基于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的大雁塔三維重建

藺小虎，姚頑強(qiáng)，馬潤(rùn)霞，馬 飛，張昆巍

(1. 西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710054； 2. 國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安 710054；3. 北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100107)

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基于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的大雁塔三維重建

藺小虎1，姚頑強(qiáng)1，馬潤(rùn)霞2，馬 飛1，張昆巍3

(1. 西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710054； 2. 國(guó)家測(cè)繪地理信息局大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理中心，陜西西安 710054；3. 北京則泰盛業(yè)科技發(fā)展有限公司，北京 100107)

古建筑三維重建已成為歷史遺跡保護(hù)與修復(fù)的重要內(nèi)容。為了探討三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取流程、數(shù)據(jù)處理方法，以三維激光掃描獲取的大雁塔海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例，研究了古建筑三維重建中點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理的詳細(xì)過(guò)程。聯(lián)合Cyclone、AutoCAD和3D-Max軟件的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建了大雁塔真實(shí)的橫面、剖面、立面模型，其中重點(diǎn)研究了海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)在Cyclone軟件中分塊建模的方法。結(jié)果表明：將拼接好的大雁塔海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊建模，不僅加快了數(shù)據(jù)處理的速度，而且符合精度要求。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)采用標(biāo)靶拼接和同名點(diǎn)拼接相結(jié)合及測(cè)站間兩兩拼接之后再整體擬合平差的方法，減少了拼接中的誤差，使每站拼接誤差都不超過(guò)3cm。在建模過(guò)程中的墻體擬合是上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云經(jīng)過(guò)平差計(jì)算得到，精度高達(dá)2mm。最后在3D-Max軟件中組合、渲染和貼圖，真實(shí)地構(gòu)建了大雁塔三維立體模型。為古建筑數(shù)字化存檔和后期的修繕工作提供了重要的依據(jù)。

大雁塔；三維重建；三維激光點(diǎn)云；海量數(shù)據(jù)；古建筑數(shù)字化

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，古建筑也越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視，同時(shí)，人們也認(rèn)識(shí)到了采取一定的措施來(lái)維護(hù)和修復(fù)古建筑的緊迫性與必要性，如何更好地應(yīng)用新技術(shù)在不損害文物的前提下獲取文物保存的現(xiàn)狀資料和讓人類(lèi)瑰寶長(zhǎng)期保存已成為全球性的課題[1-2]。大雁塔位于陜西省西安市大慈恩寺內(nèi)。唐永徽三年，玄奘為保存由天竺帶回長(zhǎng)安的經(jīng)卷佛像主持修建了大雁塔。經(jīng)過(guò)數(shù)次變更，最后固定為今天所看到的七層塔身，是現(xiàn)存最早、規(guī)模最大的唐代四方樓閣式磚塔，也是佛塔這種古印度佛寺的建筑形式隨佛教傳入中原地區(qū)，并融入華夏文化的典型物證，是凝聚了漢族勞動(dòng)人民智慧結(jié)晶的標(biāo)志性建筑。

