傾斜影像的三維模型構(gòu)建與模型優(yōu)化

邱春霞，董乾坤，劉 明

(1. 西安科技大學測繪科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054； 2. 陜西國土測繪工程院，陜西 西安 710054)

傾斜影像的三維模型構(gòu)建與模型優(yōu)化

邱春霞1，董乾坤2，劉 明2

(1. 西安科技大學測繪科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054； 2. 陜西國土測繪工程院，陜西 西安 710054)

如何對三維模型構(gòu)建具體環(huán)節(jié)優(yōu)化，獲得更加逼真的三維模型，目前該方面的研究較少。本文采用PhotoScan軟件，在對研究區(qū)構(gòu)建三維模型關(guān)鍵步驟探討的基礎(chǔ)上，提出了紋理缺失、圖像扭曲、數(shù)據(jù)篩選，以及PhotoScan軟件參數(shù)設(shè)置及操作順序等方面的三維建模優(yōu)化技術(shù)。

傾斜影像；三維模型構(gòu)建；模型優(yōu)化；PhotoScan軟件；參數(shù)設(shè)置優(yōu)化

傾斜影像是同時從多個角度采集的影像數(shù)據(jù)，利用傾斜影像制作三維模型，不僅使高昂的三維建模成本大大降低，而且有效提升了三維建模的速度和效率。傾斜影像構(gòu)建的三維模型已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、公共安全、通信、軍事等眾多領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外學者取得了很多研究成果，但主要集中在紋理信息提取、影像匹配、建筑物特征提取等算法上。如何在三維模型建立過程中，對傾斜建模的具體環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，獲得更加逼真的三維模型是值得廣大同人關(guān)注的問題之一。

本文基于PhotoScan軟件，利用研究區(qū)傾斜影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過影像數(shù)據(jù)預(yù)處理，構(gòu)建三維模型；并通過三維模型構(gòu)建，針對紋理缺失、圖像扭曲、數(shù)據(jù)篩選，以及PhotoScan軟件參數(shù)設(shè)置及操作順序等方面進行研究，探討三維建模的優(yōu)化技術(shù)。

1 傾斜影像的三維模型構(gòu)建過程及關(guān)鍵技術(shù)

傾斜影像的三維模型構(gòu)建包括相機檢校、POS解算、空中三角測量、密集點云匹配、紋理模型生成、三維模型構(gòu)建等。PhotoScan軟件是俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的3D掃描軟件，利用PhotoScan軟件制作三維模型的技術(shù)過程如圖1所示。

圖1 PhotoScan軟件三維模型構(gòu)建過程

傾斜影像三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)主要有：傾斜影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、多視影像密集匹配、紋理映射和紋理遮擋監(jiān)測等。傾斜影像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對POS數(shù)據(jù)和航片影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。POS數(shù)據(jù)是定位定向數(shù)據(jù)(包含IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù))；航片影像數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括格式轉(zhuǎn)換、對比度調(diào)整、曝光調(diào)整、色彩曲線、白平衡編輯、降噪等?？罩腥菧y量是以航空像片上量測的像點坐標為依據(jù)，采用嚴密的數(shù)學模型，按最小二乘法原理，以少量地面控制點為平差條件，快速求解影像的定向及地面點加密。影像匹配即通過一定的匹配算法在兩幅或多幅影像之間識別同名點的過程。傾斜影像由于是多視影像，信息量非常豐富，可以在多個影像間獲得更多的影像匹配結(jié)果。紋理映射是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中像素的過程，其實質(zhì)是建立從屏幕空間到紋理空間及紋理空間到景物空間的兩個映射關(guān)系。城市建筑物密度高，各處建筑物參差不齊，且由于傾斜攝影自身特點造成影像側(cè)面紋理易產(chǎn)生遮擋。而且，紋理信息存在于傾斜影像中，有大量冗余信息。為了逼真重建三維地物模型，必須從影像中提取真實地物的紋理信息。解決這個問題可采用紋理遮擋探測、紋理提取兩個步驟來剔除錯誤紋理信息。

