圖18.3.4和圖18.3.6②③所示。
(4)如使用Photoshop,可調(diào)用“模糊濾鏡”操作(略)
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圖18.3.4 原始圖形與兩種不同模糊度的灰度圖
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圖18.3.6 不同模糊度的灰度圖
5, 灰度圖制備(高斯模糊)
上面介紹的創(chuàng)建灰度圖的方法,那是一種對(duì)整幅圖像全部模糊生成灰度圖的方法,只能創(chuàng)建一些簡(jiǎn)單的灰度圖。下面要介紹的方法可稱之為“以選區(qū)與高斯模糊創(chuàng)建灰度圖”。這個(gè)方法適合比較熟悉Photoshop 并有創(chuàng)作能力的讀者使用。
5.1 簡(jiǎn)單的 高斯模糊 灰度圖
(1)圖18.4.1①是原始的黑白圖像,目標(biāo)部分是黑色的,需要變成白色的才能進(jìn)行下一步; 選擇 Photoshop的“圖像”→“調(diào)整”→“反相”菜單命令,即可獲得如圖18.4.1 ②所示的 結(jié)果。
(2)單擊Photoshop的“快速選擇工具”,單擊圖像的白色部分,得到選區(qū)“螞蟻線”,如圖18.4.1 ③所示。
(3)有了選區(qū),再選擇“濾鏡”→“模糊”→“高斯模糊”菜單命令,彈出“高斯模糊”對(duì)話框,移動(dòng)滑塊或輸入數(shù)值即可對(duì)選區(qū)內(nèi)的部分完成高斯模糊,滿意后確定并保存。圖18.4.1 ④所示就是保存后的灰度圖。
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圖18.4.1 以選區(qū)與高斯模糊創(chuàng)建灰度圖
5. 2 較復(fù)雜的 高斯模糊 灰度圖
(1)如圖18.4.3 ①所示,勾畫出創(chuàng)作對(duì)象的輪廓線,這部分工作可以在包括SketchUp 的其他軟件里完成后導(dǎo)入Photoshop(保留路徑)。
(2)在Photoshop 里用上面介紹的辦法,分成10 多個(gè)小區(qū)用“高斯模糊”分別創(chuàng)建灰度 圖,注意用不同的灰色區(qū)分高低、深淺,結(jié)果如圖 18.4.3 ②所示。
(3)這種有很多細(xì)節(jié)的灰度圖大多用來(lái)創(chuàng)建“刀具路徑”進(jìn)行CNC 雕刻。注意,大多數(shù)計(jì)算機(jī)無(wú)法在SketchUp 里順利生成這種浮雕模型,不推薦SketchUp 用戶模仿。
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圖18.4.3 創(chuàng)建較復(fù)雜的灰度圖
6 . 灰度圖 創(chuàng)建浮雕 工具 的比較
上面的例子都是灰度圖的“小用途”,現(xiàn)在能找到很多這種現(xiàn)成的灰度圖。至于“大用途”灰度圖,需要非常精準(zhǔn)的衛(wèi)星測(cè)繪,老百姓只能從權(quán)威渠道獲??;不過也有個(gè)例外,就是馬斯克,他可以自己發(fā)射衛(wèi)星。
有了灰度圖,到了SketchUp 里,除了SketchUp 自帶的原生工具與功能外,還要準(zhǔn)備好以下插件 之一才能生成3D 模型。 (1)Bitmap to Mesh(灰度圖轉(zhuǎn)網(wǎng)格,見《SketchUp 常用插件手冊(cè)》5.23 節(jié))。
(2)Scale By Tools(曲線干擾,見《SketchUp 常用插件手冊(cè)》5.12 節(jié))。
(3)SUbD(參數(shù)化細(xì)分平滑,見《SketchUp 常用插件手冊(cè)》5.24 節(jié))。
另外,還有一個(gè)需要特別交代的原則:在SketchUp 里用灰度圖生成模型,灰度圖上的每個(gè)像素將生成兩個(gè)三角面,稍微大點(diǎn)的灰度圖,可能會(huì)產(chǎn)生出幾十萬(wàn)、上百萬(wàn)、上千萬(wàn)的 面,有些復(fù)雜、精確的圖形,甚至可能生成上億的面,所以即便是用灰度圖創(chuàng)建相對(duì)簡(jiǎn)單的 3D 模型,也需要功能非?!皬?qiáng)悍”的計(jì)算機(jī)。普通 中低檔 計(jì)算機(jī)只能處理有限數(shù)量的線面,換句話講,就是一般的計(jì)算機(jī)只能用來(lái)做點(diǎn) “小玩意” 。
