三維掃描技術(shù)在3ds Max建模中的應(yīng)用探究

陳艷雷，惠延波，馮蘭芳

（河南工業(yè)大學(xué) 先進制造研究所，鄭州 450001）

三維掃描技術(shù)在3ds Max建模中的應(yīng)用探究

陳艷雷，惠延波，馮蘭芳

（河南工業(yè)大學(xué) 先進制造研究所，鄭州 450001）

以某油田鍋爐房的整體三維數(shù)據(jù)掃描為例，介紹了三維掃描儀的應(yīng)用，及在建模前點云數(shù)據(jù)的獲取環(huán)節(jié)采用不同測量方式的比較；如何用FARO SCENE軟件對點云數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換，以及點云導(dǎo)入3ds Max軟件中的注意事項；以鍋爐房中的鍋爐主要設(shè)備的三維建模為例，說明了點云數(shù)據(jù)在3ds Max軟件建模中的重要存在，給建模帶來了哪些便利。最終得出一套行之有效的三維掃描應(yīng)用于3ds Max軟件建模的方法。

點云；數(shù)據(jù)處理；三維激光掃描；3ds Max軟件

0 引言

科技與社會的進步不斷推動著時代的發(fā)展，數(shù)字化建設(shè)越來越被提上日程。大型復(fù)雜的建筑物以及一些復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施的建模日趨難以進行，三維掃描技術(shù)的出現(xiàn)大大解決了傳統(tǒng)意義上測繪建模所遇到的困難。三維掃描技術(shù)可以將具體實物的整體信息數(shù)據(jù)包括顏色在內(nèi)轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號，這為物體的數(shù)字化建模指明了一條既方便又快捷的道路[1,2]。

掃描儀將掃描的數(shù)據(jù)以點的形式記錄下來,而且每一個點都有其特定的三維坐標。這一逆向工程中通過三維掃描儀獲得的密集數(shù)據(jù)點的集合稱為點云。通過掃描儀掃描出來的模型，直接用來建模或者模型渲染，非常的快速有效。新版的3ds Max（2014版或更高的版本）支持點云系統(tǒng)。掃描來的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以導(dǎo)入3ds Max中，然后便可參照點云數(shù)據(jù)在3ds Max操作界面中進行建模以及貼圖、運動仿真、3D動畫、虛擬現(xiàn)實等其他的一些后續(xù)操作。本文以鍋爐房的具體鍋爐設(shè)備建模為例，分析比較了不同測量方式的優(yōu)缺點，建模采用具有添加點云識別功能的新版3ds Max（本次選用2015版）進行建模，該種方法在建模效率及模型精度等方面有著明顯的優(yōu)勢。

1 三維掃描與數(shù)據(jù)處理

1.1 測量方式的對比與選取

數(shù)字化進程的加速使得三維測量系統(tǒng)也得到了豐富的發(fā)展，測量方法隨著不同的測量需求也越來越多。目前公認的三維測量方法有兩大類：一是接觸式測量，另一類就是非接觸式測量。

圖1 三維測量方法分類

接觸式測量使用的設(shè)備主要是三坐標測量機(CMM)或機械手臂式測量機[3]；非接觸式測量主要使用的設(shè)備有三種：一種是基于激光測距法技術(shù)的三維掃描儀；另一種是基于光柵編碼法技術(shù)的三維掃描儀；還有一種是基于數(shù)字攝影測量技術(shù)的影像掃描儀[4～6]。各掃描儀均有其適用的掃描場景及其獨特的優(yōu)越性，可以根據(jù)不同的測量需要來進行選擇。接觸式測量與非接觸式測量的優(yōu)缺點及其應(yīng)用如表1所示。

由于本次測量的對象是鍋爐房的鍋爐設(shè)備，目的是用3ds Max軟件建出三維效果圖，無需被測物的緊密公差，且需要快速獲取全局數(shù)據(jù)，場景模型有大有小,因此需要比較密集的點云數(shù)據(jù)。綜合考慮，本次掃描選用非接觸式測量儀器進行，本次掃描儀器選用美國FARO公司生產(chǎn)的FARO Laser Scanner Focus 3D X330激光掃描儀。

1.2 FARO Focus 3D X330三維掃描儀的工作原理

FARO Focus 3D X330激光掃描儀是一種高精密的測量設(shè)備，掃描所得到的三維點云圖像與實景別無二致。該掃描儀采用的的是相位偏移測量技術(shù)。其工作原理為：將由激光發(fā)射器發(fā)出的紅外線激光束打到高速旋轉(zhuǎn)的光學(xué)反光棱鏡的中心區(qū)域，該反光棱鏡可以使激光束在圍繞掃描環(huán)境垂直旋轉(zhuǎn)的方向上產(chǎn)生偏差，之后將周圍對象的散射光反射回掃描儀中由激光接受器接收，通過測量紅外線光波的相位偏移，即可精確判斷出儀器到目標物體的距離。通過借助特殊的調(diào)制技術(shù)提高了調(diào)制信號的信噪比，并通過角度編碼測量器技術(shù)暗處反光棱鏡的水平旋轉(zhuǎn)以及鏡像旋轉(zhuǎn)，再應(yīng)用儀器內(nèi)部算法計算出掃描范圍內(nèi)物體表面各點相對于掃描儀的X、Y、Z坐標和R、G、B信息，從而形成物體的三維點云數(shù)據(jù)。該掃描儀可進行水平360°和垂直300°的快速掃描，分辨率可以達到毫米級別。

表1 接觸式測量與非接觸式測量的比較

圖2 FARO Focus 3D X330三維掃描儀的結(jié)構(gòu)

