鄭仕雄+李佳

摘要摘要：隨著數(shù)字化測量的發(fā)展，三維激光掃描儀能夠快速地以多角度、高效、高精度方式獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)，可以用于校園典型建筑物的三維建模。以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)的國立西南聯(lián)合大學(xué)紀念碑和國立昆明師范學(xué)院紀念柱為典型建筑物三維建模對象，首先采用徠卡P40三維激光掃描儀采集它的三維點云信息，然后利用Cyclone軟件對多站式點云數(shù)據(jù)進行拼接、統(tǒng)一化和去燥，將處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，對其進行封裝、孔洞填充、平滑等相關(guān)處理，構(gòu)建其三維模型并對模型進行紋理映射，最終完成校園典型建筑物點云數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建。該三維建模流程方法對校園典型建筑物的三維建?？扇〉幂^好的效果。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；點云數(shù)據(jù)；三維建模；Cyclone；Geomagic Studio

DOIDOI：10.11907/rjdk.161873

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001013703

本文采用徠卡公司研制的新款三維激光掃描儀，型號為P40，對云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)的國立西南聯(lián)合大學(xué)紀念碑和國立昆明師范學(xué)院紀念柱進行三維數(shù)據(jù)掃描，并結(jié)合Cyclone軟件對點云數(shù)據(jù)進行初步處理，然后結(jié)合Photoshop、Geomagic Studio完成點云數(shù)據(jù)的三維建模工作。

1點云數(shù)據(jù)三維建模技術(shù)流程設(shè)計

文本方法中三維點云數(shù)據(jù)的掃描設(shè)備采用徠卡公司研制的型號為Leica-P40的三維激光掃描儀。Leica-P40通過高速旋轉(zhuǎn)的高分辨率攝像機和不觸碰的掃描方式，可以很便捷地獲取到建筑物三維表面的點云數(shù)據(jù)，通過后處理軟件Cyclone可以很方便地對掃描獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理，而且Cyclone還提供了豐富的文件轉(zhuǎn)換格式，可以很好地滿足不同用戶對點云數(shù)據(jù)的處理需要。如通過Cyclone軟件將數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Geomagic Studio、AutoCAD等多平臺下處理。

按照數(shù)據(jù)的采集與處理環(huán)境可將基于三維激光掃描儀的三維建模分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)工作主要采用硬件設(shè)備，包括掃描環(huán)境的勘測和三維點云數(shù)據(jù)的采集；內(nèi)業(yè)工作主要采用軟件，對采集到的三維點云數(shù)據(jù)進行處理和建模等工作。從數(shù)據(jù)采集到三維建模流程包含的具體內(nèi)容如表1所示。

3.1點云數(shù)據(jù)處理

從P40三維激光掃描儀中將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，由于涉及多個站點的數(shù)據(jù)采集，因而需首先進行多站式點云數(shù)據(jù)的拼接[4]，將多站式數(shù)據(jù)用Cyclone軟件打開，利用外業(yè)采集的標靶信息，在Cyclone軟件register模塊中將4個站點獲取的數(shù)據(jù)進行拼接使其統(tǒng)一到同一個坐標系統(tǒng)下。由于掃描環(huán)境比較復(fù)雜，因而不可避免在掃描過程中會得到一些噪聲點，為了后續(xù)建模的方便處理，需要將這些噪聲點進行剔除。因此，在Cyclone軟件中還需對點云數(shù)據(jù)進行去燥處理。

P40三維激光掃描儀得到三維點云數(shù)據(jù)格式為.imp或者是.pts，此類格式能夠與Cyclone軟件兼容。但后期三維建模軟件Geomagic Studio中不支持.imp或.pts文件格式，因此需要在Cyclone軟件中將處理好的三維點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出成后綴名為.txt、.xyz、.ptx 等Geomagic Studio支持的數(shù)據(jù)格式。本文通過Cyclone軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出.txt格式，便于在Geomagic Studio軟件中處理。

