彭 磊，黃真輝，程 平，柴春鵬

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050031)

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天寶測繪解決方案專欄

Trimble Realworks在點云數(shù)據(jù)真三維建模中的應(yīng)用

彭 磊，黃真輝，程 平，柴春鵬

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050031)

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，其應(yīng)用取決于點云數(shù)據(jù)的建模質(zhì)量。將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Realworks，經(jīng)過數(shù)據(jù)配準、點云降噪、模型創(chuàng)建、曲面構(gòu)建等處理，生成三維模型，并將三維模型與點云模型進行比較。試驗表明，采用Trimble Realworks軟件進行點云數(shù)據(jù)三維建模，大大提高了建模質(zhì)量。

Trimble Realworks；三維激光掃描技術(shù)；三維建模

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，它利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和RGB等信息，可快速復(fù)建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。目前，該技術(shù)在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域已有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用取決于點云數(shù)據(jù)建模的質(zhì)量。在三維建模中，常用的方法是利用幾何建模軟件通過人機交互方式獲得人為控制下的三維模型，如3ds Max、AutoCAD等，這些方法建模存在周期長、精度低、不支持空間操作等一系列問題，并且對于復(fù)雜的不規(guī)則的物體，這類軟件無法真實反映物體的形態(tài)。而Trimble Realworks軟件可輕松讀取掃描所獲取的點云數(shù)據(jù)，通過自身強大的點云處理功能對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，創(chuàng)建出多邊形模型。使用該方法進行三維建模可以充分利用點云數(shù)據(jù)，速度快、效果好，為三維建模提供了一種新的建模思路。本文將以筆者所在單位一座雕像為例，探討如何采用Trimble Realworks軟件合理有效地利用點云數(shù)據(jù)，提高建模的效率與質(zhì)量。

1 點云數(shù)據(jù)獲取

通過非接觸測量的測量方法，三維激光掃描儀利用激光測距原理獲得真三維幾何結(jié)構(gòu)形狀的表面三維信息。三維激光掃描儀通電并打開開關(guān)后，首先掃描控制模塊工作，調(diào)節(jié)激光信號的射出角度，控制反射棱鏡勾速轉(zhuǎn)動；然后距離測量模塊得到每個點云數(shù)據(jù)所對應(yīng)的激光傳播距離，再利用點云數(shù)據(jù)在水平和垂直方向上的角度值，間接得出在空間分布的激光點云數(shù)據(jù)。

本文采用Trimble TX8三維激光掃描儀來獲取雕像的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，并結(jié)合雕像周邊的環(huán)境，擬采用特征點數(shù)據(jù)拼接的方式對雕像進行4站掃描。每站掃描完成后，檢查點云數(shù)據(jù)是否完整，確保最后得到精確可靠的點云數(shù)據(jù)。

2 點云數(shù)據(jù)拼接

點云數(shù)據(jù)拼接是將不同坐標系下的點云統(tǒng)一到同一坐標系下，對點云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理一直到模型表面重建的各個環(huán)節(jié)都存在重要意義。常用的點云拼接方法有標靶拼接、點云特征點拼接及控制點拼接3種。由于雕像周邊特征點較多，本文在Realworks軟件中采用基于目標的匹配方法完成雕像的點云數(shù)據(jù)拼接。具體過程如下：

(1) 相鄰兩測站間選取3個公共特征點進行匹配，監(jiān)測迭代過程中的誤差大小與出現(xiàn)的比率圖。

(2) 查看數(shù)據(jù)配準后的誤差大小，以3 cm為誤差限值，超過限值則重新配準，直至滿足精度要求為止。

(3) 按步驟(1)—(2)的要求依次完成剩余站之間點云數(shù)據(jù)的拼接，最后將匹配好的點云約束在一起，完成所有站之間的拼接。拼接好的雕像點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 雕像點云數(shù)據(jù)

拼接好點云數(shù)據(jù)后，刪除雕像之外多余的點云，保證點云的完整與真實性。

3 基于Trimble Realworks的真三維建模

Trimble Realworks的曲面建模原理是利用許多細小的空間三角形來逼近還原CAD實體模型，又稱為三角網(wǎng)模型。Trimble Realworks軟件建模的具體流程為：點云處理—封裝成三角網(wǎng)—三角網(wǎng)模型處理階段—輸出模型。

3.1 點階段的處理

在Trimble Realworks軟件中，點階段的處理工作主要包括點云著色、降噪及重采樣等。具體步驟如下：

(1) 點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Realworks軟件后，首先使用點著色處理，目的是突顯出噪點與現(xiàn)場真實的環(huán)境情況。

(2) 選擇多余的噪點區(qū)域，并進行刪除。

(3) 點云采樣，進行點云數(shù)據(jù)規(guī)則性的點云抽稀，確保數(shù)據(jù)處理的流暢性。

(4) 封裝數(shù)據(jù)，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)后即可進行三角網(wǎng)封裝。

3.2 三角網(wǎng)模型階段的處理

該階段是建模過程中的關(guān)鍵步驟，它的效果直接決定了后面的模型效果。首先需要進行填充工作，對點云數(shù)據(jù)的一些漏洞地方進行填充。填充功能用于在缺失數(shù)據(jù)的區(qū)域創(chuàng)建一個新的平面或曲面?？梢詧?zhí)行全部填充和部分填充，全部填充一般用于簡單結(jié)構(gòu)體，對于復(fù)雜物體一般采用部分填充。根據(jù)不同的填充要求選擇基于曲率、切線和平面的填充方式。

修補好孔洞后，需要進行平滑處理，首先選擇模型表面褶皺明顯區(qū)域進行平滑，可以通過改進工具進行修復(fù)；修復(fù)完成之后，對模型進行最后的平滑工作，可以使用刪除凸起、平滑工具進行最后的平滑工作。如圖2所示。

3.3 三角網(wǎng)模型的精度評價

模型重構(gòu)過程中，精度是衡量模型重構(gòu)優(yōu)劣的評價標準，體現(xiàn)了模型與實際文物之間的差距大小。在Trimble Realworks軟件中，可將參考模型與測試模型的某些相對應(yīng)的特征作為特征對，對兩個模型進行比較并生成精度分析報告。Trimble Realworks軟件的3D比較功能可以生成反映兩個模型間誤差的彩色3D模型， 同時還可以給出兩個模型之間的最大偏差、平均偏差及標準偏差。以雕像點云模型為參照，將三角網(wǎng)模型作為測試對象，兩者偏差比較結(jié)果如圖3所示。

圖2 改進工具修復(fù)前后對比

圖3 點云模型與三角網(wǎng)模型的3D偏差分析

以上精度評價表明，基于Trimble Realworks和點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的雕像三維模型具有很高的精度，能夠精確反映出雕像的真實形狀。

4 結(jié) 語

如何有效利用點云數(shù)據(jù)提高建模精度是近幾年來三維激光掃描技術(shù)的研究熱點。試驗表明，用Trimble Realworks軟件可以有效地對點云數(shù)據(jù)進行處理，包括點云配準、點云降噪、多邊形處理、孔洞填充、模型光滑、生成三維模型等，大大提高了建模的效率和質(zhì)量，為點云數(shù)據(jù)三維建模提供了一種參考方法。