李偉，張紅月*，孫衍建，龍飛

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊(duì))，山東 濟(jì)寧 272100；2.山東省大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，山東 濟(jì)寧 272100；3.高分辨率對地觀測系統(tǒng)濟(jì)寧數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

2019年開啟的“十四五”基礎(chǔ)測繪規(guī)劃編制工作推動了“實(shí)景三維中國建設(shè)”形成大項(xiàng)目、大工程[1]；作為“十四五”時(shí)期基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的重要任務(wù)，開展“實(shí)景三維中國建設(shè)”對推進(jìn)自然資源精細(xì)化、智能化管理具有重要意義[2]，由此各地相繼啟動“實(shí)景三維中國建設(shè)”項(xiàng)目。2019年4月，重慶市實(shí)現(xiàn)了全國首個(gè)省域級實(shí)景三維模型全覆蓋；2019年11月，深圳市實(shí)現(xiàn)了全市2100km2實(shí)景三維模型全覆蓋；2021年3月，青島市完成了全市實(shí)景三維模型制作招標(biāo)工作，招標(biāo)金額1.79億，高質(zhì)量、地區(qū)級的實(shí)景三維模型制作勢必成為一種常態(tài)[3]。影響實(shí)景三維模型成果質(zhì)量因素有很多，數(shù)學(xué)精度、模型結(jié)構(gòu)、模型紋理色彩等，其中又以模型紋理權(quán)重最大[4]。高質(zhì)量的模型成果一般要求紋理色彩飽滿、層次分明、反差適中。然而，由于采集設(shè)備、天氣情況、地形地貌及航攝狀態(tài)等諸多要素的影響，原始影像易出現(xiàn)灰蒙、色彩不均勻、飽和度差等問題[5]，進(jìn)而影響模型紋理成果質(zhì)量，因此模型的色彩均衡是模型生產(chǎn)中必不可少的一環(huán)。

2005年，王新玉、李衡等提出SPOT5正射影像圖(DOM)的制作流程及其質(zhì)量控制[6]；2013年，鄭興麗、孫運(yùn)豪等提出基于Photoshop對數(shù)字正射影像勻光勻色技巧[7],2019年，練栩，譚明等提出DPGrid-Ortho勻光勻色技術(shù)及其在航空正射影像生產(chǎn)中的應(yīng)用[8]。與正射影像圖色彩均衡相比，實(shí)景三維模型色彩均衡的生產(chǎn)理論、方法仍有不足。模型色彩均衡常規(guī)生產(chǎn)仍沿用正射影像圖色彩均衡的方法——原始影像預(yù)處理。2018年，凌毅力提出傾斜攝影影像采集與預(yù)處理方案的優(yōu)化研究[9]，2020年，王云川、段平等提出勻化處理的無人機(jī)影像實(shí)景三維模型增強(qiáng)方法[10]。但實(shí)景三維模型影像采集方向多，航線重疊率大[11]，原始影像的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)多于同一規(guī)格的正射影像圖原始數(shù)據(jù)量[12]，因此基于原始影像預(yù)處理實(shí)現(xiàn)模型色彩均衡的方法在地區(qū)級實(shí)景三維模型項(xiàng)目中局限性較大。

本文以濟(jì)寧市主城區(qū)實(shí)景三維建模項(xiàng)目為例，提出兩種利用實(shí)景三維模型紋理貼圖進(jìn)行色彩均衡的方法，以達(dá)到增強(qiáng)模型成果目視效果，提高模型色彩均衡效率的目的。

1 實(shí)驗(yàn)基本情況

2019年9月，濟(jì)寧市啟動主城區(qū)實(shí)景三維模型建設(shè)。項(xiàng)目以濟(jì)寧市建成區(qū)為主，總面積約410km2，模型地面分辨率2cm，生產(chǎn)工期4個(gè)月；項(xiàng)目原始影像數(shù)量約2100萬張(84TB)，影像間隔為2019年10月—2019年12月，采集設(shè)備3型6套，原始影像存在明暗程度不同、色彩飽和不一的情況；項(xiàng)目建設(shè)工程89個(gè)，投入計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)60個(gè)，獲得實(shí)景三維模型成果3.9TB，瓦片數(shù)量42000個(gè)，數(shù)據(jù)成果格式OSGB，項(xiàng)目工程存有緩存?zhèn)浞荨８鶕?jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù)，制作原始影像預(yù)處理的生產(chǎn)周期如表1所示。

