錢磊 張文超

摘 要：本文主要分析傳統(tǒng)建模的弱勢(shì)與不足，介紹了傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)及基本原理、Smart3D軟件進(jìn)行小物件建模的詳細(xì)流程以及后期模型的基本處理辦法。通過(guò)對(duì)于小物件三維建模技術(shù)的研究，可以以很低的代價(jià)獲取大量的模型用來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，從而取得經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影技術(shù);Smart3D;實(shí)景三維建模

中圖分類號(hào)：TV221.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）28-0014-03

Abstract： This paper mainly analyzed the disadvantage and shortcomings of traditional modeling， and introduced the characteristics and basic principles of tilt photography， the detailed process of small objects modeling by Smart3D software and the basic processing methods of later models. Through the research on small objects 3D modeling technology， we could obtain a large number of models at a low cast and build a database to achieve economic benefits.

Keywords： slant photography;Smart3D;real3D modeling

目前，傳統(tǒng)的大面積的三維城市建模的方法主要是測(cè)量建模的方法[1]，采用外業(yè)人員手工拍照的方法，得到建筑物的結(jié)構(gòu)和紋理，然后通過(guò)內(nèi)業(yè)人員的處理，結(jié)合正射影像圖、測(cè)區(qū)平面矢量圖等數(shù)據(jù)，建立白模。通過(guò)拍攝的紋理分析模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上。傳統(tǒng)的建模方法雖然能夠很好地控制模型精細(xì)度，但仍存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、工作強(qiáng)度大、模型生產(chǎn)效果不確定等問(wèn)題，無(wú)法滿足城市大范圍快速建模的需要[2]，而基于Smart3D的三維建模技術(shù)正是在傾斜攝影原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

1 傾斜攝影技術(shù)

1.1 傾斜攝影技術(shù)概念

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片（1組影像），鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片（4組影像）。

1.2 傾斜攝影技術(shù)特點(diǎn)

傾斜攝影技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①反映地物周邊真實(shí)情況;②實(shí)現(xiàn)單張影像量測(cè);③可采集建筑物側(cè)面紋理;④數(shù)據(jù)量小易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布;⑤建模高效，成本較低。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)對(duì)象及器材

新鮮紋理清晰的蘋(píng)果、實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)、攝影燈光器材、相機(jī)。

2.2 三維重建原理

通過(guò)量測(cè)或非量測(cè)相機(jī)多視角、多層次地拍攝照片，得到一組高重疊率物體表面的照片。然后通過(guò)提取各照片的特征點(diǎn)，依據(jù)這些特征點(diǎn)的稀疏匹配算出照片的三維位置，進(jìn)而經(jīng)過(guò)密集匹配獲得物體表面密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)[3]。

2.3 Smart3D實(shí)景三維模型建模實(shí)例

利用Smart3D進(jìn)行實(shí)景三維建模主要分為前期準(zhǔn)備、影像獲取、軟件操作等三大部分。其中前期需要調(diào)試好相機(jī)參數(shù)、燈光強(qiáng)度、模型擺放位置，才能進(jìn)行相機(jī)的拍攝，作為前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。Smart3D操作流程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空中三角測(cè)量、產(chǎn)品生產(chǎn)導(dǎo)出。

2.3.1 相機(jī)與燈光的選擇。拍照采用圓臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)拍的方式，室內(nèi)拍攝調(diào)整燈光為最佳光效;如果室外拍攝，既要保證光線充足，避免有陰影，又要防止陽(yáng)光過(guò)強(qiáng)造成反光，使拍攝物紋理反射喪失。

本次流程選用的為佳能EOS M3。調(diào)節(jié)相機(jī)參數(shù)達(dá)到最佳效果，記錄感應(yīng)器尺寸22.3mm，焦距55mm。為了達(dá)到最好的建模效果，保證照片質(zhì)量，同一角度至少拍攝3次以上，相片重疊率不得低于60%。

2.3.2 新建工程。打開(kāi)Contextcapture工作模塊后臺(tái)運(yùn)行，然后打開(kāi)Contextcapture主控模塊，新建一個(gè)工程項(xiàng)目，命名為pinguo。Contextcapture工作模塊主界面，如圖1所示。

2.3.3 導(dǎo)入照片。選擇添加影像，將之前使用相機(jī)獲取的影像導(dǎo)入工程中，檢查圖片的相機(jī)參數(shù)，剔除參數(shù)不一致的圖片，進(jìn)行下一步空中三角測(cè)量。

2.3.4 空中三角測(cè)量。為了能夠讓無(wú)序的圖片影像在三維空間中相互對(duì)齊，并構(gòu)建與真實(shí)狀態(tài)下相接近的統(tǒng)一的空間模型，就需要對(duì)影像進(jìn)行空中三角測(cè)量操作[4]。由各單條航線獨(dú)立建立各自的航帶模型，每個(gè)航帶模型單元要各自概略置平并統(tǒng)一在一個(gè)共同的坐標(biāo)系中，最后進(jìn)行整體平差運(yùn)算。為此，要對(duì)各航帶列出各自的非線性改正公式（使用二次或三次多項(xiàng)式或二次正形變換公式），按最小二乘法準(zhǔn)則統(tǒng)一平差計(jì)算，求出各條航帶的非線性改正參數(shù)。