在《SketchUp曲面建模思路與技巧》第18章里會(huì)介紹盡可能做“大東西”的辦法,還有作者摸索出的一些小經(jīng)驗(yàn)。下面有個(gè)例子:
(1)圖18.6.1①是一幅404×642 像素的灰度圖,如果用插件Bitmap to Mesh(位圖到網(wǎng)格)生成浮雕,理論計(jì)算將產(chǎn)生“404×642×2=518736 個(gè)三邊面”中檔計(jì)算機(jī)沒有半個(gè)小時(shí)完成不了,還有很大機(jī)會(huì)半途崩潰罷工(作者計(jì)算機(jī)還行,實(shí)測(cè)生成后的結(jié)果有516663 面,776351 線,耗時(shí)25min)。
(2)圖18.6.1②和③是一樣的,都是用Curve scale(曲線干擾)生成的浮雕,②是向下凹入,③是向上凸出,都是31301 面,47521 線,線面數(shù)量?jī)H為前者的6% 左右(該值還可控)。操作過程冗長(zhǎng)(略)請(qǐng)見《SketchUp曲面建模思路與技巧》第18章。
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圖18.6.1 Curve scale(曲線干擾)生成的浮雕
下面用一個(gè)例子來(lái)說明灰度圖在SketchUp 里實(shí)現(xiàn)的“大用途”。
圖18.1.2①是代表某地山區(qū)(帶有高程信息)的灰度圖(網(wǎng)絡(luò)上有很多專業(yè)的網(wǎng)站可免費(fèi)提供這樣的灰度圖,后詳)生成真實(shí)地形模型后,圖18.1.2是②是再用同一地區(qū)的衛(wèi)星照片對(duì)黑、白、灰色的地形模型做投影貼圖 生成的“真實(shí)地形”(包含較準(zhǔn)確的尺寸與真實(shí)地貌);后面會(huì)介紹從獲取衛(wèi)星灰度圖、衛(wèi)星彩圖到生成模型的具體操作方法。
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圖18.1.2 用灰度圖生成衛(wèi)星地形
8,獲取地形灰度映射
民用衛(wèi)星遙感遙測(cè)技術(shù)發(fā)展至今不過短短二三十年(軍用衛(wèi)星的歷史更久),曾長(zhǎng)期被列為“機(jī)密”的地理信息就被人一覽無(wú)遺了,尤其是近些年來(lái),農(nóng)村鄉(xiāng)間小道、城鎮(zhèn)的小街 小巷實(shí)景都能輕易獲取。說句笑話:“衛(wèi)星之下,財(cái)主家的銀子都不知道往哪里藏是好?!?/font> 《SketchUp曲面建模思路與技巧》第18章,掃碼下載的附件里,有作者收集的二三十個(gè)國(guó)內(nèi)外能提供免費(fèi)衛(wèi)星遙感遙測(cè)數(shù)據(jù)資料的網(wǎng)站,其中絕大多數(shù)仍以提供傳統(tǒng)地圖為主,也有一些可提供高程數(shù)據(jù)的網(wǎng)站,不過太專業(yè)了,不大適合SketchUp 用戶創(chuàng)建地形模型所用。我們最需要的是能生成地形的灰度圖。
在浩瀚的衛(wèi)星遙感資源 中,終于找到了一個(gè)開源、免費(fèi)的,可以提供地形灰度映射的網(wǎng) 站,非常適合SketchUp 用戶獲取所需的“地形灰度圖”。這是麻省理工學(xué)院與斯坦福大學(xué)名為tangrams(七巧板)的height mapper(高度映射器)的研究項(xiàng)目,該項(xiàng)目已進(jìn)行了至少6 年。下面詳細(xì)介紹如何從tangrams(七巧板)項(xiàng)目中獲取“高度映射圖”(即灰度圖)的方法。
8.1 “七巧板高度映射器”網(wǎng)站
請(qǐng)打開以下域名的網(wǎng)站:https://tangrams.github.io/heightmapper/ 圖18.7.1 是打開此網(wǎng)站的首頁(yè)。這是一個(gè)可提供海拔數(shù)據(jù)的瀏覽器,最高處顯示白色, 零海拔處是黑色,黑白之間以不同的灰度表示不同的海拔高度?,F(xiàn)在看到的最白處就是我國(guó)的西藏與喜馬拉雅山脈及南美洲的智利山脈。右上角是參數(shù)的設(shè)置與顯示區(qū)。
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圖18.7.1 “七巧板高度映射器”網(wǎng)站
8. 2 初始默認(rèn)參數(shù)與顯示
