趙 吉 潘永剛 陳佳慧

(新疆大學建筑工程學院,新疆 烏魯木齊 830000)

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·計算機技術及應用·

點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維實體建模方法探索

趙 吉 潘永剛 陳佳慧

(新疆大學建筑工程學院,新疆 烏魯木齊 830000)

介紹了三維激光掃描技術的特點，以奇臺縣半截溝鎮(zhèn)鎮(zhèn)大門為研究對象，闡述了基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的鎮(zhèn)大門三維建模流程與方法，指出利用該技術創(chuàng)建的模型精度符合測量要求。

三維激光掃描，點云數(shù)據(jù)，三維建模，紋理貼圖

0 引言

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，它是測繪技術領域內(nèi)繼GPS技術之后的又一次技術革命。它不同于傳統(tǒng)的單次單點測繪方法，而是使用激光束進行整條線上的掃描，一次獲取目標物上一整條的數(shù)據(jù)信息，具有效率高、精度高的特點。利用這種線式的高速掃描測量方法，結合激光掃描儀自身配備的CDD專業(yè)相機，可以在很大范圍內(nèi)快速獲取對象表面具有高分辨率的點云數(shù)據(jù)，這種新的結合模式為外業(yè)測繪提供了一種全新的技術手段。

近年來，國內(nèi)外學者將地面三維激光掃描系統(tǒng)用于物質(zhì)文化遺產(chǎn)的研究、保護和文化旅游綜合服務中。Pesci等[1]對將三維激光掃描技術應用于比薩斜塔的研究之中； Teza等[2]利用點云數(shù)據(jù)監(jiān)測了意大利傾斜鐘樓情況；Hinzen等[3]利用點云數(shù)據(jù)分析了古羅馬大劇場看臺石階的傾斜特征。在國內(nèi)，趙煦等[4]在研究云岡石窟時使用了三維激光掃描技術；李德仁等研究的敦煌石窟項目，采用雙目立體相機與激光掃描相結合進行三維建模[5]；王茹[6]采用三維激光掃描結合人工作業(yè)和照片的形式完成古建筑3D模型重建。

1 點云數(shù)據(jù)三維建模基本流程

通過野外現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程得到了鎮(zhèn)大門建筑表面的原始點云數(shù)據(jù)。要對原始的多站點數(shù)據(jù)進行配準拼接、去噪簡化等處理，才能獲得完整的鎮(zhèn)大門點云數(shù)據(jù)。然后進行鎮(zhèn)大門的三維實體重建，具體包括基本幾何體創(chuàng)建、平面創(chuàng)建和紋理貼圖三個部分(見圖1)。三維實體重建利用3ds Max建模軟件，對鎮(zhèn)大門的所有部分進行建模。

本文著重講解建筑物基本幾何體的創(chuàng)建、平面創(chuàng)建和紋理貼圖部分。對于點云數(shù)據(jù)的處理，包括配準拼接和去噪簡化不加以介紹。

2 點云數(shù)據(jù)的三維實體建模過程

2.1 點云數(shù)據(jù)導入

我們所使用的建模軟件版本是Autodesk 3ds Max 2017，在新版本中，創(chuàng)建面板增加了對點云系統(tǒng)的支持。通過三維激光掃描儀掃描出來的點云數(shù)據(jù)生成格式為.rcs的數(shù)據(jù)庫文件，將該種格式的文件導入到3ds Max中進行建模。

在界面右上方呈“十”字形的“創(chuàng)建”面板中點擊 “幾何體”按鈕，在下拉欄中點擊 “加載點云”按鈕。 在彈出的對話框中找到鎮(zhèn)大門點云文件并將其打開。在max任意視窗中創(chuàng)建點云對象。

2.2 模型三維實體重建

本文以奇臺縣某鎮(zhèn)的鎮(zhèn)大門為例，經(jīng)過實地調(diào)研以及使用三維激光掃描儀掃描測量后。得到了該大門格式為.rcs的點云數(shù)據(jù)文件(見圖2)。

點云數(shù)據(jù)只包含物體表面測點的空間坐標信息，經(jīng)過對點云數(shù)據(jù)的處理后，便可對鎮(zhèn)大門進行三維實體重建，使其具有實體三維造型。三維重建包括基本幾何體創(chuàng)建、平面創(chuàng)建和紋理貼圖三個步驟。

2.2.1 基本幾何體創(chuàng)建

由實地調(diào)研可知，該大門的主要構成部分可分為下部左右兩邊的梯形臺、4根長立柱、若干橫長柱以及大門上部的斗拱和房頂?shù)取?/p>

首先，我們可以看到大門下部主體為左右兩個大致對稱的梯形臺，在max中沒有可以直接使用的標準幾何體，所以我們選擇先建立一個長方體，然后對長方體使用修改器列表中的FFD 2×2×2工具。選中建立的長方體體塊，點擊右側命令面板FFD 2×2×2工具下的控制點按鈕。我們會發(fā)現(xiàn)長方體的8個頂點處于可移動的狀態(tài)，接下來分別將各個頂點移動至對應位置，在移動的過程中要將捕捉開關打開，方便選取點云頂點。對該長方體的頂點進行位置變化后，便得到了我們所需要的梯形臺。這里需要注意的是，我們每建立一個新的體塊，都要統(tǒng)一它們的參考坐標系為局部，方便后續(xù)的對齊操作。

在下部的梯形臺上我們可以看到還設有一個小門，我們可以另外建立一個大小合適的長方體體塊，將其附加在對應的位置上，然后使用布爾運算對其進行操作，得到該處門洞(見圖3)。同理，得到鎮(zhèn)大門另一側墻體。

