南竣祥，梁 爽，李海泉，周 磊，周曦冰，黨軍勇

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

一種基于三維激光掃描技術(shù)的快速建模方法

南竣祥，梁 爽，李海泉，周 磊，周曦冰，黨軍勇

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

針對傳統(tǒng)文物三維模型建模方法存在建模時間長、工作量大、經(jīng)費花費多等問題，提出了利用Z+F 5010C三維激光掃描儀采集點云及全景照片，通過彩色點云直接擬合生成模型的方法。試驗結(jié)果表明，該方法制作模型能夠體現(xiàn)紋理細節(jié)，其質(zhì)量與掃描儀距掃描主題距離成反比，且與全景照片質(zhì)量息息相關(guān)。本文提出了在保證點云密度的前提下，通過提高全景照片的方式來提高建模質(zhì)量的思路，為以后研究提出方向性參考。

三維激光掃描；彩色點云；全景照片；模型擬合；三維模型

三維激光掃描技術(shù)(3D laser scanning technology)是采用非接觸式高速激光測量方式，快速地獲取測量對象表面幾何特征的重要技術(shù)手段[1]。三維激光掃描技術(shù)目前已經(jīng)在文物保護、國土測繪、建筑BIM模型等許多方面取代了傳統(tǒng)測繪[2]，其數(shù)據(jù)的全面性精細程度，為許多行業(yè)領(lǐng)域研究的發(fā)展提供了新的思路和方法。隨著三維激光掃描技術(shù)在文物保護領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入與推廣，其已經(jīng)成為考古現(xiàn)場科學記錄[3]、文物保護與修復、文物真三維數(shù)字檔案建設(shè)、真三維文物展示的常規(guī)技術(shù)手段。在真三維模型制作方面，目前多采用利用點云數(shù)據(jù)擬合生成文物本體多邊形模型，再利用外業(yè)所采集的照片在3ds Max中進行貼圖方式實現(xiàn)[4]，這種方法工作量大，成本高，不適合大量快速建模的需要，尤其是對于特別復雜表面的文物模型建模，該方法更不適用。因此，有必要研究一種在能夠滿足研究需要的情況下，節(jié)約時間、成本的快速建模方法。

本文主要采用Z+F 5010C三維激光掃描儀采集某文物遺跡表面點云數(shù)據(jù)，利用其自帶的I-CAM工業(yè)相機采集遺跡表面紋理信息，通過內(nèi)業(yè)處理得到遺跡彩色點云數(shù)據(jù)，研究其在不同分辨率、不同距離等條件下對生成的多邊形模型的影響，并通過與傳統(tǒng)照片貼圖模型進行對比分析，得出該建模方法在文物真三維模型制作方面的優(yōu)勢及特點。

1 Z+F三維激光掃描儀簡介

Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀為相位式激光掃描儀，10 m處誤差為0.3 mm(白色80%反射率)，全方位場角360°×320°，有效范圍約180.3 m，掃描時有4種數(shù)據(jù)質(zhì)量等級和7種分辨率可以設(shè)置，在較遠的距離下也能保持相當高的點密度。

IMAGER 5010C將I-CAM相機集成于設(shè)備內(nèi)部，適用于所有的環(huán)境，在各種光線下都能拍出高質(zhì)量的照片,生成真實的全景影像，經(jīng)過Z+F的后處理軟件Z+F LaserControl可以將全景影像的R/G/B信息按照實際位置映射到原始黑白點云數(shù)據(jù)，生成真彩色點云數(shù)據(jù)，更加直觀全面地反映掃描物件的詳細信息。

2 總體技術(shù)路線

本次采用掃描儀在不同距離上獲取遺址表面三維點云數(shù)據(jù)，再利用Z+F LaserControl軟件進行點云數(shù)據(jù)處理，制作完成不同距離之上的彩色點云數(shù)據(jù)，再通過Geomagic Wrap 2013(64 bit)(注：軟件版本可能影響試驗結(jié)果)逆向工程建模軟件建模，構(gòu)建完成Obj彩色網(wǎng)格模型，利用3ds Max對網(wǎng)格模型進行紋理貼圖得到遺址真三維模型[5-7]，通過對比兩種模型結(jié)果，得出結(jié)論?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

3 試驗方法及結(jié)果

由于本次試驗是為了驗證利用彩色點云擬合而成的網(wǎng)格模型與3ds Max精細三維模型之間的差別，而掃描儀自帶相機像素是一定的，因此，隨著掃描距離的增加彩色點云數(shù)據(jù)質(zhì)量將會降低[8]，距離太遠對研究結(jié)果意義不大，因此，掃描測站均設(shè)置在10 m之內(nèi)：

(1) 表面紋理數(shù)據(jù)采集：紋理信息數(shù)據(jù)采集使用Canon EOS 7D單反相機，采集照片達千萬像素。

(2) 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲?。悍謩e在掃描主體10、8、5、3 m的位置上架設(shè)測站，采用高質(zhì)量中等分辨率(10 m處點云分辨率可達1 mm)對同一掃描主體進行數(shù)據(jù)采集，采集掃描測站全景照片，利用全景照片及點云數(shù)據(jù)完成彩色點云制作。

(3) OBJ彩色網(wǎng)格模型建模：利用Geomagic Wrap 2013(64 bit)軟件中擬合，構(gòu)建完成單站OBJ三維格網(wǎng)模型，再通過其他測站布設(shè)，補充掃描獲取遺址完整的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)拼接、除噪[9]、輸出，擬合完成遺跡整體三維網(wǎng)格模型，如圖2所示。