圖18.7.1右下角已把“參數(shù)設(shè)置顯示區(qū)”放大并譯成中文。一開始,“自動(dòng)曝光”默認(rèn)是勾選的,所以“最大海拔高度”默認(rèn)是世界最高海拔8848m,“最低海拔高度”默認(rèn)是0m, 所以只能看到很少的白色與淺灰色(該參數(shù)可設(shè)置修改)。
8. 3 找尋目標(biāo)區(qū)域與設(shè)置
在圖18.7.1 所示的條件下是無(wú)法找到我們想要的目標(biāo)區(qū)域的。現(xiàn)在可勾選“地圖線”,可見到如圖18.7.2 所示的粗略地圖線,這就為縮小查找范圍提供了條件。
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圖18.7.2 顯示地圖線
8. 4 縮小查找范圍
假設(shè)需要“香港大嶼山”的地形灰度圖,用鼠標(biāo)滾輪不斷放大,鼠標(biāo)左鍵平移,再勾選“地圖標(biāo)簽”顯示地名,很快就可以把目標(biāo)定位在視圖中。
8. 5 獲取精確的灰度圖
香港大嶼山島主峰是鳳凰山(海拔為935m)以及大東山(海拔為869m)。為了得到最為精準(zhǔn)的灰度圖,現(xiàn)在把圖18.7.1①所指處的最大海拔高度直接改成935m(如不能確定視圖中最高海拔,可輸入數(shù)值測(cè)試,一直調(diào)整到灰度等級(jí)合理為止),最低海拔保留默認(rèn)的0m,出現(xiàn)我們所要的灰度圖,顏色最白處就是鳳凰山與大東山兩個(gè)主峰。(截圖略)
現(xiàn)在關(guān)閉“地圖標(biāo)簽”(隱藏地名),為了方便后續(xù)的應(yīng)用,建議輸出兩幅圖,一幅帶有 圖線邊界的灰度圖;再取消“圖線”勾選,輸出另一幅沒有圖線的灰度圖(截圖略)。輸出可單擊Export 按鈕(用截圖工具截圖可能不準(zhǔn)確),導(dǎo)航到保存位置并命名一個(gè)新文件。注意兩次導(dǎo)出之間一定不要移動(dòng)和縮放地圖。
還有一個(gè)重要事情,在縮放移動(dòng)地圖之前,務(wù)必把“Z :X 比例因子”(“Z: X 比例因子”描述了當(dāng)前視圖在Z 軸上的“高”與當(dāng)前視圖X 軸上寬度的比例)的一串?dāng)?shù)字復(fù)制下來(lái),本例中為“0.00010187365124040628”,后面在SketchUp里恢復(fù)真實(shí)高度時(shí)會(huì)用到它,至于其他的幾個(gè)“渲染”選項(xiàng),不很重要,請(qǐng)自行測(cè)試。
8. 6 另一個(gè)知名精確衛(wèi)星地形高程獲取途徑
USGS 美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey)。 美國(guó)地質(zhì)勘探局地球探索者數(shù)據(jù)庫(kù)“USGS Earth Explorer”。網(wǎng)站域名:https://earthexplorer.usgs.gov/ 。該網(wǎng)站可提供的數(shù)據(jù)包括地球資源衛(wèi)星系列、數(shù)字高程模型、高光譜數(shù)據(jù)、中分辨率成 像光譜、甚高分辨率輻射計(jì)等一系列數(shù)據(jù),非常專業(yè),但不一定全適用于SketchUp 用戶。
在《SketchUp曲面建模思路與技巧》第18.7節(jié)的附件里共收錄了24個(gè)遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資源,可供規(guī)劃、建筑、景觀等專業(yè)人員直接應(yīng)用或參考。
9,一個(gè) 地形高度映射圖應(yīng)用示例
9. 1 截取灰度圖
相關(guān)過程已經(jīng)在上面8.1節(jié)介紹過,這里要著重提示的是:勾選圖18.9.2 右上角小手單擊處,可自動(dòng)調(diào)整視口范圍內(nèi)的灰度;還一定要記下①所指的“X:Z 比例因子”。
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圖18.9.2 到“七巧板高度映射器”網(wǎng)站獲取灰度圖
9. 2 獲取貼圖紋理
可以用任一工具截取與灰度圖同一位置的彩色紋理,唯要求圖上必須有表示實(shí)際尺寸的比例尺標(biāo)示,如圖18.9.3 右下角箭頭所指處。
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圖18.9.3 獲取貼圖紋理