表1 項(xiàng)目原始影像預(yù)處理的生產(chǎn)周期表

由表1可見，項(xiàng)目中原始影像預(yù)處理的生產(chǎn)周期較長，項(xiàng)目不適合采用原始影像預(yù)處理的方法進(jìn)行模型色彩均衡。

2 理論分析

實(shí)景三維模型是基于傾斜攝影技術(shù)獲取多角度的地物紋理，通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)自動提取影像同名點(diǎn)，并經(jīng)過點(diǎn)位匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建及紋理映射獲得的高精細(xì)三維模型[13]。目視上實(shí)景三維模型是“一張皮”，但本質(zhì)上實(shí)景三維模型是一個(gè)個(gè)密集三角網(wǎng)和紋理貼圖的集合(圖1)[14]。目前常用的勻色軟件無法直接對實(shí)景三維模型進(jìn)行色彩均衡，但若能將實(shí)景三維模型成果進(jìn)行逆向分解，從“一張皮”的模型上獲得全部獨(dú)立的紋理貼圖，便可通過常用軟件進(jìn)行紋理勻色，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型的色彩均衡。

a—三角網(wǎng)樣圖；b—紋理貼圖樣圖

3 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

筆者通過對實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論分析，以模型紋理貼圖為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和模型工程緩存編輯的兩種技術(shù)方法，用以實(shí)現(xiàn)模型整體色彩均衡。

(1)基于模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的色彩均衡

目前行業(yè)內(nèi)實(shí)景三維模型使用最廣泛的數(shù)據(jù)格式為OSGB格式，該數(shù)據(jù)格式是帶有嵌入式鏈接紋理數(shù)據(jù)的二進(jìn)制存貯格式[15]；另一種常用格式為OBJ格式，該數(shù)據(jù)格式是程序編譯后的二進(jìn)制文件，以純文本的形式存儲模型頂點(diǎn)、法線、紋理坐標(biāo)、材質(zhì)使用等信息，其顯著特點(diǎn)是支持法線和貼圖坐標(biāo)，適合用于3D軟件模型之間的互導(dǎo)[16]。基于上述考慮，將OSGB格式的模型成果轉(zhuǎn)換為OBJ格式，實(shí)現(xiàn)OSGB格式數(shù)據(jù)的紋理貼圖解壓，提取獨(dú)立的模型紋理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行勻色，實(shí)現(xiàn)模型成果的色彩均衡。

(2)基于模型工程緩存編輯的色彩均衡

目前實(shí)景三維建模制作應(yīng)用最多的軟件是Bentley公司的Context Capture，該軟件具有品質(zhì)穩(wěn)健、高性能、可擴(kuò)展、兼容性、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)[17]。軟件基于圖形運(yùn)算單元(GPU)進(jìn)行三維場景運(yùn)算，能從簡單連續(xù)影像中運(yùn)算生成超高密度點(diǎn)云，并在真實(shí)影像紋理的基礎(chǔ)上生成高分辨率的三維模型[18]。Context Capture模型重建文件(Reconstruction)路徑下有獨(dú)立存在的紋理貼圖數(shù)據(jù)，對緩存中的獨(dú)立貼圖進(jìn)行色彩均衡后，再進(jìn)行模型重建，可實(shí)現(xiàn)模型色彩均衡。

4 實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)提出的兩種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并設(shè)計(jì)具體測試環(huán)節(jié)(表2)。

表2 方案一、二技術(shù)流程表

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及軟件

本次實(shí)驗(yàn)投入以下生產(chǎn)資料，詳見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)投入的生產(chǎn)資料統(tǒng)計(jì)表

4.2 樣片選取

樣片選取的好壞直接影響到最終勻色成果質(zhì)量，是色彩均衡中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。樣片中選取的地形、地貌要素全面，并根據(jù)測區(qū)內(nèi)要素的比重按照一定比例進(jìn)行選取。樣片選取的地物圖片色彩飽滿、紋理清晰，如存在色彩質(zhì)量不佳的地物，需要對地物進(jìn)行色彩調(diào)整。色彩調(diào)整前需要對顯示器進(jìn)行校準(zhǔn)，未經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器會導(dǎo)致樣片色彩選取出現(xiàn)誤差。樣片色彩調(diào)整采用Photoshop軟件，調(diào)整方式采用曲線調(diào)整，盡量不采用亮度、對比度等工具。樣片選取后需要進(jìn)行效果測試，測試區(qū)域應(yīng)保證一定數(shù)量且分布均勻。

