校園典型建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維建模方法

鄭仕雄+李佳

摘要摘要：隨著數(shù)字化測量的發(fā)展，三維激光掃描儀能夠快速地以多角度、高效、高精度方式獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)，可以用于校園典型建筑物的三維建模。以云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)的國立西南聯(lián)合大學(xué)紀(jì)念碑和國立昆明師范學(xué)院紀(jì)念柱為典型建筑物三維建模對(duì)象，首先采用徠卡P40三維激光掃描儀采集它的三維點(diǎn)云信息，然后利用Cyclone軟件對(duì)多站式點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、統(tǒng)一化和去燥，將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，對(duì)其進(jìn)行封裝、孔洞填充、平滑等相關(guān)處理，構(gòu)建其三維模型并對(duì)模型進(jìn)行紋理映射，最終完成校園典型建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建。該三維建模流程方法對(duì)校園典型建筑物的三維建模可取得較好的效果。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三維建模；Cyclone；Geomagic Studio

DOIDOI：10.11907/rjdk.161873

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2017）001013703

本文采用徠卡公司研制的新款三維激光掃描儀，型號(hào)為P40，對(duì)云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)的國立西南聯(lián)合大學(xué)紀(jì)念碑和國立昆明師范學(xué)院紀(jì)念柱進(jìn)行三維數(shù)據(jù)掃描，并結(jié)合Cyclone軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，然后結(jié)合Photoshop、Geomagic Studio完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模工作。

1點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維建模技術(shù)流程設(shè)計(jì)

文本方法中三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描設(shè)備采用徠卡公司研制的型號(hào)為Leica-P40的三維激光掃描儀。Leica-P40通過高速旋轉(zhuǎn)的高分辨率攝像機(jī)和不觸碰的掃描方式，可以很便捷地獲取到建筑物三維表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過后處理軟件Cyclone可以很方便地對(duì)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而且Cyclone還提供了豐富的文件轉(zhuǎn)換格式，可以很好地滿足不同用戶對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理需要。如通過Cyclone軟件將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Geomagic Studio、AutoCAD等多平臺(tái)下處理。

按照數(shù)據(jù)的采集與處理環(huán)境可將基于三維激光掃描儀的三維建模分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)工作主要采用硬件設(shè)備，包括掃描環(huán)境的勘測和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集；內(nèi)業(yè)工作主要采用軟件，對(duì)采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和建模等工作。從數(shù)據(jù)采集到三維建模流程包含的具體內(nèi)容如表1所示。

3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

從P40三維激光掃描儀中將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出，由于涉及多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，因而需首先進(jìn)行多站式點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接[4]，將多站式數(shù)據(jù)用Cyclone軟件打開，利用外業(yè)采集的標(biāo)靶信息，在Cyclone軟件register模塊中將4個(gè)站點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接使其統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下。由于掃描環(huán)境比較復(fù)雜，因而不可避免在掃描過程中會(huì)得到一些噪聲點(diǎn)，為了后續(xù)建模的方便處理，需要將這些噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除。因此，在Cyclone軟件中還需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去燥處理。

P40三維激光掃描儀得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式為.imp或者是.pts，此類格式能夠與Cyclone軟件兼容。但后期三維建模軟件Geomagic Studio中不支持.imp或.pts文件格式，因此需要在Cyclone軟件中將處理好的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出成后綴名為.txt、.xyz、.ptx 等Geomagic Studio支持的數(shù)據(jù)格式。本文通過Cyclone軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)出.txt格式，便于在Geomagic Studio軟件中處理。

3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模

對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，需要構(gòu)建其三維模型，在Geomagic Studio軟件中稱為封裝（wrap），即將散亂的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化組織，最為典型的是構(gòu)建它們的三角網(wǎng)。在數(shù)據(jù)采集階段掃描對(duì)象被樹葉或建筑物遮擋，導(dǎo)致在對(duì)象的某些地方上獲取不到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如果直接對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，會(huì)使構(gòu)建的三角網(wǎng)三維模型存在空洞，因此需要對(duì)存在的空洞進(jìn)行填充形成較為完整的表面模型[5]?？斩刺畛溆欣诤罄m(xù)操作中對(duì)整個(gè)面的構(gòu)建，如果沒有進(jìn)行空洞填充，可能會(huì)引起后期三維模型的不完整。如圖2所示，圖2 （a）為封裝前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；圖2 （b） 為封裝后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)的模型，在“石碑”下面存在著較多空洞；圖2 （c）為對(duì)模型進(jìn)行空洞修復(fù)后的三維模型。

圖2點(diǎn)云封裝與空洞填充 對(duì)三維模型進(jìn)行空洞填充后，還需要對(duì)該模型進(jìn)行平滑處理，因?yàn)槟Ｐ捅砻婵赡艽嬖隈薨櫭黠@的區(qū)域[6]，而這些區(qū)域與實(shí)際的對(duì)象形狀不匹配，通過平滑處理會(huì)使三角形網(wǎng)格或者是所選區(qū)域的表面更加光滑，并會(huì)使構(gòu)成其表面的三角形大小一致。如圖3所示為所選區(qū)域平滑前后的對(duì)比效果。

沒有紋理的三維模型稱作為裸模，不能從視覺上感受真實(shí)的實(shí)景三維效果，因此需要對(duì)已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型進(jìn)行紋理映射。紋理映射是將高清的實(shí)物圖片映射到已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型上。紋理映射需要用到外業(yè)采集的照片，將照片導(dǎo)入Photoshop進(jìn)行裁剪、摳圖等操作，以作紋理映射的素材。

紋理映射有兩種常見方法：①對(duì)三維模型和照片取相同的點(diǎn)，在對(duì)齊視圖下選擇定向和投影選項(xiàng)（對(duì)齊視圖選擇中要選擇四對(duì)點(diǎn)及以上才能成功）將紋理映射到模型中；②使用模型和圖片的映射框，將置于圖片下面的模型調(diào)節(jié)到適當(dāng)位置來進(jìn)行貼圖，這種方法在貼圖時(shí)應(yīng)從上往下進(jìn)行，不然可能會(huì)有多余的貼圖覆蓋或者是貼在其它區(qū)域。本文采用第二種方法進(jìn)行紋理映射，如圖4所示為紋理映射效果，圖4（a）為國立西南聯(lián)合大學(xué)紀(jì)念碑，圖4（b）為國立昆明師范學(xué)院紀(jì)念柱。

本文采用徠卡P40三維激光掃描儀對(duì)云南師范大學(xué)呈貢校區(qū)內(nèi)國立西南聯(lián)合大學(xué)紀(jì)念碑和國立昆明師范學(xué)院紀(jì)念柱進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop軟件對(duì)采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和三維模型構(gòu)建取得了較好效果，為校園典型建筑物的三維建模提供了一定的借鑒。

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