毛 杰,張西童,吳珍珍,李麗雪
(河南理工大學測繪學院,河南焦作454000)
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基于三維激光掃描技術的景觀石重建技術
毛 杰,張西童,吳珍珍,李麗雪
(河南理工大學測繪學院,河南焦作454000)
摘 要:以獲取某校景觀石的三維激光掃描點云為實例,解決在三維激光掃描過程中由于環(huán)境因素、信號干擾等產生點云噪聲的問題,并對點云拼接、點云濾波、模型重建等方面進行探討;對基于點云數據建立的模型進行影像紋理映射的研究,并對在紋理映射中出現的各種問題進行探討與解決,總結出一種從點云數據的采集到建立具有真實感的三維模型建模方法。使用RiSCAN pro,Geomagic Stdio 11逆向工程軟件以及3ds Max軟件進行處理和解決,最終實現了復雜表面物體的三維模型重建。實驗結果表明,文中方法能夠快速準確地處理三維激光掃描儀所獲取的點云數據,對實現復雜表面物體快速三維可視化模型重建具有一定實用性。
關鍵詞:三維激光掃描技術;點云數據處理;紋理映射
三維激光掃描技術作為一種新興的全自動高精度現代測量技術,具有效率高、成本低、適應性強、信息量豐富以及能夠快速獲取地表實體三維信息等特點,成為空間數據獲取的重要手段,從而在模型重建中得到廣泛應用。國內外相關研究主要有:Hoppe提出了利用無結構點云數據精確地實現分段光滑曲面的自動重建方法,該方法分為初始曲面估計、格網優(yōu)化和分段光滑曲面優(yōu)化3個階段[1]。李永強等人運用地面型三維激光掃描儀完成了洛陽白馬寺齊云塔三維表面重建工作,并根據觀測結果精確計算了齊云塔的中心偏移參數,為以后該寺古建筑的保護與修復提供了強有力的數據支持[2]?;舸貉嗟热酥饕芯苛嘶跀底謹z影測量工作站,并以航空立體像對為基礎進行城市三維建模數據的采集方法[3]。邱俊玲等人以內蒙古白音諾爾鉛鋅礦為例,對基于三維激光掃描技術的礦山地質建模與應用進行探討,可為覆蓋區(qū)礦產綜合預測提供3D礦床模型以及預測要素空間形態(tài)特征等方面提供參考[4]。張玉紅等人以Skyline為平臺,C#為開發(fā)語言建立城市三維管線系統(tǒng),明確了地下各個管線的空間位置關系,實現了管線的查詢和分析功能[5]。侯飛等人以徐州市獅子山楚王陵為例,實現了基于三維激光掃描技術的古陵墓的可視化,構建了精準的古陵墓三維景觀模型[6]。在以往三維模型重建研究中,由于數據源的限制,直接制約了所獲取對象數據的完整度,使得在三維建模工具如Auto-CAD、3dsMax等建模軟件在建立精細不規(guī)則模型時不僅耗時,而且不易實現對目標的精細建模,而三維激光掃描技術的出現和發(fā)展能夠較好地解決該難題。本文以地面型三維激光掃描系統(tǒng)Riegl VZ-1000所獲取某高校的測繪學院門前景觀石的激光掃描數據為研究對象,對模型重建過程中點云拼接、點云濾波、構建三角網以及紋理映射及其渲染等關鍵性技術進行了探究,實現了景觀石的精細模型重建。
利用三維激光掃描系統(tǒng)建立的具有真實感的實體三維模型,其工作流程主要包括:實體掃描、點云數據預處理以及三維表面模型構建三方面內容。本文以地面型三維激光掃描系統(tǒng)Riegl VZ-1000所獲取某高校測繪學院門前景觀石的激光掃描數據為研究對象,詳細分析了在測量中由于環(huán)境因素、信號干擾等產生的點云噪聲點去除問題,對點云拼接、三角網生成、模型重建以及基于影像信息的點云數據模型紋理映射等技術進行了探討,最終實現復雜表現物體的三維重建,具體技術路線如圖1所示。
圖1 技術路線圖
1.1點云數據采集
在利用三維激光掃描儀對目標對象進行點云獲取的過程中,容易受到掃描儀場景大小以及視場角的制約,通過一次掃描往往不能獲取完整目標點云數據,這就需要根據目標對象形狀大小以及復雜程度,合理放置標靶并從不同角度進行多站點掃描,從而獲取多組重疊掃描數據。在進行掃描之前需要制定詳細的掃描方案,主要包括掃描目標的特點以及精度要求,同時在架設掃描儀時需要架設在視野開闊、遮擋物比較少的地方,保證架設最少的站數達到獲取最完整的點云數據。
本文以某高校測繪學院門前的景觀石為實驗研究對象,采用Riegl VZ-1000三維激光掃描儀進行點云數據采集的實驗。根據制定的方案在景觀石周圍放置4個標靶,架設3站完成觀測。為了能夠實時觀察檢驗數據的完整性,防止出現數據的大面積缺失導致建模精度損失的現象發(fā)生,在采集過程中配合使用了RiSCAN pro軟件。
1.2點云數據預處理
1.2.1多視角對齊
由于進行了3站掃描,因此,需要將3組掃描數據結果進行對齊、拼接。點云對齊、拼接可以通過在物體表面布設同名控制點來實現,基本原理為設在P,Q兩個視角下獲得的具有部分重疊區(qū)域的測量數據點分別為相對應的數據點集,若在數據點集P中提取一個子集{mi|mi∈P,i=1,2,…,N},在數據點集Q中有一子集{m′i|m′i∈Q,i=1,2,…,N}與之各點對應,配準就是求解在兩個不同視角(坐標系)下,三維數據點之間的坐標轉換關系R和T,其中R為旋轉矩陣,T為平移矩陣,使得目標函數達到最小化,即多視對齊的實質是計算滿足如下目標函數的旋轉和平移變換矩陣