2 三維模型構(gòu)建中存在的問題

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為陜西省渭南市潼關(guān)縣某區(qū)域。研究區(qū)兩側(cè)為山，中間為平坦地區(qū)，區(qū)域內(nèi)地物主要有建筑物、道路、植被等。通過無人機傾斜攝影獲得研究區(qū)影像數(shù)據(jù)，基于PhotoScan軟件制作研究區(qū)三維模型。研究區(qū)航攝比例尺為1∶8000，相對航高200 m，航向重疊70%，旁向重疊40%，影像分辨率為0.034 m。

研究區(qū)三維模型制作步驟為：

(1) 對傾斜影像和垂直影像數(shù)據(jù)分別進行相機檢校與改正處理。

(2) 利用POS數(shù)據(jù)與地面控制點進行后處理解算，得到每張影像較精確的外方位元素。

(3) 利用影像數(shù)據(jù)與POS解算數(shù)據(jù)做空中三角測量，精確求得每張影像的外方位元素。

(4) 利用影像數(shù)據(jù)與空中三角測量加密成果，運用影像密集匹配技術(shù)，得到影像匹配點云數(shù)據(jù)。

(5) 利用深度密集點云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN模型。

(6) 自動生成紋理模型。

(7) 人工對所建模型進行優(yōu)化編輯處理。

2.2 未經(jīng)處理渲染的三維模型成果

如圖2—圖4所示，給出了研究區(qū)的模型成果，包括整體效果和局部特征。

圖2 研究區(qū)模型總體效果

圖3 研究區(qū)建筑物局部

圖4 研究區(qū)山地局部

從圖2—圖4可明顯看到，整個研究區(qū)的三維模型構(gòu)建成功，地形地貌在三維模型上效果明顯，基本可滿足要求。但在模型局部區(qū)域，尤其是建筑物區(qū)域存在較大問題。如建筑物發(fā)生扭曲變形，看不出立體效果；極個別小的區(qū)域存在紋理缺失和空洞現(xiàn)象，構(gòu)建的三維模型效果還有待提高。因此，有必要對所建三維模型效果作進一步的優(yōu)化。

3 三維模型的模型優(yōu)化方法

三維模型優(yōu)化主要包括：冗余數(shù)據(jù)篩選、關(guān)鍵步驟參數(shù)設(shè)置、紋理缺失及空洞問題的解決、模型拼接與操作順序、三維地物模型扭曲變形優(yōu)化等。

3.1 降低冗余的數(shù)據(jù)篩選方案

由于傾斜攝影像機為多鏡頭，采集的影像數(shù)據(jù)量龐大，存在數(shù)據(jù)冗余問題。為了高效、快速地構(gòu)建三維模型，必須對影像數(shù)據(jù)進行篩選，以減少數(shù)據(jù)冗余度。具體方法為：首先對研究區(qū)的POS數(shù)據(jù)進行編輯(POS數(shù)據(jù)編輯器)，保存并生成KML文件，然后將KML文件導(dǎo)入Google Earth中編輯屬性，更改圖標、顏色，并把航線和影像高度設(shè)置為“貼于地面”，根據(jù)所需區(qū)域上的影像情況，選擇合適的影像。圖5為導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)。在保證重疊度的前提下，圖6畫圈區(qū)域可選擇DSC50214.JPG、DSC50173.JPG、DSC50215.JPG、DSC50213.JPG和DSC50250.JPG等5張影像。

圖5 導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)

