基于三維激光掃描儀和SkechUp的建筑物三維建模應(yīng)用研究*

王　瑞，陳　聯(lián)，陳沖林

(1.新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 克拉瑪依　834000； 2.云南省地礦測繪院，云南 昆明　650218)

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基于三維激光掃描儀和SkechUp的建筑物三維建模應(yīng)用研究*

王瑞1，陳聯(lián)1，陳沖林2

(1.新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 克拉瑪依834000； 2.云南省地礦測繪院，云南 昆明650218)

結(jié)合天寶TX8三維激光掃描儀在建筑物三維建模中的應(yīng)用，說明該三維激光掃描儀在外業(yè)數(shù)據(jù)采集中的注意事項(xiàng)，并對如何將建筑物輪廓特征信息傳輸?shù)絊kechUp軟件中進(jìn)行建模、貼圖、渲染、動態(tài)視頻制作進(jìn)行了探討，提出了一套基于三維掃描儀和SkechUp的建筑物三維模型快速重建方法。

三維激光掃描技術(shù)；SkechUp；三維建模；TSE；特征提??；動態(tài)視頻制作

0　引言

三維激光掃描技術(shù)因其在測量中能將各種物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地測量并記錄到計(jì)算機(jī)中，且在記錄位置信息的同時記錄物體表面反射率，使重構(gòu)的三維實(shí)體更加生動，而經(jīng)常被用于逆向工程測量、建筑設(shè)計(jì)與仿真、建筑物三維建模與變形監(jiān)測、建筑復(fù)原和維護(hù)分析、景觀三維測量等與工程建設(shè)相關(guān)的眾多領(lǐng)域[1]。而其中的三維建模技術(shù)是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文以天寶TX8三維激光掃描儀為例，主要探討點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和三維建模的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一套行之有效的建筑物三維模型快速重建方法。

1　儀器簡介

天寶TX8三維激光掃描儀測距精度<2 mm，測角精度為16″，最大測程為120 m(可升級到340 m)，掃描速度為50萬點(diǎn)/s，可以結(jié)合隨機(jī)軟件RealWorks，第三方提供的SkechUp專業(yè)建模軟件，用于SkechUp的TSE(Trimble scan explorer)(2014年4月發(fā)布)擴(kuò)展插件，V-Ray for SkechUp渲染插件、Photoshop圖像處理軟件等，使用到三維建模中來。

2　技術(shù)路線

本文以某辦公樓和相對的宿舍樓為目標(biāo)，說明三維激光掃描技術(shù)結(jié)合SkechUp的TSE插件進(jìn)行建筑物三維模型重建的技術(shù)方案，包括外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括測站設(shè)置、儀器參數(shù)設(shè)置、點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接方法的選擇、標(biāo)靶的擺放等環(huán)節(jié)；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方面，因?yàn)橛辛薚SE擴(kuò)展插件的幫助，極大地縮短了建模時間，簡化了數(shù)據(jù)預(yù)處理的難度，提高了三維建模的效率。該插件包含一個簡單易用的邊緣提取工具，可以迅速提取構(gòu)造點(diǎn)和構(gòu)造線，用戶可以方便的把掃描數(shù)據(jù)中解讀到的重要信息應(yīng)用到建模過程中。結(jié)構(gòu)性邊線作為參考線被引入到SkechUp中，能夠快速形成結(jié)構(gòu)外殼，省去點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中繁瑣的數(shù)據(jù)縮減、數(shù)據(jù)分割及分類等工作，直接進(jìn)行模型的構(gòu)建。因此內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要有數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云濾波、特征提取、模型的構(gòu)建、紋理貼圖和模型渲染。

其技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1　基于三維激光掃描儀和SkechUp的建筑物三維建模技術(shù)流程Fig.1　Building 3D modeling process based on 3D laser scanner and SkechUp

3　三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1測站設(shè)置

依據(jù)制定的掃描技術(shù)方案，在充分考慮三維激光掃描儀作業(yè)半徑和測量效率的基礎(chǔ)上，科學(xué)的設(shè)置站點(diǎn)。在需要標(biāo)靶的情況下，要注意標(biāo)靶和測站間的距離是否滿足觀測要求，在標(biāo)靶上采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度是否能被隨機(jī)軟件識別。各站掃描結(jié)束后，在掃描儀液晶屏上瀏覽點(diǎn)云壓縮圖像，查閱各標(biāo)靶點(diǎn)是否清晰可見，對于模糊不清的標(biāo)靶，可以在液晶屏上框選掃描范圍，設(shè)置更高的掃描密度，以更高的分辨率重新掃描標(biāo)靶點(diǎn)。如不需要標(biāo)靶，則要保證兩站之間掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)重復(fù)率達(dá)到30%～40%以上，以方便隨機(jī)軟件進(jìn)行點(diǎn)云的自動拼接。