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)“面測(cè)量”的方式，精確高效地獲取地物的三維信息，拓寬了人們對(duì)測(cè)繪的理解，為建筑物三維建模提供了一種革命性的新途徑[3-5]。隨著數(shù)字地球和數(shù)字城市的提出，數(shù)字化文物檔案也日益被推上日程[6-8]。M Levoy等利用激光掃描儀的三角原理和高分辨率的彩色圖像重建了Michelangelo的主要雕塑品，開(kāi)創(chuàng)了三維激光掃描技術(shù)用于古建筑和文物保護(hù)的先河[9]；EI-Halkim利用激光掃描儀和CCD相機(jī)實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)采集和配準(zhǔn)系統(tǒng)，并創(chuàng)建了一個(gè)室內(nèi)三維建模系統(tǒng)[10]。我國(guó)三維激光掃描技術(shù)起步較晚，但在一些領(lǐng)域也取得了很大的成就。1995年敦煌莫高窟“數(shù)字化虛擬洞窟”項(xiàng)目開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)文物數(shù)字化保護(hù)的先河[11]；此后，王田磊等根據(jù)獲取的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，探討了點(diǎn)云處理和建模的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了建筑物三維模型快速重建方法[12]；李必軍等人利用車(chē)載激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了建筑物特征提取研究，提出了一套基于建筑物幾何特征的信息挖掘方案，可以直接從激光掃描數(shù)據(jù)提取建筑物的輪廓信息[13]；范勁松等利用非接觸式光學(xué)三維掃描設(shè)備和HDR技術(shù)對(duì)陶瓷作品進(jìn)行了三維掃描和形態(tài)整合，得到了完整的陶瓷作品數(shù)字化模型[14]；隨后的數(shù)字化故宮、樂(lè)山大佛項(xiàng)目、兵馬俑2號(hào)坑等眾多高精度考古項(xiàng)目的成功實(shí)施，將三維激光掃描技術(shù)在文物保護(hù)和數(shù)字化測(cè)繪中的應(yīng)用推上了一個(gè)新臺(tái)階[15-18]。

本研究以徠卡ScanStation C10掃描儀獲取的大雁塔海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例，探討了三維激光掃描數(shù)據(jù)的獲取流程、數(shù)據(jù)處理方法。聯(lián)合Cyclone、AutoCAD和3D-Max平臺(tái)各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)大雁塔進(jìn)行了三維模型重建，并對(duì)不同平臺(tái)建模的精度和效果進(jìn)行了對(duì)比分析。文章的新意在于采用三維激光掃描技術(shù)在不接觸、無(wú)損害的前提下，快速高效地構(gòu)建了大雁塔真實(shí)的橫面、剖面、立面模型，為古建筑三維重建及后期的修復(fù)提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，開(kāi)創(chuàng)了大雁塔數(shù)字化存檔和科學(xué)化管理的新途徑。為古建筑漫游展示和數(shù)字化測(cè)繪提供了一定的參考，對(duì)加強(qiáng)古建筑保護(hù)及實(shí)現(xiàn)測(cè)繪成果的數(shù)字化存檔、科學(xué)化管理具有重要意義。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理

三維激光掃描測(cè)量一般需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)階段。流程圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)獲取與處理流程

1.1 數(shù)據(jù)獲取

經(jīng)過(guò)仔細(xì)踏勘與查閱相關(guān)資料：大雁塔由塔基、塔身、塔剎組成，塔的周?chē)谐仕姆叫蔚幕脚_(tái)，邊緣有護(hù)欄；塔身呈四方形，現(xiàn)通高為64.5m，塔基高4.2m，南北約48.7m，東西45.7m；塔基塔體呈方錐形，平面呈正方形，底邊長(zhǎng)為25.5m，塔剎高4.9m，如圖2所示。

圖2 大雁塔外觀(guān)

根據(jù)掃描的目的與精度要求， 結(jié)合大雁塔周?chē)沫h(huán)境， 考慮到徠卡ScanStationC10掃描儀獲取數(shù)據(jù)的功能， 擬采用全站儀導(dǎo)線(xiàn)方式對(duì)塔進(jìn)行多站掃描。掃描路線(xiàn)布設(shè)成閉合導(dǎo)線(xiàn)， 導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)分布在塔的四周， 離塔的距離分遠(yuǎn)、 近兩個(gè)檔次。近距離的導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)共8站， 離塔大約20m， 主要是獲取塔的中下部點(diǎn)云數(shù)據(jù)； 遠(yuǎn)距離的導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)共4站， 離塔80m左右， 主要是獲取塔的頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描儀架設(shè)在導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)上， 閉合導(dǎo)線(xiàn)的布設(shè)情況如圖3所示， 圖中紅色的三角表示測(cè)站的位置。