圖6 航線與影像設(shè)置

3.2 PhotoScan軟件關(guān)鍵步驟參數(shù)設(shè)置優(yōu)化

3.2.1 “生成網(wǎng)格”參數(shù)設(shè)置

生成網(wǎng)格時，有任意和高度場兩種方式構(gòu)建模型表面，如圖7、圖8所示。

(1) 任意表面類型可以構(gòu)建任何類型的對象。通常為封閉物體，如雕塑、建筑等。任意表面類型無法構(gòu)建任何假設(shè)的類型對象，內(nèi)存消耗太高。

(2) 高度場表面類型對建模的平面表面進行優(yōu)化，如地形或淺浮雕。一般的航空攝影采用該表面類型，所需內(nèi)存數(shù)量低，可以處理更大的數(shù)據(jù)集。

圖7 高度場類型表面

圖8 任意類型表面

從圖7、圖8可看出，在數(shù)據(jù)量不大、建筑物比較規(guī)則的情況下，兩種方法的差別之處僅在于處理速度。如果建筑物不規(guī)則且存在內(nèi)凹(上大下小)，采用任意類型效果更好，模型會更符合實際情況。

3.2.2 生成紋理參數(shù)設(shè)置

這一步需要輸入紋理數(shù)。由于不同的紋理數(shù)會對結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，因此有必要對其進行分析。具體情況見表1。

表1 紋理數(shù)分析情況統(tǒng)計

從表1統(tǒng)計的情況來看，紋理數(shù)的增加對模型的影響存在最優(yōu)情況。從1到6模型的效果逐漸增高，到7開始減小。以上圖片均為最大程度，否則模型缺失。再綜合考慮紋理數(shù)所耗費的時間，可得出三維建模時，選擇紋理數(shù)為6效果最好。

3.3 紋理缺失及空洞問題解決方法

圖9為青海省西寧火車站后的一座山，從圖9可看出在模型中紋理存在很大的缺失及空洞現(xiàn)象。通常采用外業(yè)補拍照片的方式來解決這一問題。補拍的照片與其他影像數(shù)據(jù)一起加載，按照建模流程重新構(gòu)建三維模型即可，如圖10所示。

圖9 紋理缺失及空洞

圖10 紋理缺失及空洞處理結(jié)果

3.4 模型拼接問題及操作順序?qū)Y(jié)果的影響

3.4.1 模型拼接問題

(1) 兩模型拼接前若不刪除拼接處的黑色，會出現(xiàn)如圖11所示的黑色漏洞區(qū)域，影響三維模型整體效果。拼接前的兩個模型數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖11 拼接后的模型

圖12 拼接前的兩個模型

(2) 如果基于相機對齊，兩個模型則無法拼接在一起，如圖13所示。

圖13 模型拼接結(jié)果

(3) 如果基于標記對齊，則解決了基于相機對齊方法中模型無法拼接的問題。但要求標記位置準確且分布較為均勻。否則，易出現(xiàn)地物扭曲變形的情況。如圖14所示。

圖14 模型拼接后的問題

3.4.2 操作順序?qū)Y(jié)果的影響

(1) 如果操作順序按照：先分別生成密集點云，然后對齊堆塊、合并堆塊密集點云，最后對合并的密集點云進一步生成網(wǎng)格、紋理，則會出現(xiàn)地物扭曲變形的情況。如圖15所示。

圖15 模型拼接后的問題

(2) 如果將(1)中的操作順序改為：先分別生成密集點云，然后對齊堆塊、生成網(wǎng)格，生成紋理后再合并相應(yīng)堆塊，則模型效果較好。如圖16所示。

圖16 合并后的模型

(3) 如果操作順序按照：先對齊照片、生成密集點云、生成網(wǎng)格，再對齊堆塊、合并堆塊，最后對合并后的堆塊生成紋理，則會出現(xiàn)嚴重的模型扭曲、紋理拉花等現(xiàn)象。如圖17所示。

圖17 最終生成的模型

(4) 如果操作順序改為：先對齊照片，優(yōu)化對齊方式，然后生成密集點云，對齊堆塊，合并堆塊(基于點)，生成網(wǎng)格、生成紋理，則模型效果也不是很好，地物還是有一定程度的變形。如圖18所示。

