無(wú)人機(jī)影像構(gòu)建文物三維模型研究

李國(guó)柱，喜文飛，李菁珊

（1.昆明市測(cè)繪研究院，云南 昆明 650051；2.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；3.云南冶金集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650224）

無(wú)人機(jī)影像構(gòu)建文物三維模型研究

李國(guó)柱1，喜文飛2，李菁珊3

（1.昆明市測(cè)繪研究院，云南 昆明 650051；2.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；3.云南冶金集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650224）

海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以很好構(gòu)建文物的三維建模，常規(guī)的建模周期時(shí)間長(zhǎng)，外業(yè)工作量大。利用無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)，依據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，通過(guò)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行定向、匹配、空三加密獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行三維模型構(gòu)建，結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行分析，新方法適合室外文物的三維建模，可達(dá)到較好的效果。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)；文物保護(hù)；無(wú)人機(jī)；數(shù)字?jǐn)z影；三維建模

文物是人類智慧的結(jié)晶。如何采用新技術(shù)在不損傷文物的前提下進(jìn)行保護(hù)，是很多學(xué)者研究的一個(gè)課題[1]。三維激光掃描技術(shù)具有快速獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)[2-5]，基于海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以精確快速重建文物完整的三維數(shù)字模型，這對(duì)文物保護(hù)、文物三維虛擬演示、文物修復(fù)等領(lǐng)域的研究具有重大意義[6-7]。由于地面三維激光掃描硬件和軟件設(shè)備比較貴重，專業(yè)性強(qiáng)，而且設(shè)站位置有限，不可避免地存在測(cè)繪死角，每次只能獲取文物的側(cè)面信息，要獲得完整的全部信息，手段十分復(fù)雜，因此，地面三維激光掃描技術(shù)無(wú)法廣泛應(yīng)用在文物保護(hù)中，而最新的無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)就可以彌補(bǔ)該方面的不足。

無(wú)人機(jī)是一個(gè)集多技術(shù)并依托于硬件的高科技產(chǎn)物，利用無(wú)人機(jī)可以全方位的對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行信息采集，在被測(cè)物周圍不同角度拍攝一組數(shù)字影像，可獲取目標(biāo)物體豐富的紋理信息，適合小范圍、低成本、低精度的測(cè)量任務(wù)[8]。王峰等人采用無(wú)人機(jī)和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維建模[9]，王鶴等人采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行滑坡三維重建[10]，柴子為等人利用無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行景觀DEM構(gòu)建[11]，羅寒等人采用影像和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行文物重建[12]，無(wú)人機(jī)技術(shù)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。筆者以云南師范大學(xué)校內(nèi)某處文物為例，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)，結(jié)合無(wú)人機(jī)影像處理軟件及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維構(gòu)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行三維模型構(gòu)建。

1 SIFT算法原理

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)可以對(duì)影像進(jìn)行模型重建，利用無(wú)人機(jī)獲取影像之后，采用特征點(diǎn)匹配算子進(jìn)行相片拼接，最后利用重建算法來(lái)重構(gòu)目標(biāo)物的空間三維信息。文中采用SIFT算子進(jìn)行影像匹配，首先敘述一下該算法原理。

SIFT算法是David G．Lowe提出的一種基于尺度空間的特征匹配算法，主要是利用高斯差分金字塔模型[13]。高斯金字塔的本質(zhì)上為信號(hào)的多尺度表示法，將同一信號(hào)或圖片多次的進(jìn)行高斯模糊，并且向下取樣，以產(chǎn)生不同尺度下的多組信號(hào)或圖片以進(jìn)行后續(xù)的處理。

Koenderink和Lindeberg在基于一系列合理的假設(shè)條件下，證明了高斯函數(shù)可能是實(shí)現(xiàn)圖像尺度變換的唯一尺度空間核，可以將一幅圖像的尺度空間定義為

式中：*代表x和y的卷積操作，（x，y）是像素點(diǎn)空間坐標(biāo)，s是像素點(diǎn)尺度坐標(biāo)，G（x，y，s）是尺度可變高斯核函數(shù)，定義為

