陳邦澤，楊曉波，郭霖蓉，曹海龍

（1.西藏民族大學(xué) 教育學(xué)院，陜西 咸陽 712082；2.西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712082；3.西藏民族大學(xué) 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點實驗室，陜西 咸陽 712082）

基于點云數(shù)據(jù)的建筑物快速精細建模*

陳邦澤1，楊曉波2，3，郭霖蓉2，3，曹海龍2，3

（1.西藏民族大學(xué) 教育學(xué)院，陜西 咸陽 712082；2.西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712082；3.西藏民族大學(xué) 西藏光信息處理與可視化技術(shù)重點實驗室，陜西 咸陽 712082）

運用點云切片提取建筑物特征線擬合建模，對于長方體、圓柱體、管狀體等規(guī)則物體自動匹配建模，對于不規(guī)則物體進行點云切割、側(cè)視圖提取輪廓線、擬合建模，對相同的結(jié)構(gòu)復(fù)制等方式批量處理，然后根據(jù)點云組合模型，完成建筑物主體建模；通過平面投影方式提取門窗等細節(jié)的輪廓線，將輪廓線導(dǎo)出到第三方軟件，實現(xiàn)對門窗的精細建模；最后通過紋理貼圖生成極富真實感的三維模型并對其數(shù)字化展示。

點云；三維激光掃描；特征線；擬合建模

三維激光掃描技術(shù)能夠快速地、無接觸地、主動地、高密度、高精度、快速而有效地獲取激光點云（Points Cloud），基于激光點云的重建技術(shù)在文物保護、古跡還原、建筑監(jiān)測、虛擬漫游、數(shù)字化城市等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本論述利用Trimble TX5三維激光掃描儀實現(xiàn)了本校圖書館的掃描、點云數(shù)據(jù)拼接和三維重建。

1 三維激光掃描外業(yè)數(shù)據(jù)采集

為了建立完整的三維立體模型，三維激光掃描儀從內(nèi)部射出高頻率激光束射到建筑物上從而獲取建筑物表面上的點的空間位置坐標(biāo)，得到一系列點云，是對目標(biāo)建筑物全面的立體掃描，得到建筑物全部必要的空間信息。在進行掃描之前，應(yīng)該先全面了解掃描對象的基本情況，勘察目標(biāo)建筑物附近的地形，合理布設(shè)掃描站點安排好掃描線路。建筑物都是三維立體的，必須進行多站點測量。設(shè)站的原則是要保障最終數(shù)據(jù)采集的完整性，各站之間要有一定的重疊區(qū)域。建筑物周圍的樹等遮擋物會導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集時形成噪聲，選擇測站點時應(yīng)選擇視角較好的位置，另外測站點個數(shù)盡可能少以減少數(shù)據(jù)重復(fù)率。掃描前還應(yīng)根據(jù)掃描對象的特征確定掃描的精度以便設(shè)置掃描儀的采樣密度，采樣密度的大小決定了最終三角網(wǎng)構(gòu)建的精度。

2 數(shù)字影像采集

三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)的是點的集合，稱為點云（points cloud），每個采樣點的空間坐標(biāo)用一個像素表示，包含一個距離值和一個角度值[1]。掃描數(shù)據(jù)時還需要采集數(shù)字影像，以便將掃描對象的紋理信息與模型準(zhǔn)確生動地匹配起來，為后期處理紋理映射提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。項目中除使用儀器自身的同軸相機外，還使用單反相機進行影像的采集。獲取的數(shù)字影像也一定要完整清晰，這將決定最后模型的紋理效果。獲取數(shù)字影像時，為了保證采集的紋理信息各個位置的像素與原來影像的像素一樣[2]，獲取影像的設(shè)備鏡頭要最大限度保持平行于掃描對象的立面。Trimble TX5內(nèi)置全自動7000萬像素廣角環(huán)幕無視差色彩疊加彩色數(shù)碼相機——真正同軸的數(shù)碼相機，在Trimble Realworks軟件內(nèi)輕松處理，獲取精確逼真的掃描成果，自動將色彩與激光反射亮度信息疊加到點云上，得到逼真的彩色點云。

3 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

三維激光掃描儀獲取的每站數(shù)據(jù)都有各自的儀器坐標(biāo)系（SOCS），因此應(yīng)將不同視點獲取的激點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個固定的坐標(biāo)系中，多站掃描點云數(shù)據(jù)拼接是利用點云數(shù)據(jù)中的變換信息找出兩個坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，將多站點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系中，該過程稱為點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)[3]。以兩站掃描數(shù)據(jù)scan000和scan001為例進行配準(zhǔn)。以scan000為基準(zhǔn)，實際上就是求scan001到scan000的變換參數(shù)，即由3個角元素（φ，ω，κ）組成的旋轉(zhuǎn)矩陣R和3個平移量（Δx，Δy，Δz）組成的平移向量T。變換條件滿足

在Trimble Realworks軟件中，從儀器坐標(biāo)系到工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為：

3.2 全景與點云配準(zhǔn)

在影像拼接處理時，將影像處理成球面模型，對于點云，同樣通過點云坐標(biāo)可以反算影像像素坐標(biāo)，獲取像素顏色，制作真彩點云[4]。

3.3 點云去噪

掃描周邊環(huán)境樹木等的遮擋會導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不清晰、不規(guī)則和缺損的點云，這些被稱之為噪點[5][6][7]。拼接時相鄰兩測站數(shù)據(jù)之間點云會有重疊，產(chǎn)生的三角網(wǎng)也會出現(xiàn)冗余，所以應(yīng)對這些數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。賴軍等采用移動最小二乘法對點云數(shù)據(jù)進行高斯濾波，具體算法如下：首先對點云數(shù)據(jù)建立kd-tree；然后對每個點，在kd-tree上查找其k個最鄰近點（k= 20），該點的最終位置為k個最鄰近點的加權(quán)平均值。如果一次濾波效果不明顯，上述過程可重復(fù)多次[8]。