1.3 三維數(shù)據(jù)的采集與處理

1.3.1 數(shù)據(jù)的采集

本次數(shù)據(jù)采集的對象是整個鍋爐房，故需對鍋爐房進行三維掃描?？紤]到一些負面因素對掃描質(zhì)量的影響，本次掃描任務(wù)選在天氣晴朗，溫度適宜，掃描時段為上午九時至下午四時進行，掃描站數(shù)由鍋爐房的整體大小與設(shè)備復(fù)雜程度及設(shè)備空間布局決定，本次整個鍋爐房共掃描二十二站，設(shè)定掃描分辨率為1/8，每個場景的掃描時間約為5～6分鐘。

為了能使在不同視點下掃描各站之間點云數(shù)據(jù)的坐標能夠轉(zhuǎn)換至同一坐標系之中，掃描之前需在鍋爐房場景中放置白球作為標靶球進行精準定位，每站掃描時需保證視場內(nèi)至少有三個不在同一條直線上的標靶球[7,8]。

圖3 不在同一直線上的四個標靶球

1.3.2 數(shù)據(jù)的處理

FARO Laser Scanner Focus 3D激光掃描儀掃描來的點云數(shù)據(jù)以fls格式的文檔進行存儲，該種格式的文件3ds Max軟件無法識別，還需經(jīng)過FARO SCENE軟件的處理。FARO SCENE軟件是一款專為FARO Laser Scanner Focus 3D和FARO Scanner Freestyle 3D而設(shè)計的三維存檔軟件。將掃描來的原始點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入FARO SCENE軟件中，然后用軟件中的預(yù)處理掃描功能對掃描來的多站數(shù)據(jù)進行拼接，該功能可以查找球體與棋盤板并使掃描來的點云變成彩色。處理完成以后，需要將掃描場景中的噪點刪除，根據(jù)后續(xù)3ds Max建模場景的需要，可以點擊軟件中的創(chuàng)建剪裁框命令將拼接來的點云數(shù)據(jù)進行剪裁，操作完成后，便可導(dǎo)出當前的數(shù)據(jù)文件，為后續(xù)3ds Max軟件的精確建模提供尺寸依據(jù)。

2 參考點云的3ds Max建模

2.1 點云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

將之前保存好的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max軟件中，便可以參照點云數(shù)據(jù)進行建模了。導(dǎo)入點云時需要特別注意，需將點云中地面所在的高度調(diào)整到零點位置，調(diào)整后坐標不要隨意更改，以利于后續(xù)場景中與其他模型的整合。即點云數(shù)據(jù)只需導(dǎo)入軟件中一次然后保存成max格式文件，最后再分配建模任務(wù)。由于點云數(shù)據(jù)的場景很大，實際建模的過程中是多人分工完成最終匯總到一塊的，并且每個人對自己的場景進行建模也是逐一模型進行的，可此時以對點云數(shù)據(jù)做顯示體積的處理，這樣就避免了多余點云的干擾，針對性強，提高了建模效率。另外根據(jù)不同的計算機圖形處理能力，可以在軟件中的細節(jié)設(shè)置級別中調(diào)節(jié)點云的稀疏，以此使計算機得運行能力與載入點云的3ds Max軟件良好匹配。

2.2 模型構(gòu)建

參照點云數(shù)據(jù)進行建模，即以點云作為模型的尺寸與位置來源，來達到建模的目的，所建的模型與點云的輪廓一般大小。點云數(shù)據(jù)在軟件中的應(yīng)用避免了單純使用3ds Max軟件建模前期大量繁瑣的準備工作以及后期的尺寸對比工作，而且由于點云的存在建模的過程中也可以節(jié)省大量的時間和精力。以鍋爐房中的具體某處鍋爐為例，鍋爐上的主要部件為電機、管線、配電柜、閥門、鍋爐、護欄及鍋爐支撐，建模時可參照點云的輪廓依據(jù)相關(guān)命令創(chuàng)建對象并使用拉伸、擠出、優(yōu)化、附加等命令并配以移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、對象捕捉等建出鍋爐房的某處鍋爐。

另外，由于整體的建模場景非常大，所有的模型整合到一起會占用較大的計算機運行內(nèi)存，而模型所占內(nèi)存主要是由模型所占多邊形的個數(shù)（此時暫不考慮模型貼圖的大?。Q定的，因此制作模型時在不影響模型外觀的情況下要盡可能使用較少的面數(shù)。

圖4 點云數(shù)據(jù)采集與處理的流程圖

圖5 鍋爐房某鍋爐主要設(shè)備三維模型

3 結(jié)束語

本文通過三維掃描技術(shù)與3ds Max軟件建模技術(shù)的結(jié)合探索出了一套參照點云數(shù)據(jù)進行建模的可行性方案，并通過對比得出鍋爐房建模在數(shù)據(jù)采集階段采用非接觸式測量的優(yōu)勢，三維掃描儀的介入減少了外業(yè)工作人員的勞動強度，參考點云進行建模省時、方便、效率高、模型精確，為后續(xù)的3D動畫制作以及虛擬現(xiàn)實的實現(xiàn)做出了充足的前期準備。

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The application research of threedimensionalscanningtechnology in 3ds Max modeling

CHEN Yan-lei, HUI Yan-bo, FENG Lan-fang

TB22

：A

：1009-0134(2017)05-0136-03

2017-03-12

國家科技支撐計劃項目（2012BAF12B13）

陳艷雷（1992 -），男，河南永城人，碩士研究生，研究方向為逆向工程和制造業(yè)自動化。