9. 3 灰度圖生成地形
這一步選用上面第6節(jié)介紹的Bitmap to Mesh(灰度圖到網(wǎng)絡(luò))或Scale By Tools(曲線干擾)工具都可以,但是要注意按你的計(jì)算機(jī)性能確定地形的尺寸與精度,依據(jù)圖18.9.4 的三處箭頭所指處有長(zhǎng)度、寬度像素值與總像素值。生成的模型如圖18.9.5 所示。這一步要注意留下一份灰度圖的備份(可放在另一圖層并隱藏)。
圖18.9.4 灰度圖生成地形
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圖18.9.5 已經(jīng)生成的地形模型
9. 4 調(diào)整灰度圖與紋理圖的方向及大小
完成這一步的訣竅是:先找到灰度圖與紋理圖都有的至少兩個(gè)相同的“ 特征點(diǎn)”, 并分別用直線連接兩個(gè)特征點(diǎn),如圖18.9.6①③所示,并把直線與圖片一起創(chuàng)建群組 。其中②是灰度圖組。圖18.9.6④表示用旋轉(zhuǎn)工具調(diào)到兩幅圖上直線的方向一致(X光模式+平行投影),再用縮放工具把兩幅圖上的直線調(diào)整到一樣長(zhǎng)(過程截圖略)。
9. 5 投影貼圖
這是稍微入門的SketchUp 用戶都掌握的技巧,如果你還不能熟練運(yùn)用此功能,建議閱讀作者撰寫的《SketchUp 材質(zhì)系統(tǒng)精講》一書(由清華大學(xué)出版社出版),這里就不展開討論了。投影貼圖完成后如圖18.9.7 所示。
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圖18.9.6 調(diào)整灰度圖與紋理圖的方向及大小
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圖18.9.7 投影貼圖完成后
9. 6 調(diào)整到真實(shí)尺寸( X 與 Y 方向)
上面提到過,不管用什么工具獲取地形紋理,都必須注意要有圖18.9.8 箭頭所指的代表真實(shí)尺寸的標(biāo)志和數(shù)據(jù),現(xiàn)在就要用這個(gè)標(biāo)志和數(shù)據(jù)來(lái)把模型調(diào)整到真實(shí)的尺寸,稍微入門的SketchUp 用戶都知道這個(gè)功能的用法,如果你是新手 ,建議閱讀作者撰寫的《SketchUp 要點(diǎn)精講》(已由清華大學(xué)出版社出版上市),這里就不再贅述了。
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圖18.9.8 把模型調(diào)整到真實(shí)尺寸(XY 方向)
9. 7 調(diào)整到真實(shí)尺寸( Z 方向)
還記得本節(jié)前面介紹獲取灰度圖時(shí)務(wù)必要記錄下“X∶Z 比例因子”嗎,現(xiàn)在就要用它來(lái)把模型調(diào)整到真實(shí)的高度了。所謂“X∶Z 比例因子”就是灰度圖的X 方向(紅軸)長(zhǎng)度與Z 軸方向的比例關(guān)系(注意灰度圖不能經(jīng)過縮放編輯)。
前面已提醒你要把一個(gè)灰度圖的副本保存在隱藏的圖層里,現(xiàn)在解除隱藏,用卷尺工
具量取灰度圖紅軸方向的尺寸,然后與“X∶Z 比例因子”相乘,得到的結(jié)果即模型的真實(shí)高度。圖18.9.9 箭頭所示5527.15英尺(約1685m)就是模型地形的真實(shí)高度。
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圖18.9.9 計(jì)算模型的真實(shí)高度(Z 方向)
如圖18.9.10 ①所示,從模型最低處(或海拔0 處)向上畫垂線,高度等于5527.15英尺(約1685m),用縮放工具把模型調(diào)整到與垂線同高。最終得到的地形沙盤如圖18.9.11 所示。若能嚴(yán)格按上述要領(lǐng)操作,XYZ各方向的誤差(含貼圖誤差)應(yīng)小于±1%
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圖18.9.10 把模型調(diào)整到真實(shí)高度
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圖18.9.11 最終的地形沙盤
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