Trimble Realworks在點(diǎn)云數(shù)據(jù)真三維建模中的應(yīng)用

彭 磊，黃真輝，程 平，柴春鵬

(河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

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天寶測繪解決方案專欄

Trimble Realworks在點(diǎn)云數(shù)據(jù)真三維建模中的應(yīng)用

彭 磊，黃真輝，程 平，柴春鵬

(河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，其應(yīng)用取決于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模質(zhì)量。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Realworks，經(jīng)過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云降噪、模型創(chuàng)建、曲面構(gòu)建等處理，生成三維模型，并將三維模型與點(diǎn)云模型進(jìn)行比較。試驗(yàn)表明，采用Trimble Realworks軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維建模，大大提高了建模質(zhì)量。

Trimble Realworks；三維激光掃描技術(shù)；三維建模

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，它利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和RGB等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。目前，該技術(shù)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域已有了很多的嘗試、應(yīng)用和探索。

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用取決于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模的質(zhì)量。在三維建模中，常用的方法是利用幾何建模軟件通過人機(jī)交互方式獲得人為控制下的三維模型，如3ds Max、AutoCAD等，這些方法建模存在周期長、精度低、不支持空間操作等一系列問題，并且對(duì)于復(fù)雜的不規(guī)則的物體，這類軟件無法真實(shí)反映物體的形態(tài)。而Trimble Realworks軟件可輕松讀取掃描所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過自身強(qiáng)大的點(diǎn)云處理功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，創(chuàng)建出多邊形模型。使用該方法進(jìn)行三維建?？梢猿浞掷命c(diǎn)云數(shù)據(jù)，速度快、效果好，為三維建模提供了一種新的建模思路。本文將以筆者所在單位一座雕像為例，探討如何采用Trimble Realworks軟件合理有效地利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高建模的效率與質(zhì)量。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

通過非接觸測量的測量方法，三維激光掃描儀利用激光測距原理獲得真三維幾何結(jié)構(gòu)形狀的表面三維信息。三維激光掃描儀通電并打開開關(guān)后，首先掃描控制模塊工作，調(diào)節(jié)激光信號(hào)的射出角度，控制反射棱鏡勾速轉(zhuǎn)動(dòng)；然后距離測量模塊得到每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的激光傳播距離，再利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)在水平和垂直方向上的角度值，間接得出在空間分布的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

本文采用Trimble TX8三維激光掃描儀來獲取雕像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，并結(jié)合雕像周邊的環(huán)境，擬采用特征點(diǎn)數(shù)據(jù)拼接的方式對(duì)雕像進(jìn)行4站掃描。每站掃描完成后，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否完整，確保最后得到精確可靠的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是將不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后續(xù)處理一直到模型表面重建的各個(gè)環(huán)節(jié)都存在重要意義。常用的點(diǎn)云拼接方法有標(biāo)靶拼接、點(diǎn)云特征點(diǎn)拼接及控制點(diǎn)拼接3種。由于雕像周邊特征點(diǎn)較多，本文在Realworks軟件中采用基于目標(biāo)的匹配方法完成雕像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接。具體過程如下：

(1) 相鄰兩測站間選取3個(gè)公共特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，監(jiān)測迭代過程中的誤差大小與出現(xiàn)的比率圖。

(2) 查看數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后的誤差大小，以3 cm為誤差限值，超過限值則重新配準(zhǔn)，直至滿足精度要求為止。

(3) 按步驟(1)—(2)的要求依次完成剩余站之間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，最后將匹配好的點(diǎn)云約束在一起，完成所有站之間的拼接。拼接好的雕像點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 雕像點(diǎn)云數(shù)據(jù)

拼接好點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，刪除雕像之外多余的點(diǎn)云，保證點(diǎn)云的完整與真實(shí)性。

3 基于Trimble Realworks的真三維建模

Trimble Realworks的曲面建模原理是利用許多細(xì)小的空間三角形來逼近還原CAD實(shí)體模型，又稱為三角網(wǎng)模型。Trimble Realworks軟件建模的具體流程為：點(diǎn)云處理—封裝成三角網(wǎng)—三角網(wǎng)模型處理階段—輸出模型。

3.1 點(diǎn)階段的處理

在Trimble Realworks軟件中，點(diǎn)階段的處理工作主要包括點(diǎn)云著色、降噪及重采樣等。具體步驟如下：

(1) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Trimble Realworks軟件后，首先使用點(diǎn)著色處理，目的是突顯出噪點(diǎn)與現(xiàn)場真實(shí)的環(huán)境情況。

(2) 選擇多余的噪點(diǎn)區(qū)域，并進(jìn)行刪除。

(3) 點(diǎn)云采樣，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)則性的點(diǎn)云抽稀，確保數(shù)據(jù)處理的流暢性。

(4) 封裝數(shù)據(jù)，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)后即可進(jìn)行三角網(wǎng)封裝。

3.2 三角網(wǎng)模型階段的處理

該階段是建模過程中的關(guān)鍵步驟，它的效果直接決定了后面的模型效果。首先需要進(jìn)行填充工作，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一些漏洞地方進(jìn)行填充。填充功能用于在缺失數(shù)據(jù)的區(qū)域創(chuàng)建一個(gè)新的平面或曲面?？梢詧?zhí)行全部填充和部分填充，全部填充一般用于簡單結(jié)構(gòu)體，對(duì)于復(fù)雜物體一般采用部分填充。根據(jù)不同的填充要求選擇基于曲率、切線和平面的填充方式。

修補(bǔ)好孔洞后，需要進(jìn)行平滑處理，首先選擇模型表面褶皺明顯區(qū)域進(jìn)行平滑，可以通過改進(jìn)工具進(jìn)行修復(fù)；修復(fù)完成之后，對(duì)模型進(jìn)行最后的平滑工作，可以使用刪除凸起、平滑工具進(jìn)行最后的平滑工作。如圖2所示。

3.3 三角網(wǎng)模型的精度評(píng)價(jià)

模型重構(gòu)過程中，精度是衡量模型重構(gòu)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了模型與實(shí)際文物之間的差距大小。在Trimble Realworks軟件中，可將參考模型與測試模型的某些相對(duì)應(yīng)的特征作為特征對(duì)，對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行比較并生成精度分析報(bào)告。Trimble Realworks軟件的3D比較功能可以生成反映兩個(gè)模型間誤差的彩色3D模型， 同時(shí)還可以給出兩個(gè)模型之間的最大偏差、平均偏差及標(biāo)準(zhǔn)偏差。以雕像點(diǎn)云模型為參照，將三角網(wǎng)模型作為測試對(duì)象，兩者偏差比較結(jié)果如圖3所示。

圖2 改進(jìn)工具修復(fù)前后對(duì)比

圖3 點(diǎn)云模型與三角網(wǎng)模型的3D偏差分析

以上精度評(píng)價(jià)表明，基于Trimble Realworks和點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的雕像三維模型具有很高的精度，能夠精確反映出雕像的真實(shí)形狀。

4 結(jié) 語

如何有效利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)提高建模精度是近幾年來三維激光掃描技術(shù)的研究熱點(diǎn)。試驗(yàn)表明，用Trimble Realworks軟件可以有效地對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云降噪、多邊形處理、孔洞填充、模型光滑、生成三維模型等，大大提高了建模的效率和質(zhì)量，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維建模提供了一種參考方法。