其中pi,qi為需對齊的點。
通過上述原理分析可知,為了實現目標對象的完整點云數據,需要將掃描的各測站掃描的點云數據進行配準,實現獨立坐標系的統(tǒng)一。目前,在實現激光掃描點云數據的配準方式主要分為:①基于標靶的拼接,即基于掃描前設置的標靶數據進行拼接;②基于測站點的拼接,即基于測量點標靶的三維坐標進行拼接;③基于點云的拼接,即沒有設置標靶時可以采用同名點云的方法進行拼接;④混合拼接,即同名點標靶數量不足3個,可以采用同時基于標靶和點云的拼接。因此,為了提高拼接精度,本文采用混合拼接方式,通過3個同名標靶以及每站重疊區(qū)域的同名特征點云在3組不同點云坐標中求取轉換系數,再將按照式(1)將3組點云數據轉換到統(tǒng)一坐標系下。由于本文數據采集方案是按照任意點設站的方式進行采集,3組點云沒有統(tǒng)一的坐標系,本文就將基準坐標設置為第1站標靶,將2、3站分別與1站進行配準,該過程需要在RiSCAN pro完成,最終拼接結果達到1.5mm,滿足精細建模要求,拼接結果如圖2所示。
圖2 拼接后的景觀石點云
1.2.2點云去噪
在模型重建過程中,冗余的點云數據以及噪聲點直接影響著建模的效率和精度。然而在數據采集的環(huán)節(jié)中,容易受到周圍環(huán)境中諸多因素影響而產生噪聲點;在點云拼接中,通過多站點云數據配準實現了點云坐標系的統(tǒng)一,但是容易產生冗余數據和噪聲點。因此,為提高三維模型重建的效率以及模型精度,需要對所采集的點云數據進行去噪處理,即對拼接完成的點云濾除噪聲點及孤立點,有效保留研究對象點云[7]。由于景觀石表面不規(guī)則,包含的噪聲點云數據量相對較大,在進行手動去除比較明顯的噪聲點的基礎上需要結合Geomagic Stdio 11做進一步的噪聲點濾除,這樣保證了點云數據更加平滑,保證了后期建模的精度。
1.2.3點云數據重采樣
通過噪聲去除處理之后,數據量在一定程度上得到了減少,但是針對三維模型重建方面,仍然存在著大量的冗余數據,直接影響著后期模型重建的效率。針對上述問題需要對點云數據進行重采樣進行簡化,常用的方法主要有2種:①平均精簡,原點云中每N個點保留1個;②按距離精簡,刪除一些點后的點云中點與點之間的距離均大于某值。在對原點云進行重采樣的過程中需要對點云密度進行限定,如果重采樣點密度過大容易造成后期三角網生成過多,不利于三維建模效率;點密度過于稀疏則容易在建模丟失部分細節(jié),因此,在進行點云數據重采樣時需考慮到建模精度,在保障模型精度的程度上設置合理閾值,達到點云數據量最少。
在點云數據處理環(huán)節(jié)中,三維表面模型重建是精細建模的核心環(huán)節(jié),通過精細建模、紋理映射以及模型渲染,能夠使得景觀石外觀和形態(tài)得以重現,為后期景觀石特征變化分析提供重要數據支持,因此,基于點云數據的景觀石建模方法探究具有深刻的意義。
1)構建三角網模型。點云數據是由大量不規(guī)則的離散點構成,而構建三角網模型能夠將不規(guī)則離散點云形成被測對象的實際表面,構建三角網是一種實用而且簡單的方法,而且能夠體現出對象真實表面的拓撲關系。圖3為封裝生成的模型三角網。
圖3 模型三角網
2)填補數據空洞。在數據采集中由于被測模型本身幾何拓撲原因或因遮擋效應、破損以及在數據預處理階段的不同站之間點云數據拼接存在縫隙等原因,會存在部分表面無法測量、采集的數字化模型存在數據破損現象,無法構成三角網模型,需要進行數據填補,保證對象的形態(tài)結構的完整性。
3)三角網的簡化。數量過大的三角網直接制約著后期模型重建的效率,因此,在不影響景觀石特征的前提下,需要對三角網簡化調整,在試驗中,需要在Geomagic Stdio 11逆向工程軟件中進行簡化調整,先刪除生成的非流形三角形,然后對不同的孔洞進行分類填充,對數據缺失部分根據周圍曲率進行擬合填充。在該環(huán)節(jié)需要注意為了避免模型發(fā)生失真變形,采用基于曲率優(yōu)先的原則,刪除相對比較平坦區(qū)域的點云,保留高曲率部分的點,將三角形數量減少為原來的80%。
4)形狀處理階段。主要是輪廓線處理、曲面片處理以及網格處理3項工作。在提取和編輯對象輪廓線過程中,可以采用自動提取和手工提取,但是需要嚴格保證被測對象的自然特征。曲面片處理包括曲面片的構建和修理,輪廓線是構建曲面片的基準線,曲面片所形成的包圍線是以輪廓線為基礎進行擴展。曲面片的構造是為了生成網格,因此,為了保證網格的準確性,需要對構造的曲面片過程中出現的錯誤面片進行修理,直到曲面片完全正確為止。為了達到理想的曲面要求,需要不斷進行修改不理想的曲面。在網格生成完成之后,基于每個曲面片進行曲面擬合,生成NURBS曲面[8]。
5)紋理映射。原始灰度圖三維模型不具有逼真性和現實性,在灰度圖上增加紋理可以使其成為具有紋理屬性的三維模型。根據物體材質或自然常識對物體設置一定顏色或對其貼合一定自然紋理,可以增強物體真實感。紋理意義可簡單歸納為將特定的數據集(如顏色、亮度)映射到一個三維模型表面。實際上紋理映射的過程存在2種映射關系,一是從紋理坐標系到物體坐標系的映射;二是從物體坐標系至視口坐標系的映射[9]。