口頭交流是教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間用以交換想法和意見的心靈對話。教師應(yīng)充分發(fā)揮語言本身在課堂中的作用，通過語言創(chuàng)設(shè)語境，引導(dǎo)學(xué)生開展口語交際活動。

4 特征線擬合法精細建模

4.1 利用建筑物特征線擬合建模

點云顯露了建筑物的表面輪廓，要提取這些輪廓可進行點云切片，即用一組平面對點云進行交運算，點云相對散亂密度不高，在求出輪廓線切片時要有一定的厚度，而且厚度要適中。如果切片厚度太大擬合時效率太低得到的輪廓線也會出現(xiàn)較大偏差。如果切片厚度太小可能會丟失輪廓線的特征。所以切片時需要對點云密度ρ進行預(yù)測，參考預(yù)測值來確定點云的切片厚度[9]。通過建模工具由特征線恢復(fù)建筑物的立體形狀。

4.2 不規(guī)則物體建模

對于不規(guī)則物體首先進行點云切割，在側(cè)視圖對其進行輪廓線提取并進行擬合建模，并按點云形狀對其進行大小調(diào)整。

4.3 自動匹配規(guī)則物體

4.4 批量處理

建筑物模型一般存在許多相同特征的結(jié)構(gòu)，如立柱、廊檐等，如果對這些結(jié)構(gòu)一一建模將會大量浪費時間?？梢詫@些結(jié)構(gòu)進行批量建模，對相同的結(jié)構(gòu)可以進行復(fù)制以便批量處理，以提高建模速度。

4.5 模型修正

將所有構(gòu)件模型導(dǎo)出至3dsMax軟件中，由于各部分模型是各自建成的，各個小模型之間可能會有大大小小的縫隙、交叉[10]，因此要對各模型進行修正誤差，直到得到完整的圖書館模型。

4.6 細節(jié)建模

對于門、窗等細節(jié)。通過平面投影方式提取門、窗等的輪廓線，將輪廓線導(dǎo)出到3dsMax中，在3dsMax中與建筑主體進行布爾運算，實現(xiàn)對門、窗的精細建模。

5 紋理貼圖

紋理貼圖在提高模型逼真度方面無可替代，從而生成極富真實感的三維景觀，可利用掃描儀自帶的同軸攝像頭和單反數(shù)碼相機獲取紋理信息以進行建筑模型表面的紋理貼圖。必要時利用圖像處理軟件如photoshop等對獲取的紋理圖像進行處理。幾項關(guān)鍵技術(shù)，一是透明紋理貼圖，如樓梯欄桿因為有鏤空所以就要用到透明紋理貼圖；二是不透明單面的紋理貼圖和紋理拼接[11]。

6 數(shù)字化展示

對大規(guī)模的建筑進行數(shù)字展示還很困難，因此在保證模型展示質(zhì)量情況下要最大可能地減少面片數(shù)，將背面的、看不見的面刪除；平直的結(jié)構(gòu)要使用較少的網(wǎng)格分段數(shù)；要盡量減少模型的接縫，并且不能有頂點錯位，模型面、邊相互交叉現(xiàn)象[12]。這樣便可降低三維模型的數(shù)據(jù)量從而實現(xiàn)對模型的數(shù)字化展示，本論述用Virtual Reality Platform軟件進行展示，見圖1所示。

圖1 數(shù)字化展示

7 結(jié)束語

利用三維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)結(jié)合高分辨率影像進行建筑物精細建模是目前古建筑修復(fù)與設(shè)計等領(lǐng)域的主要技術(shù)手段，有很大的應(yīng)用價值。本論述探討了一些快速實用的方法實現(xiàn)了圖書館的三維快速重構(gòu)，并保證了模型構(gòu)建的精度，并實現(xiàn)了數(shù)字展示。下一步將對點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、三角網(wǎng)模型的快速構(gòu)建、紋理貼圖等方面自動實現(xiàn)進行研究。

［1］ 路興昌，張艷紅.基于三維激光掃描的空間地物建模［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2008，38（1）：167-171.

［2］ 孟志義，錢林.基于點云數(shù)據(jù)的文物精細建模［J］.測繪通報，2011（12）：40-42.

［3］ 高盼，李磊，郭廣禮.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的實體構(gòu)筑物三維建模［J］.測繪信息與工程，2011，36（4）：10-12.

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［5］ 丁燕，張紀(jì)平，王國立.三維激光掃描技術(shù)在西藏白居寺保護中的應(yīng)用及思考［J］.古建園林技術(shù)，2010（3）：21-29.

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［10］ 呂翠華，陳秀萍，張東明.基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物三維建模方法［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（10）：2410-2414.

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P234

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DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.12.005

2016-9-23

全國教育科學(xué)規(guī)劃項目（FCB150516）；陜西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2014年度課題（sgh140830）；西藏民族學(xué)院教改重點項目（基于微課的師范生教育技術(shù)能力培養(yǎng)策略研究）。

陳邦澤（1969-），男，漢族，甘肅鎮(zhèn)原人，碩士，副教授，主要研究方向：教育技術(shù)學(xué)、虛擬現(xiàn)實、計算機輔助教學(xué)。