4.3 模型格式轉(zhuǎn)換

基于模型格式轉(zhuǎn)換獲取獨(dú)立的模型紋理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行勻色。模型格式轉(zhuǎn)換軟件采用DP-Modeler。它具有反映建筑物真實(shí)情況、模型紋理自動映射、支持大影像調(diào)度等特點(diǎn)[19]，并支持OSGB與OBJ模型格式批量相互轉(zhuǎn)換，相比于其他模型格式轉(zhuǎn)換軟件，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成功率高，速度快。模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行模型瓦塊檢查，避免出現(xiàn)瓦片丟失的情況。

4.4 紋理圖片復(fù)制提取與恢復(fù)

現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范對紋理色彩尚無硬性規(guī)定，所以它具有很強(qiáng)的主觀性，部分瓦片紋理多次色彩均衡是必然過程，因此需要對模型紋理圖片進(jìn)行復(fù)制提取及恢復(fù)。圖片復(fù)制提取與恢復(fù)采用計(jì)算機(jī)編程自動執(zhí)行。

4.5 模型紋理勻色

模型紋理勻色采用EPT軟件，EPT是航天遠(yuǎn)景生產(chǎn)的一款專業(yè)圖片勻色、勻光軟件，軟件自帶多種勻色、勻光方法[20]。實(shí)驗(yàn)中采用的Wallis整體勻光方法進(jìn)行紋理批量處理，勻色底片采用確認(rèn)合格的勻色樣片。

4.6 模型重建

對紋理勻色后的工程進(jìn)行重新建模，模型重建后需對模型的瓦片數(shù)量及質(zhì)量進(jìn)行檢查。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對實(shí)驗(yàn)后的模型質(zhì)量及模型色彩均衡效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比。

(1)模型質(zhì)量統(tǒng)計(jì)對比

目視條件下與基于原始影像預(yù)處理的模型對比，實(shí)驗(yàn)后的模型紋理質(zhì)量未見明顯差異見圖2。

a—原始影像預(yù)處理色彩均衡模型；b—方案一色彩均衡后模型;c—原始影像預(yù)處理色彩均衡模型；d—方案二色彩均衡后模型

(2)模型色彩均衡效率統(tǒng)計(jì)對比

對實(shí)驗(yàn)中各環(huán)節(jié)的測試情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并制表(表4)。

表4 方案一、方案二模型各環(huán)節(jié)測試情況統(tǒng)計(jì)表

由表4對實(shí)驗(yàn)方法的效率進(jìn)行對比：①原始影像預(yù)處理周期1215個(gè)工作日，方案一周期277個(gè)工作日，效率提高了4.3倍；②原始影像預(yù)處理周期1215個(gè)工作日，方案二周期133個(gè)工作日，效率提高了9.1倍；③方案二相較于方案一效率提高了2.1倍，且對軟件及人工操作需求較少，但需要完整的工程緩存。

6 結(jié)論

本文提出了通過對模型紋理貼圖勻色實(shí)現(xiàn)模型色彩均衡的方法，并通過濟(jì)寧市城區(qū)建模項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于模型紋理貼圖勻色實(shí)現(xiàn)模型色彩均衡的方法能夠有效解決模型紋理不清晰、模型整體色彩不協(xié)調(diào)的問題，提高了模型質(zhì)量，同時(shí)與目前主流的基于原始影像預(yù)處理實(shí)現(xiàn)模型色彩均衡的方法相比，本文提出的兩種模型紋理勻色方法分別將模型色彩均衡的生產(chǎn)效率提高了4.3倍和9.1倍，大幅縮短了模型色彩均衡的生產(chǎn)周期。實(shí)驗(yàn)方法的論證成功為地區(qū)級實(shí)景三維模型制作提供了新的色彩均衡解決思路，對于“實(shí)景三維山東建設(shè)”“實(shí)景三維中國建設(shè)”的推進(jìn)具有一定的意義。

目前，基于模型紋理貼圖勻色的方法仍存在急需解決的問題，如操作流程不自動。所以將整個(gè)操作過程數(shù)字化、自動化，實(shí)現(xiàn)與模型生產(chǎn)軟件自動對接、集成，是今后改進(jìn)的方向。