其次，較為明顯的便是鎮(zhèn)大門靠中間部位的四根立柱，其大小長度基本相似，我們可以畫出其中一根，對其余三根進行復制粘貼。創(chuàng)建方法與梯形臺創(chuàng)建基本一致。需要注意的是，我們?nèi)庋劭雌饋砹⒅秦Q直的，但是可能由于承重等原因，立柱會有輕微傾斜。對此，我們應當視具體情況進行適當調(diào)整。

接下來，則是構建鎮(zhèn)大門的若干橫柱，遵循的創(chuàng)建原則與方法和梯形臺相同。

最后，是鎮(zhèn)大門的斗拱與房頂部分。由于此次掃描的細部不夠精確，我們無法使用點云數(shù)據(jù)進行斗拱和房頂?shù)臉嫿?。在此，我們可以導入已有的房頂建筑模型來加以代替，達到外觀上的相似。

2.2.2 多邊形創(chuàng)建

在完成基本幾何體創(chuàng)建后，我們所需要的三維實體模型已經(jīng)基本完成。之所以要對其進行多邊形創(chuàng)建，是為了方便下一步的紋理貼圖。我們知道，如果對一個體模塊進行貼圖，那么它的所有面都會被貼上我們附加的紋理。而該鎮(zhèn)大門有部分體塊的面紋理是不同的，所以在這里，我們要將該體塊轉變?yōu)槠矫鏄嫾?/p>

在空間上任意創(chuàng)建一個平面，對其使用FFD 2×2×2工具，將其4個頂點拉至體模塊其中一個面的4個頂點處。相同方法，對它的其余表面進行處理。

在該鎮(zhèn)大門模型中，需要進行這項處理的是下部梯形臺上方的長橫柱。因為其正面是有特殊紋理的，而其余表面均為紅色面。

2.2.3 紋理貼圖

紋理貼圖是基于點云數(shù)據(jù)構建三維模型的最后一步，它的工作是對模型進行材質(zhì)賦予，使三維模型看起來更為真實。對面模塊進行紋理材質(zhì)的賦予時，首先使用photoshop軟件對照片進行簡單處理，將圖片在軟件中打開之后先運用裁剪工具對其進行尺寸大小的調(diào)整，為了獲得更好的視圖效果，可以對圖片進行角度的變換等操作；在拍照片時可能會有干擾點的出現(xiàn)，在軟件中使用仿章工具或者橡皮工具對其進行擦除、刪除；為了使圖片的光亮效果盡可能的接近真實環(huán)境，可以對照片的色彩平衡度做適當調(diào)整。完成對照片素材的加工之后，可以將其貼至三維模型上，完成三維建模的最后一步工作，得到最終的三維模型(見圖4)。

3 結語

本章以奇臺縣半截溝鎮(zhèn)鎮(zhèn)大門為研究對象，利用三維激光掃描技術開展了對鎮(zhèn)大門的真實建模的應用研究。在文中對測量工作的一系列步驟進行詳細介紹，包括掃描儀采集點云數(shù)據(jù)的工作，有關點云數(shù)據(jù)處理的內(nèi)業(yè)工作以及利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的詳細步驟。在建模過程中，對模型的具體操作過程均進行完整介紹，特別對其中基本幾何體創(chuàng)建、平面創(chuàng)建和紋理貼圖等步驟進行了詳細論述。模型的精度符合了測量的要求，這表明三維激光掃描技術在小范圍內(nèi)的高精度測量是具有一定優(yōu)勢的。

[1] Pesci A, Cssula G, Boschi E. Laser Scanning the Garisenda and Asinelli Towers in Bologna(Italy): Detailed Deformation Patterns of Two Ancient Leaning Buildings[J]. Journal of Cultural Heritage,2011,12(2):117-127.

[2] Teza G, Pesci A. Geometric Characterization of a Cylinder shaped Structure from Laser Scanner Data: Development of an Analysis Tool and Its Use on a Leaning Bell Tower [J]. Journal of Cultural Heritage,2013,14(5):411-423.

[3] Hinzen K G, Schreiber S, Rsdellen S.A High Resolution Laser Scanning Model of the Roman Theater in Pinara, Turkey comparison to Previous Measurements and Search for the Causes of Damage[J]. Journal of Cultural Heritage,2013,14(5):424-430.

[4] 趙 煦，周克勤，閆 利．基于激光點云的大型文物景觀三維重建方法[J].武漢大學學報(信息科學版)，2008，33(7)：684-687.

[5] 常永敏，張 帆，黃先鋒．基于激光掃描和高精度數(shù)字影像的敦煌石窟第196窟、285窟球幕圖像制作[J]．敦煌研究，2011(6):96-101.

[6] 王 茹．古建筑數(shù)字化及三維建模關鍵技術研究[D]．西安：西北大學，2010．

Exploration on the method of point cloud data promotion of 3D laser scanner

Zhao Ji Pan Yonggang Chen Jiahui

(CollegeofArchitectureandEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830000,China)

This paper introduced the characteristics of 3D laser scanning technology, taking the gate in Qitai county Banjiegou town as the research object, described the 3D modeling process and method of town gate based on 3D laser scanning data, pointed out that the model accuracy created using this technology meet the measurement requirements.

3D laser scanning, point cloud data, 3D modeling, texture mapping

1009-6825(2017)15-0257-02

2017-03-13

趙 吉(1991- )，男，在讀碩士； 潘永剛(1966- )，男，碩士生導師，副教授; 陳佳慧(1992- )，女，在讀碩士

TP319

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