在本次實驗中,獲取點云數據信息和同步內置數碼相機獲取的影像信息對已經建立的三維模型進行紋理細節(jié)描述,實現可視化顯示,如圖4所示。其流程主要分為3部分:①對景觀石三維模型進行投影變換;②選取對應點,將二維紋理圖像的像素信息賦予相應的三維數據點;③通過計算,將3個頂點顏色平均值賦予此三角面片,將模型轉化為可編輯的多邊形進行各個面的貼圖和渲染,得到包含顏色紋理信息的三維模型[10-11]。
圖4 初步紋理映射圖
但是這樣得到的模型存在一定問題,本文采取了相應的解決方案:
1)由于采用中心投影方式,使得照片變形導致紋理與實際位置出現偏差,解決方法是需要采用正視投影圖進行貼圖。
2)由于獲取照片各個面的亮度不一致從而造成各個部分色調不和諧,解決方法是進行初步的校正使顏色在視覺上達到一致。
3)模型上存在小范圍數據缺失,解決方法是采取模型上相似部分的紋理進行貼圖。
4)圖形分辨率有限而造成的紋理拉伸現象,解決方法是刪除這部分紋理,重新進行實地采集紋理,從模型表面法線方向上進行貼圖。
經過以上方法,最終實現具有真實感的復雜三維表面模型,如圖5所示。
綜上所述,本文以某校測繪學院景觀石為實驗對象,詳細闡述了三維激光掃描技術在三維精細模型重建領域的應用,本文采用的方法能基本上實現了高仿真、高精度模型重建,所建立模型能夠保證工程需要。但是在模型重建過程如何減少點云拼接產生的誤差、實現點云降噪自動化,保證數據完整性和精度,提高特征提取的自動化以及構網建模效率,以及防止紋理映射造成的模型變形等仍是今后的重點研究方向。
圖5 最終渲染效果圖
參考文獻
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[責任編輯:劉文霞]
The model-based reconstruction based on 3Dlaser scanning technology
MAO Jie,ZHANG Xitong,WU Zhenzhen,LI Lixue
(School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)
Abstract:This paper,taking a school landscape stone 3Dlaser scanning point cloud as an example,aims to solve the 3Dlaser scanning process due to environmental factors and signal interference,and discusses the point clouds noise problems,point clouds registration,point cloud filtering aspect,and model reconstruction.Based on the model established by point cloud data for image texture mapping study,it explores and solves the emerging problems in the texture mapping and sums up a collection point cloud data from a 3Dmodel to a realistic modeling method.RiSCAN Pro Geomagic Studio 11reverse engineering software and 3ds Max software are used to handle and resolve to ultimately realize the 3D surface reconstruction of complex objects.Experimental results show that this method can quickly and accurately process point cloud data to obtain a 3Dlaser scanning.The realization of complex 3Dsurface of the object 's rapid visualization model has a certain practicality on reconstruction.
Key words:3Dlaser scanning technology;point cloud data processing;texture mapping;scalingfactor
中圖分類號:P258
文獻標識碼:A
文章編號:1671-4679(2016)02-0012-04
收稿日期:2015-11-13
作者簡介:毛 杰(1986-),男,碩士研究生,研究方向:三維激光掃描技術.