圖3 閉合導(dǎo)線(xiàn)布設(shè)方案設(shè)計(jì)

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于建筑物是由多站掃描得到，每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是基于儀器內(nèi)部獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，為了得到完整的掃描對(duì)象，外業(yè)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在導(dǎo)入軟件后，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，即把多站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到同一坐標(biāo)系中，形成一個(gè)整體。常用的拼接方法有：標(biāo)靶拼接、同名點(diǎn)拼接、視圖拼接、標(biāo)靶與同名點(diǎn)的混合拼接和已知控制點(diǎn)的拼接。在不出錯(cuò)的情況下上述方法中基于標(biāo)靶的拼接精度最高，主要是通過(guò)掃描標(biāo)靶擬合成標(biāo)靶球，然后取球心點(diǎn)坐標(biāo)作為標(biāo)靶點(diǎn)進(jìn)行拼接?；谕c(diǎn)的拼接精度受激光掃描點(diǎn)密度的影響，密度越大，精度越高。實(shí)驗(yàn)采用高分辨率(點(diǎn)位精度：6mm@50m)進(jìn)行掃描，選取同名點(diǎn)時(shí)，由于相鄰兩站掃描視角不同，難免存在誤差，所以盡量選擇相同區(qū)域的鄰近點(diǎn)，然后在Cyclone軟件中進(jìn)行擬合拼接。前者拼接精度達(dá)2～3mm，后者拼接精度為3cm左右。通常選取3個(gè)以上的標(biāo)靶點(diǎn)或同名點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。為了減少誤差的傳播，選用兩兩測(cè)站進(jìn)行拼接，然后再把拼接好的結(jié)果進(jìn)行拼接[19]。本研究采用標(biāo)靶和同名點(diǎn)的混合拼接，以其中的一次拼接為例，拼接誤差如表1所示，拼接前后的大雁塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4所示。

表1 標(biāo)靶與同名點(diǎn)拼接誤差

Table 1 Target and corresponding point splicing error (mm)

圖4 拼接前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

掃描過(guò)程中受到各種因素的影響，難免會(huì)在研究對(duì)象中參雜一些噪聲點(diǎn)。噪聲點(diǎn)的存在不僅會(huì)影響數(shù)據(jù)量和建模的速度，還會(huì)影響建模的精度。因此，數(shù)據(jù)處理中必須把這些噪聲點(diǎn)去除。去噪后點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果如圖5所示。

圖5 噪聲處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)效果圖

若將去噪后的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)出所占內(nèi)存就會(huì)比較大，在建模軟件中運(yùn)行速度很慢，甚至不能運(yùn)行。所以，要對(duì)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。依據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)量的大小，多次調(diào)整參數(shù)設(shè)置，選擇最合適的平均采樣間距進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量仍然比較大，整個(gè)拼接好的大雁塔點(diǎn)云工程大小為11.8GB，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量達(dá)3.35億。若直接進(jìn)行建模，Cyclone軟件容易崩潰，為了減少獨(dú)立處理部分的數(shù)據(jù)量，減少建模干擾，以便在建模軟件中能夠快速處理，將融合后的整體點(diǎn)云分割成塊，然后分別進(jìn)行建模。分割數(shù)據(jù)之前要先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。根據(jù)大雁塔的結(jié)構(gòu)共分割成8部分如圖6所示。

圖6 分割后的大雁塔點(diǎn)云模型

2 三維模型重建

聯(lián)合不同平臺(tái)各自的優(yōu)點(diǎn)，先在Cyclone軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和分塊建模，然后在A(yíng)utoCAD軟件中提取線(xiàn)劃模型，最后在3D-Max軟件中進(jìn)行渲染和紋理映射。真實(shí)地再現(xiàn)大雁塔形態(tài)和外觀(guān)，為古建筑數(shù)字化存檔提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 Cyclone建模

