詹總謙，林元培，艾海濱

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

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基于3ds Max二次開發(fā)的建筑物快速三維重建

詹總謙1，林元培1，艾海濱2

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

在3ds Max環(huán)境下利用其二次開發(fā)技術(shù)及攝影測量原理，對不同類型建筑物的快速重建進(jìn)行了研究。針對簡單建筑物，提出了基于空間任意方向基本幾何體的快速重建方法；針對復(fù)雜屋脊建筑物，實(shí)現(xiàn)了基于約束Delaunay三角網(wǎng)的重建方法，最終實(shí)現(xiàn)了紋理的自動提取與糾正。試驗(yàn)表明，該方法重建的建筑模型精度與逼真度較高，模型編輯與管理方便，有利于空地一體化建模。

半自動三維重建；攝影測量；3ds Max二次開發(fā)；約束Delaunay三角網(wǎng)

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市三維建模的需求量逐漸增大，同時城市三維模型的逼真度、精度等也需要進(jìn)一步提高才能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，有了高精度的三維模型，即可進(jìn)行有關(guān)城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、應(yīng)急指揮、資源分配、旅游宣傳等工作。隨著國家城市化建設(shè)的大幅度推進(jìn)，三維城市建設(shè)的重要性逐漸體現(xiàn)出來，逼真的三維模型數(shù)據(jù)將逐漸成為城市管理和服務(wù)的重要數(shù)據(jù)源[1]。

從目前建筑物重建方法的研究現(xiàn)狀來看，主要有傳統(tǒng)建模方式、基于LiDAR數(shù)據(jù)的三維重建及基于影像的三維重建方法[2-9]。使用傳統(tǒng)的三維建模軟件，如AutoCAD、3ds Max、Maya、SketchUp，進(jìn)行地物目標(biāo)的三維重建一般要通過現(xiàn)場拍攝照片、手工分類照片、手工幾何建模和紋理貼圖幾個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。這樣的建模工藝流程，有勞動密集程度高、工作量大、精度不夠高、成本大等缺點(diǎn)，尤其在手工貼圖階段特別耗時耗力。激光掃描儀能夠自動獲取高精度的物體表面深度信息, 但是造價高昂、笨重的設(shè)備很難適應(yīng)大眾的需求, 且對使用環(huán)境有要求，陽光、雨水對其精度影響非常大。此外, 這類儀器采集的數(shù)據(jù)是三維點(diǎn)云, 若使用這些數(shù)據(jù)對建筑物進(jìn)行三維重建, 還要對原始數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，但是目前該處理流程還無法實(shí)現(xiàn)自動化。目前利用影像進(jìn)行三維重建的軟件有PhotoModeler、Smart3D、Street Factory等。PhotoModeler主要用于近景三維重建，屬于半自動建模方式，建模工具人性化好，但不適用于大面積的地物目標(biāo)三維重建。Smart3D、Street Factory采用全自動的建模方式，自動化程度較高，對所有地物目標(biāo)構(gòu)建三角網(wǎng)。但重建的地物目標(biāo)缺乏拓?fù)潢P(guān)系，精度有限，模型在后期應(yīng)用中受到很大的限制。對于地物目標(biāo)的點(diǎn)、線等特征提取不夠完整，重建后的地物目標(biāo)的逼真程度有限。國內(nèi)外也有很多關(guān)于全自動或半自動三維重建的研究，但滿足高度自動化的同時模型精度無法滿足實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[10—11]闡述了利用傾斜攝影和3ds Max 技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)城市建模的理論和方法，實(shí)現(xiàn)了基于傾斜攝影的城市三維重建，但實(shí)現(xiàn)的建模功能較為簡單，影響了建模效率，復(fù)雜屋頂生成算法不夠穩(wěn)定。

針對已有方法的局限性，本文在3ds Max環(huán)境下利用攝影測量技術(shù)開發(fā)基于影像的三維重建系統(tǒng)，充分發(fā)揮攝影測量和3ds Max各自的優(yōu)勢，只需要一次測量即可完成模型幾何重建和自動紋理映射一系列過程。為此，文中提出基于基本幾何體的簡單建筑物快速重建方法，重建過程直觀，具有所見即為所得的效果；針對復(fù)雜屋脊建筑物，采用約束Delaunay三角網(wǎng)算法進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，并根據(jù)屋脊幾何結(jié)構(gòu)靈活地插入約束信息，然后利用3ds Max中的Mesh結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型表達(dá)。該方法通用性強(qiáng)，適用范圍廣。最終利用共線方程進(jìn)行全紋理裁切、糾正、映射。

