趙競雄　朱文增

[摘要]詳細(xì)介紹如果對(duì)一個(gè)現(xiàn)有建筑模型進(jìn)行快速建模并進(jìn)行虛擬顯示的處理過程。首先使用徠卡三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有建筑模型的測(cè)量，然后使用徠卡Cyclone軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)出處理，接下來使用CAD或Imageware軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理得到相應(yīng)的模型，最后將模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的虛擬顯示。最后給出虛擬顯示的例子，并進(jìn)行簡單分析。

[關(guān)鍵詞]三維掃描技術(shù) 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 建模 虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0310011－01

一、引言

近年來，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)得到了迅速發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，一些先進(jìn)技術(shù)相繼出現(xiàn)或在原有基礎(chǔ)上有了更大領(lǐng)域的延伸。虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字城市、數(shù)字博物館、逆向工程等新技術(shù)相繼出現(xiàn)并進(jìn)入實(shí)用階段。但這些技術(shù)都不可或缺的需要進(jìn)行三維幾何建模，而傳統(tǒng)的AutoCAD、3DMax、MAYA等建模工具已經(jīng)逐漸不能滿足人們對(duì)復(fù)雜模型的建模需要，由此三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

不同于傳統(tǒng)的建模手段，三維激光掃描儀采用非接觸的測(cè)量方法，直接得到真實(shí)物體表面的采樣點(diǎn)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)即可以重構(gòu)出任意復(fù)雜的實(shí)體模型。這種方法不受模型的復(fù)雜度影響，而且模型的重構(gòu)精度取決于模型表面數(shù)據(jù)采樣的密度，因此三維掃描及相關(guān)數(shù)據(jù)處理、建模技術(shù)近年來發(fā)展迅速。

隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)正朝向更高深的方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、海洋探測(cè)、博物館珍品展示、虛擬樣機(jī)制造、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

二、三維激光掃描技術(shù)

三維掃描技術(shù)能獲得物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，它屬于一種立體測(cè)量技術(shù)。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）相比，它能完成對(duì)復(fù)雜物體的測(cè)量，特點(diǎn)是非接觸、精度高、速度快，能大幅節(jié)約時(shí)間和成本，并且其測(cè)量數(shù)據(jù)通用性比較強(qiáng)。這些優(yōu)勢(shì)使三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、影視特技、工業(yè)生產(chǎn)、刑事偵查、三維傳真和雕塑制作等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

某些特殊場(chǎng)合，三維掃描儀還具有獨(dú)特的、不可替代的作用。比如測(cè)量比較柔軟的物體，用傳統(tǒng)的接觸測(cè)量方法，很可能在測(cè)量時(shí)使物體變形，從而使測(cè)量結(jié)果不精確；而許多非接觸式的三維掃描儀以激光為測(cè)量媒質(zhì)，不會(huì)引起物體表面的變形和損傷。

三、數(shù)據(jù)處理及建模

一般情況下使用三維掃描儀掃描的時(shí)候我們希望掃描精度越高越好，這樣采樣點(diǎn)更多更精確，可以更準(zhǔn)確地捕捉被掃描對(duì)象的細(xì)節(jié)，但是在建模以及存儲(chǔ)傳輸?shù)臅r(shí)候點(diǎn)云規(guī)模越大建模時(shí)間越長，數(shù)據(jù)量越大，越不利于存儲(chǔ)和傳輸，因此需要在不同的場(chǎng)合選用適當(dāng)精度的數(shù)據(jù)，這就需要對(duì)掃描得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的簡化。

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的簡化，雖然可以減少建立網(wǎng)格模型的計(jì)算量，但是為了保證重建后網(wǎng)格模型的精度對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)不宜進(jìn)行過度簡化。網(wǎng)格模型生成后，根據(jù)不同的需要還可以繼續(xù)對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化。

對(duì)于得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以使用CAD或Imageware軟件進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的處理，利用數(shù)據(jù)點(diǎn)可以縫合成面，再對(duì)面進(jìn)行處理就可以得到整個(gè)實(shí)體模型。由于在三坐標(biāo)掃描過程中沒有記錄顏色信息，所以如果需要對(duì)模型進(jìn)行紋理或貼圖處理可以在3DMAX或MAYA中進(jìn)行模型的后續(xù)處理。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)

采用基于Open Inventor實(shí)現(xiàn)的VRML虛擬技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了虛擬顯示系統(tǒng)，取得了不錯(cuò)的效果。虛擬顯示系統(tǒng)使用TGS的Open Inventor組件開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為VC 6.0，可以實(shí)現(xiàn)模型的真實(shí)顯示，并可以通過方向鍵進(jìn)行漫游。圖1為天津市金湯橋的一個(gè)虛擬顯示。

五、結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)為復(fù)雜對(duì)象的快速建模奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)處理使簡化后的模型可以滿足顯示的要求，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為復(fù)雜模型的展示提供了可能。因此使用本文介紹的方法可以快速的對(duì)現(xiàn)有的建筑進(jìn)行虛擬模型展示，從而加快數(shù)字城市建設(shè)。

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