3.2儀器參數(shù)設(shè)置

測站安置好后，打開掃描儀電源，初始化結(jié)束后，對掃描儀進(jìn)行對中整平，然后在掃描儀液晶屏上進(jìn)行掃描參數(shù)設(shè)置，主要包括新建工程、掃描密度、掃描精度、掃描距離、溫度和氣壓參數(shù)等。其中掃描密度和掃描距離要依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況而定，掃描精度要與測量技術(shù)設(shè)計(jì)文件相符。

3.3標(biāo)靶的擺設(shè)

放置標(biāo)靶時應(yīng)注意：

1)標(biāo)靶能夠被良好識別，不要被物體遮擋；

2)從測站角度來看，標(biāo)靶不能在一條直線上，否則會影響點(diǎn)云拼接精度；

3)安放位置要確保穩(wěn)定；

4)標(biāo)靶之間最好有明顯的高差。

依據(jù)點(diǎn)云拼接的方法不同，所需標(biāo)靶的數(shù)量也不同，但每站必須保證有3個以上標(biāo)靶能夠被掃描儀清晰的識別，如果有條件，可以多配置些標(biāo)靶，多余的標(biāo)靶不僅可以用來檢核點(diǎn)云拼接精度，還可以為下一站的掃描工作節(jié)約時間，擴(kuò)大掃描范圍[2]。

4　三維激光掃描儀內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

采用標(biāo)靶拼接的方法使點(diǎn)云數(shù)據(jù)在隨機(jī)軟件RealWorks中自動配準(zhǔn)，首先在掃描兩站的公共區(qū)域放置3個或3個以上的球形標(biāo)靶，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，得到掃描區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測站掃描完成后再對放置于公共區(qū)域的標(biāo)靶進(jìn)行精確掃描，以防止數(shù)據(jù)預(yù)處理時出現(xiàn)標(biāo)靶無法識別導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法拼接的情況發(fā)生。依次完成各測站的掃描工作，直至覆蓋到整個測區(qū)為止。在外業(yè)掃描時，每一個標(biāo)靶對應(yīng)一個ID號，需要注意同一個標(biāo)靶在不同測站中的ID號必須要一致，才能完成拼接。野外數(shù)據(jù)采集完成后對各測站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動配準(zhǔn)結(jié)束后，RealWorks軟件可以自動彈出拼接窗口來查看拼接誤差精度等信息，實(shí)踐證明，該方法拼接精度較好，一般小于1 cm。建筑物拼接好的點(diǎn)云效果圖，如圖2所示。

圖2　拼接好的點(diǎn)云效果圖Fig.2　Stitching a good point cloud effect Chart

4.2點(diǎn)云濾波

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)一般由兩方面原因引起：

1)外界自然環(huán)境引起，如高于地面的植被和房屋、空氣中的灰塵或水蒸氣、測區(qū)范圍內(nèi)行駛的車輛或行走的人員等障礙物造成的遮擋。

2)由掃描儀自身的硬件設(shè)備引起，如激光接收器在接受反射光時發(fā)生折射或散射，掃描儀濾光鏡在旋轉(zhuǎn)時因吸附污垢而產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)，控制電路板在電路傳輸中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，微電腦、CCD相機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲、電噪聲等[3]。

對第一種原因產(chǎn)生的明顯遠(yuǎn)離點(diǎn)云中心的異常點(diǎn)和雜散點(diǎn)的處理方法是通過肉眼判別直接人工刪除。第二種原因產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)，肉眼無法將其與正確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速區(qū)分開，因此需要通過高斯濾波、中值濾波、均值濾波等方法進(jìn)行平滑處理。在這幾種處理方法中，高斯濾波因其能夠較好地保留特征點(diǎn)，處理整體效果較好而被優(yōu)先用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪。