一、整體技術(shù)路線

由于3ds Max二次開發(fā)完全支持Visual Studio開發(fā)平臺，因此可以開發(fā)完全嵌入的攝影測量插件。如圖1所示，根據(jù)攝影測量共線方程原理，利用已有的高精度的空三加密成果及相機(jī)參數(shù)，量測并計(jì)算建筑物必要的模型坐標(biāo)。然后直接利用SDK的核心接口將立體測量獲取的數(shù)據(jù)傳遞給3ds Max中的三維數(shù)據(jù)模型。針對矩形房屋、圓柱形房屋等簡單建筑物，可以直接利用3ds Max中長方體、圓柱體等基本幾何模型進(jìn)行模型構(gòu)建。針對復(fù)雜屋脊建筑物，直接將點(diǎn)、邊數(shù)據(jù)傳遞給Mesh結(jié)構(gòu)；接著創(chuàng)建模型節(jié)點(diǎn)，最后得到建筑模型并利用3ds Max進(jìn)行管理及后期渲染等工作。

圖1 整體技術(shù)路線

二、建筑物量測及模型構(gòu)建

本文在紅綠立體模式下，根據(jù)建筑物的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用相應(yīng)的量測及模型生成算法。

1)圓柱體、球體、長方體等基本幾何體形房屋。采用基于基本幾何體的模型重建方法，即通過靈活的拽托方式量測建筑物特征點(diǎn)，并實(shí)時在影像上反投真實(shí)三維模型，達(dá)到所測即為所得的效果，增強(qiáng)立體測量的直觀性，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的幾何體參數(shù)，如圓柱體的基本參數(shù)為地面圓心、半徑及高度，最終利用3ds Max中的標(biāo)準(zhǔn)基本幾何體進(jìn)行模型的構(gòu)建和表達(dá)。圓柱體形建筑物的測量過程如圖2所示，可以看出，該方法增強(qiáng)了建模操作的靈活性，三維立體測圖的立體體驗(yàn)也得到明顯改善。

圖2 圓柱形建筑物重建

2)棱柱形建筑。本文將頂面或側(cè)面為平面多邊形，并沿著該平面擠出而形成棱柱形房屋都?xì)w類為棱柱形建筑。對于該類建筑物，本文采用基于空間任意方向棱柱體的建模思想，如圖3所示。即把房屋抽象為沿著側(cè)面或頂面的法向量擠出的棱柱體，這樣不僅能在下視影像上沿著頂面進(jìn)行建模，也能在大傾斜影像上沿著側(cè)面建模(如圖3(b)所示)。該方法通用性更強(qiáng)，可以快捷地添加陽臺等建筑物的細(xì)部結(jié)構(gòu)，有利于后期精細(xì)建模，同時也是一種實(shí)現(xiàn)空地一體化建模的有效方式。

圖3 空間任意方向棱柱

3)復(fù)雜屋脊建筑。針對該類建筑物，采用基于約束Delaunay三角網(wǎng)的模型重建方法。Delaunay三角網(wǎng)已被應(yīng)用于GIS、圖像處理、模式識別等領(lǐng)域，其算法穩(wěn)定，在描述復(fù)雜目標(biāo)時具有明顯優(yōu)勢[12]，而且可以動態(tài)插入和刪除點(diǎn)、約束邊，這有利于擴(kuò)展建模功能并且實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的人性化操作。建模主要思想如圖4所示，量測屋頂外輪廓特征點(diǎn)后按照Delaunay準(zhǔn)則生成一個默認(rèn)的三角網(wǎng)，然后對不符合實(shí)際屋脊線結(jié)構(gòu)的部分插入約束邊，生成模型時需要合并同一平面內(nèi)的相鄰三角形，否則映射紋理時很容易出現(xiàn)接縫問題。模型構(gòu)建流程為：在3ds Max中已經(jīng)開發(fā)了大量的幾何對象用來創(chuàng)建幾何模型，為了在3ds Max中更加簡便地表達(dá)復(fù)雜屋頂建筑物，本文新建一個過程類TinObject，其基類為3ds Max SDK中的SimpleObject2，利用3ds Max中的Mesh表達(dá)模型幾何結(jié)構(gòu)。

圖4 復(fù)雜屋脊建筑重建流程

三、紋理自動映射

紋理自動糾正采用間接法[13]，主要步驟如下：

1) 本文采用文獻(xiàn)[11]的紋理優(yōu)選方法，首先優(yōu)選出墻面可見并且能夠獲取墻面完整紋理的影像，然后根據(jù)紋理面積最大的原則選出最佳影像。