David G．Lowe提出了使用高斯差分算子來(lái)建立圖像的高斯差分尺度空間。利用不同尺度的高斯差分核與圖像卷積，就可以得到不同尺度的高斯差分圖像D（x，y，s），所有的高斯差分圖像組成了圖像的高斯差分金字塔。

對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行相對(duì)定向之后，再根據(jù)SIFT算子的特征點(diǎn)匹配算法獲取大量特征點(diǎn)，然后根據(jù)特征點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)匹配。

2 實(shí)驗(yàn)案例

2.1 無(wú)人機(jī)獲取數(shù)據(jù)

文中以云南師范大學(xué)校園一處文物為例，采用無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)環(huán)繞飛行一周進(jìn)行拍照。

無(wú)人機(jī)：大疆無(wú)人機(jī)PHANTOM3；指標(biāo)為：起飛重量1 280 g，采用GPS/GLONASS雙模，像素1 240萬(wàn)，鏡頭FOV 94°20 mm，f/2.8。

運(yùn)行環(huán)境為：Win7系統(tǒng)，內(nèi)存4.00 GB，64位操作系統(tǒng)。編程軟件為C++，建模軟件為Geomagic軟件。

拼接軟件采用Pix 4D mapper軟件，該軟件是一款集全自動(dòng)、快速、專業(yè)、精度為一體的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和航空影像處理軟件，可以快速實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取。

這次實(shí)驗(yàn)構(gòu)建三維模型的主要思路設(shè)計(jì)如下：（1）利用無(wú)人機(jī)獲取原始影像數(shù)據(jù)，獲取過(guò)程中保持航向重疊度不能低于60%，獲取過(guò)程中要保持航高一致，外業(yè)采集數(shù)據(jù)光線要均勻；（2）獲取的影像數(shù)據(jù)要進(jìn)行質(zhì)量檢查，利用軟件檢查影像是否滿足建模的質(zhì)量需求，如果不滿足要進(jìn)行補(bǔ)飛；（3）采用SIFT算子進(jìn)行影像匹配；（4）根據(jù)空三加密的原則生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；（5）構(gòu)建空間三角網(wǎng)；（6）構(gòu)建三維模型。

其主要操作處理流程如圖1所示。

圖1 影像數(shù)據(jù)處理流程

依照上述操作流程，利用無(wú)人機(jī)獲取了文物的照片，原始照片如圖2所示，對(duì)照片進(jìn)行了配準(zhǔn)對(duì)齊、生成密集點(diǎn)云等一系列操作后，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3中所示，從圖3可以看出，產(chǎn)生了很多雜點(diǎn)，模型重建前必須要進(jìn)行點(diǎn)云去噪工作，去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖2 原始照片

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 去噪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 構(gòu)建空間三角網(wǎng)算法

算法思路：

第一步：離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，點(diǎn)云數(shù)據(jù)重心坐標(biāo)及密度的計(jì)算。

第二步：構(gòu)建第一條基邊。以任意一點(diǎn)為起點(diǎn)，設(shè)定距離閾值和搜索范圍，搜索最近點(diǎn)構(gòu)建基邊。搜索范圍的設(shè)置：根據(jù)點(diǎn)云密度，設(shè)置邊長(zhǎng)為d的正方體空間進(jìn)行搜索。構(gòu)建第一個(gè)三角形。

第三步：構(gòu)建完第一個(gè)三角形后，開始搜索“第三點(diǎn)”，“第三點(diǎn)”與最近的邊可以構(gòu)成新的三角形，計(jì)算前一個(gè)三角形與新三角形的法向量夾角，設(shè)定閾值為90°（閾值可以根據(jù)物體表面的復(fù)雜度及點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度來(lái)設(shè)定），如果小于90°，則符合要求，最后采用最大夾角法來(lái)選取最佳點(diǎn)，如果大于90°，則舍棄，繼續(xù)搜索。

基于以上思想，構(gòu)建的空間三角網(wǎng)如圖5所示，圖5為整個(gè)文物的三角網(wǎng)模型，從圖上可以看出，構(gòu)建的三角網(wǎng)可以很好的表現(xiàn)文物的細(xì)節(jié)部分，曲率變化比較明顯的地方顯示的也非常清晰。?