圖18 最終生成的模型

3.5 三維地物模型扭曲變形優(yōu)化方法

地物產(chǎn)生扭曲變形的原因一般有影像重疊度不夠、控制點分布不均勻、人為操作等因素，敘述如下：

(1) 對于影像重疊度不夠，可重新設(shè)計航線，包括航線寬度、曝光時間及重疊度等。

(2) 對于控制點分布不均勻，可按照測量規(guī)范對布設(shè)的控制點進行添加，使其均勻分布于測區(qū)。

(3) 對于人為操作問題，可選擇合適的操作流程，設(shè)置好關(guān)鍵步驟參數(shù)等。

基于以上3個原因，進行模型扭曲變形改正，結(jié)果如圖19所示，可明顯看到地物扭曲情況得到很大改善。

圖19 模型扭曲變形改正結(jié)果

3.6 最終成果展示

對蒲城精細化工片區(qū)構(gòu)建了三維模型，并對模型和空三加密成果進行了精度評定。由于研究區(qū)范圍較大，只能給出部分成果及局部特征。從圖20—圖23可看出，模型雖然局部有些瑕疵，但總體效果較好，建筑物紋理真實、結(jié)構(gòu)清晰、局部特征明顯。如可非常清晰地看到地面上的陡坎、建筑物上的標語等。但不足之處是建筑物圍墻局部有缺失，尤其是樹木存在較大問題，如紋理不真實、局部特征缺失等。這些問題主要是由于風的原因，導(dǎo)致無法獲取樹葉的紋理信息。局部樹干缺失是由于樹干太細及遮擋等原因。解決這些問題需要借助其他軟件進行處理。

圖20 模型整體效果

圖21 建筑物局部特征

圖22 建筑物局部特征

圖23 地形局部特征

3.7 模型精度評定

為檢測所建模型的精度，可對空三加密和模型兩部分作精度評定：

(1) 空三加密精度評定可采用軟件自動生成的精度報告獲得。研究區(qū)空三加密精度較高，最大重投影中誤差為0.119 788像素。

(2) 三維模型精度評估采用實地測量控制點坐標與模型上對應(yīng)控制點的模型坐標進行對比，并計算其中誤差的方法。

經(jīng)計算得到，模型平面中誤差為m平面=0.076 m，m高程=0.082 m。

4 結(jié) 語

本文利用PhotoScan軟件，基于傾斜影像對研究區(qū)進行了三維模型構(gòu)建，主要針對紋理缺失、圖像

扭曲、數(shù)據(jù)篩選、PhotoScan軟件參數(shù)設(shè)置及操作順序等三維模型建立過程中的具體問題，提出了三維建模的優(yōu)化技術(shù)，獲得了一定的研究成果，所獲成果對三維模型制作實踐具有一定的參考和借鑒價值。

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Using Tilt Images to Build 3D Model and Optimization Model

QIU Chunxia1，DONG Qiankun2，LIU Ming2

(1. College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Shaanxi Institute of Surveying and Mapping of Land, Xi’an 710054, China)

There is less study on obtaining more realistic 3D model how to optimize building concrete segment. By PhotoScan software, the paper puts forward some techniques of 3D model optimization based on discussing key steps of 3D model building in the studied area. For example texture missing, image distortion, data screening, parameters setting and operating sequence, etc.

tilt image; 3D model construction; model optimization; PhotoScan software; parameter optimization

邱春霞，董乾坤，劉明.傾斜影像的三維模型構(gòu)建與模型優(yōu)化[J].測繪通報，2017(5)：31-35.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0148.

2016-10-26；

2017-01-17

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0501707)

邱春霞(1969—)，女，碩士，副教授，主要從事攝影測量的教學與研究工作。E-mail:306044748@qq.com

P23

A

0494-0911(2017)05-0031-05