在保證各塊完整性和相鄰塊重疊度的基礎(chǔ)上，對(duì)大雁塔進(jìn)行分塊建模。相比于其他建模軟件，Cyclone軟件擁有一個(gè)三維模型組件庫(kù)，主要是利用分割技術(shù)，把建筑物分為不同的墻體，采用區(qū)域增長(zhǎng)法進(jìn)行面的擬合。建模是在Cyclone軟件的ModelSpace模塊下完成，主要有以下步驟：①建立坐標(biāo)系；②定義參考面；③繪圖；④圖形轉(zhuǎn)面；⑤摳出門(mén)洞部分；⑥延長(zhǎng)厚度。對(duì)于規(guī)則的幾何體，如塔身和管徑等，采用點(diǎn)云匹配算法進(jìn)行自動(dòng)擬合建模[20]，簡(jiǎn)捷快速，具有一定的優(yōu)勢(shì)；對(duì)于不規(guī)則的幾何體曲面，如塔檐和塔剎，則通過(guò)提取特征線(xiàn)生成特征面，然后擠壓或旋轉(zhuǎn)成不規(guī)則幾何體。圖7為分塊建模與合并后的大雁塔外部輪廓模型。

圖7 大雁塔分塊與合并后的三維立體模型

2.2 AutoCAD特征提取

通常是借助CloudWorx插件把點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD軟件中通過(guò)點(diǎn)云切片來(lái)提取建筑物的邊界點(diǎn)、特征線(xiàn)等信息，然后畫(huà)出建筑物的輪廓特征。提取線(xiàn)劃模型時(shí)按照從底部到頂部的順序，依次對(duì)塔身、門(mén)洞、塔檐和塔剎進(jìn)行特征提取，對(duì)稱(chēng)模型可以使用鏡像功能，以提高線(xiàn)劃模型提取效率。該軟件下可以繪制橫面、剖面、立面圖，用于建筑施工，精度較高，但是工作量大，所建模型只是一些簡(jiǎn)單的線(xiàn)劃圖，不能進(jìn)行紋理映射。大雁塔的主視圖和俯視圖如圖8所示。

圖8 大雁塔主視圖與俯視圖

2.3 3D-Max渲染與紋理映射

點(diǎn)云數(shù)據(jù)也可在3D-Max軟件中建模，有兩種方法，一種是通過(guò)插件CloudWorx將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D-Max軟件中進(jìn)行建模，與Cyclone軟件中建模相似；另一種是通過(guò)點(diǎn)云測(cè)量大雁塔不同部件的尺寸，然后通過(guò)一系列拉伸、擠壓、自由變形和布爾運(yùn)算等，繪出大雁塔的塔身、塔剎和門(mén)洞模型，最后將各部件模型組合成一個(gè)整體。紋理映射可以提高模型的真實(shí)感，對(duì)生成真實(shí)感圖像具有重要意義，對(duì)優(yōu)化后的模型做uvw展開(kāi)和uvw貼圖處理[21]。為了防止紋理映射導(dǎo)致的模型變形，照片需要經(jīng)PhotoShop進(jìn)行正射影像處理后才能作為材質(zhì)，在3D-Max軟件中進(jìn)行渲染和紋理映射。紋理映射完成后的大雁塔三維立體模型如圖9所示。

圖9 大雁塔三維立體模型

通過(guò)多平臺(tái)聯(lián)合建模得出：Cyclone軟件在建立一些規(guī)則模型時(shí)，自動(dòng)化程度較高，精度也能達(dá)到要求；AutoCAD軟件在建立高精度線(xiàn)劃模型時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，但是工作量較大；3D-Max軟件雖然建模精度不高，但是效率和工作量相對(duì)適中，模型渲染和紋理映射方面效果突出。因此，建模時(shí)可聯(lián)合不同平臺(tái)各自的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于精度要求不高的三維漫游展示可以在Cyclone、3D-Max軟件中建模，然后在3D-Max軟件中渲染和紋理映射；而對(duì)精度要求較高的文物保護(hù)存檔，在上述建模之后，采用AutoCAD繪制線(xiàn)劃模型和設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié) 論