2) 計(jì)算墻面平均GSD，根據(jù)模型墻面面積與墻面反投到影像上的多邊形面積計(jì)算平均地面分辨率

3) 計(jì)算墻面最小包圍矩形寬度W′與高度H′。

4) 計(jì)算紋理寬度W及高度H

并將其歸一化為2n的形式。

5) 如圖 5所示，根據(jù)平均GSD計(jì)算紋理坐標(biāo)p(x,y)。

6) 將紋理坐標(biāo)p(x,y)轉(zhuǎn)換為攝影測量坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)P(X,Y,Z)。

7) 根據(jù)共線方程得到像點(diǎn)坐標(biāo)p′(x′,y′) ，利用雙三次內(nèi)插法得到灰度值g′(x′,y′) ，并將其賦給糾正紋理影像p(x,y)。

8) 最后，分配歸一化紋理坐標(biāo)，完成紋理映射。紋理糾正前后效果如圖6所示。

圖5 紋理糾正

圖6 紋理糾正前后

四、試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本文建模方法的有效性，利用廣西無人機(jī)影像、南京無人機(jī)影像及德國某地區(qū)傾斜影像共3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了典型房屋及街區(qū)建模試驗(yàn)。

1. 典型建筑物建模試驗(yàn)

如圖7所示的臺階型建筑，采用傳統(tǒng)的沿著屋頂向下分別建模的方法，不僅測量步驟繁瑣，而且很容易出現(xiàn)紋理接縫問題。采用本文提出的基于空間任意方向棱柱體的建模方法，可以把該建筑抽象為沿側(cè)面擠出的棱柱體，從而只需一次量測即可完成模型重建，同時紋理接縫問題也得到解決。

如圖8所示，該建筑由球體、圓柱體等多種基本幾何體組合而成，利用本文的基于基本幾何體的建模方法快速得到單個模型，然后利用布爾運(yùn)算得到了逼真的建筑模型。

如圖9所示，針對復(fù)雜屋脊建筑，利用基于約束Delaunay三角網(wǎng)的方法得到了完全符合實(shí)際房屋構(gòu)造的幾何模型，同一平面的相鄰三角面片合并效果較好，紋理清晰且無接縫，從立體像對的模型反投可以看出其測量精度滿足要求。

2. 與Smart3D全自動建模對比分析

數(shù)據(jù)采用南京某地區(qū)旋翼無人機(jī)單鏡頭下視影像，共215張影像，分為8條航帶。利用本文半自動建模方法重建367個模型，由一人單獨(dú)完成，耗時約3 h，建模效果如圖10(a)所示。

利用Acute 3D公司的全自動建模軟件Smart 3D Capture免費(fèi)版，進(jìn)行了小塊建模試驗(yàn)，該方法自動化程度高，其建模效果如圖10(b)所示?？梢钥闯銎淠Ｐ途扔邢蓿Ｐ途植孔冃屋^為嚴(yán)重，對建筑物的拐角點(diǎn)等特征點(diǎn)提取有限，重建結(jié)果為非單體模型，缺乏拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模型后期應(yīng)用受到限制。利用本文半自動建模方法得到的模型為具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單體模型，模型精度高。

圖7 臺階型建筑重建試驗(yàn)

圖8 多種基本幾何體組合型建筑重建試驗(yàn)

圖9 復(fù)雜屋脊建筑重建試驗(yàn)

圖10 本文方法與Smart 3D建模對比

五、結(jié)束語

面對三維數(shù)字城市建設(shè)的需求，本文在3ds Max環(huán)境下，利用其二次開發(fā)技術(shù)及攝影測量原理，對建筑物的快速三維重建進(jìn)行了研究。針對簡單建筑物，實(shí)現(xiàn)了基于空間任意方向基本幾何體的快速重建方法，其模型重建流程直觀，立體建模體驗(yàn)較好，而且有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空地一體化建模和精細(xì)建模；針對復(fù)雜屋脊建筑，采用了基于約束Delaunay三角網(wǎng)的模型重建方法，能夠快速重建復(fù)雜建筑物，模型精度高，為城市快速三維重建提供了一種有效的途徑。

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Rapid 3D Reconstruction Based on Secondary Development of 3ds Max

ZHAN Zongqian，LIN Yuanpei，AI Haibin

2016-01-08

國家科技支撐計(jì)劃(2012BAJ23B03)

詹總謙(1978—)，男，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字?jǐn)z影測量與計(jì)算機(jī)視覺。E-mail：543147143@qq.com

詹總謙，林元培，艾海濱.基于3ds Max二次開發(fā)的建筑物快速三維重建[J].測繪通報，2016(11)：22-25.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0357.

P208

B

0494-0911(2016)11-0022-04