本文主要利用隨機(jī)軟件RealWorks中基于地形和灰度的兩種濾波方式，采用人機(jī)交互的方式完成去噪工作。

4.3特征提取

利用TSE插件和拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采取人機(jī)交互的方式，可以方便的在各測站的點(diǎn)云壓縮圖像上提取特征點(diǎn)、線、面等輪廓信息，然后將這些特征信息準(zhǔn)確的相對位置關(guān)系傳輸?shù)絊kechUp中，再在SkechUp中進(jìn)行建模、貼圖、渲染等操作。大大提升了從龐大點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取建筑物特征信息的效率，也解決了因數(shù)據(jù)量大、電腦配置不足而導(dǎo)致建?；蜻\(yùn)行速度低下的問題。圖3為在TSE中提取的特征線，圖4為將特征線傳輸?shù)絊kechUp中。

圖3　利用TSE提取特征線　　　　　圖4　引入到SkechUp中的特征線　　　　　圖5　建筑物三維模型的構(gòu)建Fig.3　Using TES to extract characteristic lines　Fig.4　Feature lines introduced into SkechUp　　　Fig.5　Construction of building 3D model

4.4模型的構(gòu)建

本模型的構(gòu)建主要在SkechUp中完成，SkechUp軟件有著豐富的組件資源，能讓設(shè)計(jì)者更加直觀地進(jìn)行框架構(gòu)思，操作風(fēng)格簡潔、命令簡單易懂。根據(jù)傳輸?shù)絊kechUp中的輪廓特征信息，利用該軟件中的推拉、復(fù)制、路徑跟隨等命令和其強(qiáng)大的插件擴(kuò)展功能，對建筑物樓梯、門窗、墻體以及其它復(fù)雜的幾何體進(jìn)行1∶1三維建模工作。圖5為辦公樓和宿舍樓模型的構(gòu)建。

4.5紋理貼圖

紋理貼圖是還原真實(shí)三維模型的關(guān)鍵一步。經(jīng)過前面步驟得到的三維模型，已經(jīng)具有較好的幾何精確性，但是為了滿足可視化的需要，還原真實(shí)的三維景觀，還需要采用紋理貼圖技術(shù)對三維模型添加真實(shí)的色彩。紋理貼圖就是模擬景物表面紋理細(xì)節(jié)，用圖像來代替物體模型中的細(xì)節(jié)，提高模擬逼真度和系統(tǒng)顯示速度。三維模型的細(xì)節(jié)如果都用三維模型來表示，將大大增加模型的數(shù)據(jù)量以及復(fù)雜度，對于系統(tǒng)的運(yùn)行速度也有較大的影響。通過紋理貼圖的方法模擬出這些細(xì)節(jié)，既解決了細(xì)節(jié)模擬問題，還兼顧了系統(tǒng)對速度和模型對逼真度的要求。

紋理的獲取采用現(xiàn)場拍照的方式，并通過實(shí)地采集建筑物的外觀影像，以及利用Photoshop等圖像處理軟件，實(shí)現(xiàn)由普通照片到可用紋理圖片的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了建筑物三維模型的可視化。憑借著SkechUp豐富的3D模型組件資源，它對構(gòu)建的建筑物主體三維模型起到了很好的裝飾和點(diǎn)綴的作用，使模型更加生動、真實(shí)和美觀。圖6為進(jìn)行紋理貼圖后的辦公樓和宿舍樓三維模型。

圖6　紋理貼圖后的建筑物三維模型Fig.6　Building 3D model after texture mapping

4.6模型渲染

紋理貼圖完成后，為生成更加真實(shí)貼切的三維模型效果圖，可以對模型進(jìn)行渲染。本模型采用的是V-Ray for SkechUp渲染插件，該插件可以對SkechUp中的貼圖材質(zhì)進(jìn)行編輯，通過調(diào)節(jié)材質(zhì)的反射參數(shù)、貼圖屬性以及場景的物理相機(jī)、光源屬性、環(huán)境設(shè)置等參數(shù)，對所需的三維視角畫面進(jìn)行渲染并輸出。然后再利用Photoshop圖像處理軟件對所輸出的圖像進(jìn)行后期的加工處理，通過對圖像進(jìn)行色階、模糊、柔光、疊加等處理后，最終生成更加真實(shí)、照片級的三維模型效果圖。圖7為通過渲染后的辦公樓和宿舍樓三維模型效果圖。

