復(fù)雜三維建筑模型建模及虛擬顯示

趙競雄　朱文增

[摘要]詳細(xì)介紹如果對一個現(xiàn)有建筑模型進(jìn)行快速建模并進(jìn)行虛擬顯示的處理過程。首先使用徠卡三維激光掃描測量系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)有建筑模型的測量，然后使用徠卡Cyclone軟件實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)出處理，接下來使用CAD或Imageware軟件對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理得到相應(yīng)的模型，最后將模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中實現(xiàn)對模型的虛擬顯示。最后給出虛擬顯示的例子，并進(jìn)行簡單分析。

[關(guān)鍵詞]三維掃描技術(shù) 點云數(shù)據(jù) 建模 虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TP3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0310011－01

一、引言

近年來，計算機(jī)圖形學(xué)得到了迅速發(fā)展。隨著計算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，一些先進(jìn)技術(shù)相繼出現(xiàn)或在原有基礎(chǔ)上有了更大領(lǐng)域的延伸。虛擬現(xiàn)實、數(shù)字城市、數(shù)字博物館、逆向工程等新技術(shù)相繼出現(xiàn)并進(jìn)入實用階段。但這些技術(shù)都不可或缺的需要進(jìn)行三維幾何建模，而傳統(tǒng)的AutoCAD、3DMax、MAYA等建模工具已經(jīng)逐漸不能滿足人們對復(fù)雜模型的建模需要，由此三維激光掃描技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

不同于傳統(tǒng)的建模手段，三維激光掃描儀采用非接觸的測量方法，直接得到真實物體表面的采樣點，即點云數(shù)據(jù)，利用點云數(shù)據(jù)即可以重構(gòu)出任意復(fù)雜的實體模型。這種方法不受模型的復(fù)雜度影響，而且模型的重構(gòu)精度取決于模型表面數(shù)據(jù)采樣的密度，因此三維掃描及相關(guān)數(shù)據(jù)處理、建模技術(shù)近年來發(fā)展迅速。

隨著計算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)正朝向更高深的方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在軍事、醫(yī)學(xué)、海洋探測、博物館珍品展示、虛擬樣機(jī)制造、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

二、三維激光掃描技術(shù)

三維掃描技術(shù)能獲得物體表面點的三維坐標(biāo)信息，它屬于一種立體測量技術(shù)。與傳統(tǒng)測量技術(shù)如坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）相比，它能完成對復(fù)雜物體的測量，特點是非接觸、精度高、速度快，能大幅節(jié)約時間和成本，并且其測量數(shù)據(jù)通用性比較強(qiáng)。這些優(yōu)勢使三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)、虛擬現(xiàn)實、影視特技、工業(yè)生產(chǎn)、刑事偵查、三維傳真和雕塑制作等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

某些特殊場合，三維掃描儀還具有獨(dú)特的、不可替代的作用。比如測量比較柔軟的物體，用傳統(tǒng)的接觸測量方法，很可能在測量時使物體變形，從而使測量結(jié)果不精確；而許多非接觸式的三維掃描儀以激光為測量媒質(zhì)，不會引起物體表面的變形和損傷。

三、數(shù)據(jù)處理及建模

一般情況下使用三維掃描儀掃描的時候我們希望掃描精度越高越好，這樣采樣點更多更精確，可以更準(zhǔn)確地捕捉被掃描對象的細(xì)節(jié)，但是在建模以及存儲傳輸?shù)臅r候點云規(guī)模越大建模時間越長，數(shù)據(jù)量越大，越不利于存儲和傳輸，因此需要在不同的場合選用適當(dāng)精度的數(shù)據(jù)，這就需要對掃描得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的簡化。

對點云數(shù)據(jù)的簡化，雖然可以減少建立網(wǎng)格模型的計算量，但是為了保證重建后網(wǎng)格模型的精度對點云數(shù)據(jù)不宜進(jìn)行過度簡化。網(wǎng)格模型生成后，根據(jù)不同的需要還可以繼續(xù)對網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化。

對于得到的點云數(shù)據(jù)可以使用CAD或Imageware軟件進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的處理，利用數(shù)據(jù)點可以縫合成面，再對面進(jìn)行處理就可以得到整個實體模型。由于在三坐標(biāo)掃描過程中沒有記錄顏色信息，所以如果需要對模型進(jìn)行紋理或貼圖處理可以在3DMAX或MAYA中進(jìn)行模型的后續(xù)處理。

四、虛擬現(xiàn)實

采用基于Open Inventor實現(xiàn)的VRML虛擬技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了虛擬顯示系統(tǒng)，取得了不錯的效果。虛擬顯示系統(tǒng)使用TGS的Open Inventor組件開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為VC 6.0，可以實現(xiàn)模型的真實顯示，并可以通過方向鍵進(jìn)行漫游。圖1為天津市金湯橋的一個虛擬顯示。

五、結(jié)論

三維激光掃描技術(shù)為復(fù)雜對象的快速建模奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)處理使簡化后的模型可以滿足顯示的要求，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為復(fù)雜模型的展示提供了可能。因此使用本文介紹的方法可以快速的對現(xiàn)有的建筑進(jìn)行虛擬模型展示，從而加快數(shù)字城市建設(shè)。

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