整個(gè)操作過(guò)程中，不觸及被量測(cè)目標(biāo)即可測(cè)定其位置和幾何形狀，不受通視條件限制，攝影測(cè)量平差時(shí)，區(qū)域內(nèi)部精度均勻，且不受區(qū)域大小限制，如圖2所示。

2.4 導(dǎo)出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

Contextcapture可生產(chǎn)的三維模型主要是S3C、OSGB、OBJ、3MX等格式，本次試驗(yàn)流程生產(chǎn)3MX格式模型，可以在Acute3D Viewer軟件上查看其三維實(shí)景模型;生產(chǎn)OBJ格式模型，可以在Geomagic Wrap 軟件上查看其三維實(shí)景模型。生產(chǎn)項(xiàng)目分類圖如圖3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及后期處理

3.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)Acute3D Viewer、Geomagic Wrap查看模型生產(chǎn)效果，模型效果非常好，除部分漂浮碎片外，無(wú)其他影響模型效果的瑕疵，整體效果完好。沒(méi)有出現(xiàn)破碎、凸出、凹陷、紋理丟失等常見(jiàn)問(wèn)題。

3.2 后期處理

3.2.1 Geomagic Wrap修復(fù)。選擇導(dǎo)出的模型文件中的OBJ格式文件，使用Geomagic Wrap打開(kāi)。觀察模型的整體效果，發(fā)現(xiàn)存在懸浮的碎片，選擇左上方流形功能鍵，打開(kāi)流形，可以直接刪除部分細(xì)微的小碎片;然后選擇貫穿直接選擇碎片，點(diǎn)擊Delete鍵刪除即可。

此外，通過(guò)對(duì)大量模型數(shù)據(jù)的建模效果及后期模型處理來(lái)看，目前主要存在以下幾個(gè)主要的問(wèn)題[5]：①幾何修復(fù)，對(duì)破洞進(jìn)行修補(bǔ)，凸包抹平并還原，刪除空中漂浮碎片;②細(xì)部整飾，重要地物和標(biāo)志物的三維模型整飾或替換;③紋理修補(bǔ)，替換或修補(bǔ)不均勻紋理、清晰度不夠的紋理。

實(shí)際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復(fù)的過(guò)程[6]，如何在幾何結(jié)構(gòu)修復(fù)的同時(shí)提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問(wèn)題之一。

修復(fù)之后的模型效果圖如圖4所示。

3.2.2 模型與網(wǎng)頁(yè)交互的運(yùn)用。上文已經(jīng)介紹了模型的生成原理、生成所需工具及后期簡(jiǎn)單處理，但是模型的生成絕不只用來(lái)觀賞，應(yīng)該發(fā)揮其價(jià)值。鑒于此，模型與網(wǎng)頁(yè)交互的運(yùn)用是一個(gè)比較好的應(yīng)用方向。

通過(guò)先進(jìn)的實(shí)景三維重建技術(shù)，利用三維實(shí)景建模技術(shù)把現(xiàn)實(shí)的真實(shí)對(duì)象變成超真實(shí)感的數(shù)字模型，如盆栽、水果生活用品、巖石標(biāo)本、真人模型等，然后通過(guò)SU創(chuàng)建三維場(chǎng)景，如公園、山谷、庭院。把模型與場(chǎng)景相結(jié)合。使原本各自獨(dú)立的模型，通過(guò)特定的場(chǎng)景聚合在同一個(gè)場(chǎng)景之中，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，三維實(shí)景建模技術(shù)必將更加簡(jiǎn)單化、智能化、產(chǎn)業(yè)化，在未來(lái)各方面的應(yīng)用也將更加廣泛，并發(fā)揮更廣的作用。通過(guò)相機(jī)獲取影像、導(dǎo)入Smart3D生成三維實(shí)景模型，同時(shí)運(yùn)用其他軟件對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)、對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行更加細(xì)致的處理，就可以使原有的模型永久保存下來(lái)。此外，通過(guò)這一項(xiàng)技術(shù)建立模型，就將會(huì)擁有一個(gè)大型的素材庫(kù)，與此同時(shí)還將會(huì)獲得較大的經(jīng)濟(jì)利益。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧秀山，李清泉，馮文灝，等.車載式城市信息采集與三維建模系統(tǒng)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2003（3）：76-80.

[2]王琳，吳正鵬，姜興鈺，等.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在三維城市建模中的應(yīng)用[J].測(cè)繪與空間地理信息，2015（12）：30-32.

[3]戴竹紅，李柳興，鄒發(fā)東.基于SMART3D的實(shí)景三維建模與應(yīng)用[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2015（4）：113-115.

[4]范攀峰，李露露.基于Smart3D的低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2017（S2）：77-81.

[5]譚仁春，李鵬鵬，文琳.無(wú)人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[J].測(cè)繪通報(bào)，2016（S2）：193-196.

[6]張瑞瑞，艾海濱，張力，等.附加約束條件的半自動(dòng)復(fù)雜建筑物重建方法[J].測(cè)繪通報(bào)，2015（11）：64-68.