本研究通過(guò)對(duì)三維激光掃描獲得的大雁塔海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，得出如下結(jié)論：

1) 聯(lián)合Cyclone和AutoCAD軟件各自的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建了大雁塔橫面、剖面、立面圖，并在3D-Max軟件中進(jìn)行了渲染和貼圖，真實(shí)的構(gòu)建了大雁塔三維立體模型。

2) 對(duì)比分析了不同建模軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，得出：掃描儀自帶的軟件Cyclone在建立一些規(guī)則墻體時(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)，但在建立不規(guī)則墻體時(shí)需要構(gòu)建三角網(wǎng)來(lái)逼近，誤差較大； AutoCAD軟件便于提取建筑物邊界點(diǎn)、特征線(xiàn)、繪制橫縱斷面圖等，但是不能進(jìn)行紋理的映射，而且工作量較大；3D-Max軟件操作比較復(fù)雜，但是所建模型尺寸精確，紋理映射后模型更逼真，可用于古建筑數(shù)字化存檔和三維漫游展示。

3) 對(duì)建模中存在的誤差進(jìn)行了分析：為了減少建模中的誤差，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)采用標(biāo)靶拼接和同名點(diǎn)拼接相結(jié)合的方法，使每站拼接誤差都不超過(guò)3cm。為了減少誤差傳播，站間兩兩拼接之后再拼接。在建模過(guò)程中的墻體擬合是上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)云經(jīng)過(guò)平差計(jì)算得到，精度高達(dá)2mm。

三維激光掃描技術(shù)在不接觸、無(wú)損害的前提下，快速高效的記錄古建筑的位置、幾何、顏色、紋理等信息，為古建筑三維重建提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域文物資源的共享、傳播及保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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(責(zé)任編輯 潘小倫)

Three dimensional reconstruction of the Great Wild Goose Pagoda based on massive point cloud data

LIN Xiao-hu1, YAO Wan-qiang1, MA Run-xia2, MA Fei1, ZHANG Kun-wei3

(1.CollegeofGeomatics,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China； 2.NationalSurveyServiceGeodeticSurveyDataProcessingCenter,Xi’an710054,China; 3.BeijingZetaishengyeIndustryScienceandTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Beijing100107,China)

3D reconstruction of ancient buildings has become an important aspect of the protection and restoration of historic sites. Three-dimensional laser scanning data of the Great Wild Goose Pagoda was taken as an example in order to study in detail the process of obtaining and processing point cloud data for the 3D reconstruction of ancient buildings. The advantages of Cyclone, AutoCAD and 3D-Max software to build a real horizontal, profile and vertical section model of the Great Wild Goose Pagoda were combined. The method of block modeling of massive point cloud data in Cyclone was briefly studied. This study showed that block modeling of spliced mass point cloud data for the Great Wild Goose Pagoda not only accelerated the speed of data processing, but also met accuracy requirements. The methods of target splicing and corresponding point joining together and the method of each stand splicing between the stations were combined, and then whole fitting adjustment to reduce the error was made. In the end, each station splicing error is no more than 3cm. In the process of modeling, the wall fitting is calculated, after adjustment of thousands of points, bringing the precision to 2mm.Finally, rendered and textured the model in the 3D-Max software was combined, and a 3D model of the Great Wild Goose Pagoda was constructed. This work provides an important reference for the repair and digital archiving of the ancient architecture.

Great Wild Goose Pagoda; 3D reconstruction; 3D laser scanning point cloud; Massive data; Digital ancient architecture

2016-06-17；

2016-11-20 作者簡(jiǎn)介：藺小虎(1989—)，男，2017年畢業(yè)于西安科技大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，碩士，主要從事三維GIS與三維激光掃描數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用方面的研究，E-mail: lxh201410523@163.com

1005-1538(2017)03-0067-06

K878

A