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)空間三角網(wǎng)

圖6 文物三維模型

利用構(gòu)建的空間三角網(wǎng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立拓?fù)潢P(guān)系，構(gòu)建的拓?fù)潢P(guān)系在Geomagic軟件里進(jìn)行三維模型構(gòu)建，構(gòu)建的模型如圖6所示。從該三維模型可以看出，模型非常逼真，可以滿足文物的精細(xì)建模。

3 結(jié)語(yǔ)

利用無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行三維建模，通過(guò)將影像轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合空間三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)手段，可以很好的構(gòu)建文物的三維模型，與常規(guī)的三維激光掃描構(gòu)建文物相比，該方法成本低、建模速度快，對(duì)室外文物可以全方位無(wú)死角地構(gòu)建三維模型，這對(duì)于建筑物快速構(gòu)建三維模型也有很好的借鑒意義。當(dāng)然，對(duì)于室內(nèi)的文物，無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)是不能滿足需要的。

[1]王昌翰，向澤君，劉潔．三維激光掃描技術(shù)在文物三維重建中的應(yīng)用研究[J]．城市勘測(cè)，2010（6）：67－70.

[2]張宏偉，賴百煉．三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用前景[J]．測(cè)繪通報(bào)，2012（S1）：320-322．

[3]尹玉廷．地面3維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)中的應(yīng)用研究[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2013，36（2）：91-93．

[4]田宗建．3維激光掃描技術(shù)在測(cè)量中的應(yīng)用[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2012，35（7）：124-125.

[5]白成軍，吳蔥．文物建筑測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的核心問(wèn)題研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2012（1）：36－38.

[6]吳玉涵，周明全．三維掃描技術(shù)在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2009，19（9）：173－176.

[7]喜文飛，李國(guó)柱.一種新的點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮質(zhì)量評(píng)定方法[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（3）：73-75.

[8]李隆方，張著豪，鄧曉麗，等．基于無(wú)人機(jī)影像的三維模型構(gòu)建技術(shù)[J]．測(cè)繪工程，2013，22（4）：85-89．

[9]王峰，宋楊，高志國(guó)，等.UAV航測(cè)和TLS技術(shù)在廣鋼遺址測(cè)繪建模中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2016（4）：72-74．

[10]王鶴，劉軍，王秋玲.利用無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行滑坡地形三維重建[J].測(cè)繪與空間地理信息，2015，38（12）：68-71.

[11]柴子為，康峻，王力，等.基于無(wú)人機(jī)影像的山地人工林景觀DEM構(gòu)建[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2015，30（3）：504-508.

[12]羅寒，王建強(qiáng)，張飛，等.兩種建模方法在古文物三維模型重建中的研究[J].工程勘察，2016，44（2）：41-44.

[13]LOWE D G．Distinctive image features from scale-invariant key points[J]．International Journal of Computer Vision，2004，60（2）：91－110．

3D modeling of the cultural relics with UAV photography

LI Guozhu1，XI Wenfei2，LI Jingshan3
（1.Kunming Institute of Surveying and Mapping，Kunming 650051，China；2.College of Tourism and Geographic Sciences，Yunnan Normal University，Kunming 650050，China；3.Yunnan Metallurgical Group Co.，Ltd.，Kunming 650224，China）

The 3D modeling of the cultural relics can be done with the massive data of point cloud.The traditional modeling of cultural relics was longer,and the technical difficulty was greater.With the UAV photography based on the principles of digital photogrammetry and those of computer vision,we obtained point cloud data by directing,matching,empty three encrypting the image data.Then the 3D modeling was constructed with those point cloud data.The experimental results show this method is suitable for the outdoor 3D modeling of cultural relics and can achieve a good effect.

point cloud data；cultural relic protection；unmanned aerial vehicle；digital photography；3D modeling

責(zé)任編輯：謝金春

P208

：A

：2096－3289（2017）02－0063－04

2016－10－20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41361042）；云南省教育廳研究基金資助項(xiàng)目（2016ZZX067）

李國(guó)柱（1973－），男，云南昆明人，正高級(jí)工程師，碩士，研究方向：測(cè)繪生產(chǎn)管理。