3.2點云數(shù)據(jù)建模

對三維點云數(shù)據(jù)進行處理后，需要構(gòu)建其三維模型，在Geomagic Studio軟件中稱為封裝（wrap），即將散亂的三維點云數(shù)據(jù)進行空間化組織，最為典型的是構(gòu)建它們的三角網(wǎng)。在數(shù)據(jù)采集階段掃描對象被樹葉或建筑物遮擋，導(dǎo)致在對象的某些地方上獲取不到三維點云數(shù)據(jù)，如果直接對三維點云數(shù)據(jù)進行封裝，會使構(gòu)建的三角網(wǎng)三維模型存在空洞，因此需要對存在的空洞進行填充形成較為完整的表面模型[5]。空洞填充有利于后續(xù)操作中對整個面的構(gòu)建，如果沒有進行空洞填充，可能會引起后期三維模型的不完整。如圖2所示，圖2 （a）為封裝前的點云數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)處理后的點云數(shù)據(jù)；圖2 （b） 為封裝后的點云數(shù)據(jù)，即對點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)的模型，在“石碑”下面存在著較多空洞；圖2 （c）為對模型進行空洞修復(fù)后的三維模型。

圖2點云封裝與空洞填充 對三維模型進行空洞填充后，還需要對該模型進行平滑處理，因為模型表面可能存在褶皺明顯的區(qū)域[6]，而這些區(qū)域與實際的對象形狀不匹配，通過平滑處理會使三角形網(wǎng)格或者是所選區(qū)域的表面更加光滑，并會使構(gòu)成其表面的三角形大小一致。如圖3所示為所選區(qū)域平滑前后的對比效果。

沒有紋理的三維模型稱作為裸模，不能從視覺上感受真實的實景三維效果，因此需要對已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型進行紋理映射。紋理映射是將高清的實物圖片映射到已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型上。紋理映射需要用到外業(yè)采集的照片，將照片導(dǎo)入Photoshop進行裁剪、摳圖等操作，以作紋理映射的素材。

紋理映射有兩種常見方法：①對三維模型和照片取相同的點，在對齊視圖下選擇定向和投影選項（對齊視圖選擇中要選擇四對點及以上才能成功）將紋理映射到模型中；②使用模型和圖片的映射框，將置于圖片下面的模型調(diào)節(jié)到適當位置來進行貼圖，這種方法在貼圖時應(yīng)從上往下進行，不然可能會有多余的貼圖覆蓋或者是貼在其它區(qū)域。本文采用第二種方法進行紋理映射，如圖4所示為紋理映射效果，圖4（a）為國立西南聯(lián)合大學(xué)紀念碑，圖4（b）為國立昆明師范學(xué)院紀念柱。

本文采用徠卡P40三維激光掃描儀對云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)國立西南聯(lián)合大學(xué)紀念碑和國立昆明師范學(xué)院紀念柱進行三維點云數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop軟件對采集到的三維點云數(shù)據(jù)進行處理和三維模型構(gòu)建取得了較好效果，為校園典型建筑物的三維建模提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1]張序，李兆堃，羅小華，等.應(yīng)用三維激光掃描測量進行文物逆向工程恢復(fù)[J].測繪科學(xué)，2013，38（6）.

[2]李永強，劉會云，毛杰，等.三維激光掃描技術(shù)在煤礦沉陷區(qū)監(jiān)測應(yīng)用[J].測繪工程，2015，24（7）：4347.

[3]楊林，盛業(yè)華，王波.利用三維激光掃描技術(shù)進行建筑物室內(nèi)外一體化建模方法研究[J].測繪通報，2014（7）：2730.

[4]盛業(yè)華，張卡，張凱，等.地面三維激光掃描點云的多站數(shù)據(jù)無縫拼接[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，29（2）：233237.

[5]郭培閃，杜黎明.運用Geomagic Studio實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的曲面重建及誤差分析[J].地理信息世界，2015（1）：5760.

[6]林鵬，劉超，鄭禮全，等.基于Geomagic Studio的雕像三維建模[J].北京測繪，2014（4）：3436.