(4) 真三維模型建模：在OBJ網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，對采集的紋理信息進行處理，利用UVLayout v2 Pro配合3ds Max軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)三維模型的制作，如圖3所示。

圖2 彩色網(wǎng)格模型

圖3 三維貼圖模型

通過對比，宏觀上兩類模型效果差異不大，彩色網(wǎng)格模型由于掃描儀對全景照片自動處理顯得更光亮一些，其整體色調(diào)一致，彩色信息與實地相符。三維貼圖模型是通過實地照片貼圖而成，更加美觀真實，但局部由于照片拉伸，細節(jié)紋理位置會產(chǎn)生偏移。

為了突出成果的直觀性，選取“DW-G1東壁”和“⑤C”兩個標識，標識尺寸分別為20 cm×15 cm、15 cm×8 cm，對采集的全景照片、彩色點云數(shù)據(jù)、單站擬合結(jié)果、遺跡整體點云拼接擬合結(jié)果及利用真三維模型結(jié)果見表1。

根據(jù)表1、表2可以看出：

(1) 距離3～10 m，掃描儀自帶相機生成的全景照片均能夠完全識別標識上的字跡，但隨著距離的增加，標識上面的文字線條逐漸加粗，由于掃描站點環(huán)境的不同，全景照片的色調(diào)發(fā)生了變化。

(2) 彩色點云數(shù)據(jù)的彩色信息與全景照片完全相同，即彩色點云的色彩完全取決于全景照片。

(3) 單站點云生成的彩色網(wǎng)格模型，標識上面的字跡均完全可以分辨，但數(shù)據(jù)拼接之后彩色網(wǎng)格模型只能分辨外輪廓，表1中標識內(nèi)部“DW-G1東壁”中英文字母已不能辨別，漢字已模糊難辨，而表2標識內(nèi)部“⑤C”字跡已完全無法辨別。

表1 DW-G1東壁試驗詳細情況

試驗結(jié)果表明：

(1) 單站彩色點云數(shù)據(jù)、全景照片質(zhì)量、擬合形成的模型效果基本相同。結(jié)果表明：在點云分辨率1 mm之內(nèi)時，能夠通過點云數(shù)據(jù)操作直接實現(xiàn)模型制作，其擬合結(jié)果與全景照片息息相關(guān)，由于掃描儀自帶的全景照片像素有限(大約4千萬)，距離越近，效果越好，可以通過減小距離或提高全景照片分辨率的方式提高模型質(zhì)量[10]。

(2) 多站點拼接之后擬合形成的模型，其標識大小還能夠分辨，但內(nèi)部字跡變得模糊，“DW-G1東壁”與“⑤C”中“東壁”二字還能判別，其他數(shù)字英文無法辨別，結(jié)果證明線條越細通過該方法建模就更容易丟失細節(jié)。究其原因：由于遺跡是個幾何體，需要多站點掃描才能獲取全部的遺跡信息，而不同測站的點云數(shù)據(jù)拼接之后存在誤差[11]，且不同站點的全景照片也存在色調(diào)差異，這些誤差和色調(diào)差異使得在后續(xù)擬合過程中紋理細節(jié)丟失。

4 結(jié) 語

隨著三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量文物數(shù)字化成果便于永久保存及展示，而在復雜文物模型建模方面，傳統(tǒng)工藝需要花費大量的時間及金錢，使得大量、大范圍的文物數(shù)據(jù)化工作無法開展。本次試驗探索了利用掃描儀外業(yè)采集數(shù)據(jù)，直接通過數(shù)據(jù)處理獲取三維模型，節(jié)省了大量人力及時間成本。

與傳統(tǒng)三維貼圖模型效果對比，其成果還存在很大差距，但通過試驗發(fā)現(xiàn)，對于表面紋理不精細、細節(jié)不突出的遺址，其真三維模型可以通過該方法實現(xiàn)。但對于對細節(jié)要求較高的遺址，可通過提高影像質(zhì)量、點云數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量來提高建模效果，需要在以后的工作中繼續(xù)研究與探索。

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AFastModellingMethodBasedon3DLaserScanningTechnology

NAN Junxiang,LIANG Shuang,LI Haiquan,ZHOU Lei,ZHOU Xibing,DANG Junyong
(The Second Topographic Surveying Brigade of National Administration of Surveying, mapping and Geoinformation，Xi’an 710054，China)

According to the fact that traditional cultural relics 3D modeling method causes many problems, such as， long time, big workload and large expenditure. This paper puts forward to use Z+F 5010C 3D laser scanner patch cloud and panoramic photos, through the color point cloud to accrete directly into a method of the model. The experimental results show that the method making model can reflect the texture details, its quality and scanner is inversely proportional to the distance from scanning the theme, and is closely related to panoramic picture quality. Is presented under the premise of guarantee the point cloud density, by raising the panoramic photos of ways to improve the quality of modeling idea, put forward the direction for further research references.

3D laser scanning; color point cloud; distant view photograph; model fitting;3D model

南竣祥，梁爽，李海泉,等.一種基于三維激光掃描技術(shù)的快速建模方法[J].測繪通報，2017(10)：137-139.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0332.

2017-03-23;

2017-05-08

石窟寺文物本體測繪技術(shù)與方法研究(陜測科-04)

南竣祥(1985—)，男，碩士，主要研究方向為三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用。E-mail:16819371@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)10-0137-03