圖7　渲染后的建筑物三維模型效果圖Fig.7　Effect chart of building 3D model after rendering

5　動態(tài)視頻制作

為了使三維模型更加生動應(yīng)進(jìn)行動態(tài)視頻的制作。

首先在SkechUp中保存多個場景頁面，每個場景頁面要充分考慮計(jì)算機(jī)的承受能力，不可過多。然后從菜單欄“模型信息”中設(shè)置場景延遲時間，在“導(dǎo)出動畫”中設(shè)置幀畫面尺寸、抗鋸齒、幀率等參數(shù)，本案例幀畫面尺寸設(shè)置為640*480，幀率為24，測試效果良好，畫面較流暢。參數(shù)設(shè)置完成后，再以AVI視頻格式輸出，但為了使視頻效果更加吸引人，還可利用Movie Maker軟件對視頻添加背景音樂和字幕，最后完成了整個動態(tài)視頻的制作。在視頻制作過程中，需注意以下兩點(diǎn)：

1)在創(chuàng)建動畫之前，最好先創(chuàng)建一個較小的預(yù)覽動畫以查看效果。把幀畫面尺寸設(shè)為最小，同時降低幀率，這樣畫面雖然沒有表現(xiàn)力，但能節(jié)約渲染時間，展示出動畫的效果，顯示出一些潛在的問題，如屏幕高寬比不佳，相機(jī)穿墻等。

2)從創(chuàng)造動畫到后期合成，需要花費(fèi)相當(dāng)多的時間，而且越到后期，進(jìn)行修改就越困難，因此，應(yīng)盡量合理有效地利用SkechUp的實(shí)時渲染功能，事先將各參數(shù)、細(xì)節(jié)調(diào)整好，特別是在頁面設(shè)置上，充分發(fā)揮SkechUp的陰影、剖面和建筑空間的漫游等方面的優(yōu)勢，以使表達(dá)效果更理想。

6　結(jié)論

本文分析了基于三維激光掃描儀和SkechUp進(jìn)行三維模型構(gòu)建的技術(shù)流程和方法，并實(shí)現(xiàn)了三維模型可視化。該方法通過TSE插件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與SkechUp建模軟件有效結(jié)合起來并實(shí)時互動，充分發(fā)揮了SkechUp的優(yōu)勢，提高了建模效率，降低了建模難度，克服了三維激光掃描儀隨機(jī)軟件建模的局限性。因受時間和客觀條件的限制，在以下幾個方面還需要不斷創(chuàng)新和完善：

1)本案例由于受到目標(biāo)建筑物所在環(huán)境的影響，掃描時不可避免會存在遮擋和死角，導(dǎo)致在采集建筑物三維數(shù)據(jù)時，有些細(xì)節(jié)信息沒有獲取到，如地下室窗戶、閣樓輪廓線及窗戶，這使得最后建立的三維模型不夠完整。

2)利用TSE插件提取輪廓特征信息在SkechUp中進(jìn)行三維模型構(gòu)建，該方法雖然快速方便，但由于人機(jī)交互提取的外輪廓線存在一定的缺陷，在精度要求非常高的情況下并不適用。

3)三維建模過程中，模型太多、數(shù)據(jù)量過大會引起整體三維顯示速度過慢。

[1]王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[2]馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[3]潘建剛.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：首都師范大學(xué)，2005.

Application of Building 3D Modeling Based on 3D Laser Scanner and SkechUp

WANG Rui1，CHEN Lian1，CHEN Chong-lin2

(1.Xinjiang Petroleum Engineering Design Co.，Ltd.，Kelamayi Xinjiang 834000,China； 2.Yunnan Institute of Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources,Kunming Yunnan 650218,China)

Combined with the application of Trimble TX8 3D laser scanner in 3D modeling of buildings，the paper describes the attention of the 3D laser scanner in the fieldwork data collection.And how to transfer the buildings contour feature information to SkechUp for modeling，texturing，rendering，dynamic video production is discussed.Finally,a fast reconstruction method for building 3D model based on 3D scanner and SkechUP is proposed.

3D laser scanning technology；SkechUp；3D modeling；TSE；feature extraction；dynamic video production.

2016-06-22

P 225.2； P 208

B

1007-9394(2016)03-0047-03

王瑞(1984～)，男，安徽壽縣人，學(xué)士，工程師，現(xiàn)主要從事油氣田工程測量方面的工作。