采用激光掃描的古田會議會址三維幾何造型建模

黃明偉， 唐麗玉， 黃洪宇， 陳崇成

(1. 福州大學 地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 福建 福州 350002;2. 福州大學 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室， 福建 福州 350002)

采用激光掃描的古田會議會址三維幾何造型建模

黃明偉1,2， 唐麗玉1,2， 黃洪宇1,2， 陳崇成1,2

(1. 福州大學 地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 福建 福州 350002;2. 福州大學 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室， 福建 福州 350002)

將三維掃描的建模方式與傳統(tǒng)的幾何造型的建模方式相結(jié)合，提出基于激光掃描的三維幾何造型建模方案.重點解決地面激光掃描儀(TLS)獲取三維點云時站點布設(shè)與數(shù)據(jù)處理、幾何造型中點、線、面、體的提取與三維建模，以及紋理數(shù)據(jù)處理等問題，實現(xiàn)目標建筑的真實感三維建模.以福建省上杭縣古田會議會址為例，建立精細的三維模型.結(jié)果表明：該方案能夠?qū)崿F(xiàn)典型中式建筑風格的文化遺址數(shù)字化建模.

三維建模； 激光掃描； 地面激光雷達； 激光點云； 文化遺址； 古田會議會址

隨著虛擬現(xiàn)實與數(shù)字化技術(shù)的加速發(fā)展，文化遺址的真實感三維建模已經(jīng)成為計算機仿真的一個重要研究方向[1].按照建模手段的不同，文化遺址的數(shù)字化建?？梢苑譃榛趫D像的三維建模、基于傳統(tǒng)的幾何造型的三維建模、基于三維掃描設(shè)備的方法等3種類型[2-5].近年來，國內(nèi)外研究人員對文化遺址三維建模開展了大量的研究與應(yīng)用[6-14].然而，文化遺址數(shù)字化的研究與應(yīng)用常局限于3種建模方式中的一種，而中式建筑物復(fù)雜多樣，單一的建模方法不容易重建出高精度、真實感的三維模型.本文采用激光掃描建模方式對古田會議會址進行三維幾何造型建模.

圖1 基于激光掃描的三維幾何造型建模過程Fig.1 Pipeline of 3D geometric modeling based laser scanning

1 建模方案

利用地面激光雷達掃描系統(tǒng)獲取高精度的文化遺址點云數(shù)據(jù)，通過對點云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的有效處理，并利用幾何造型建模的方法實現(xiàn)真實感三維建模,其建模過程，如圖1所示.

建模過程示意圖主要分為以下3個部分.1) 數(shù)據(jù)獲取.涵蓋現(xiàn)場踏勘、掃描方案設(shè)計、測站布設(shè)與點云數(shù)據(jù)獲取，以及紋理數(shù)據(jù)獲取.2) 數(shù)據(jù)處理.涵蓋點云數(shù)據(jù)的拼接與去噪、建筑物空間幾何量測、平面幾何建模，此外，紋理數(shù)據(jù)處理過程包括涵蓋裁剪、扭曲與變形、拼接、調(diào)色、制作alpha通道等.3) 三維建模.根據(jù)以上獲取的墻體平面圖、零部件的幾何參數(shù)表，利用3D Max建模軟件完成古田會議會址白模的構(gòu)建，并處理紋理數(shù)據(jù)，構(gòu)建真實感三維模型.

2 基于地面激光雷達的三維幾何造型建模

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集內(nèi)容主要包括點云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù).使用VZ-400型地面激光掃描儀(奧地利Riegl公司)獲取三維點云，并用D300S型相機(日本Nikon公司)采集紋理.激光掃描作業(yè)情況，如圖2所示.在點云數(shù)據(jù)獲取方面，需選擇合適的站點位置，以最少的設(shè)站覆蓋整個掃描區(qū)域，保證點云數(shù)據(jù)完整、分辨率達到要求.在紋理數(shù)據(jù)獲取方面，對建筑物表面進行正面拍攝，并保證紋理數(shù)據(jù)內(nèi)容完整、光照一致.

圖2 激光掃描作業(yè)情況Fig.2 Working situation of laser scanning

1) 現(xiàn)場踏勘.根據(jù)古田會議會址的空間結(jié)構(gòu)特點，進行現(xiàn)場踏勘，設(shè)計激光掃描儀站點位置布設(shè)方案.了解現(xiàn)場及周邊的地形和地物分布情況，確定作業(yè)范圍，進而初步確定掃描站點的布設(shè)方案，同時，確定掃描儀的掃描分辨率及掃描方案.

2) 掃描方案設(shè)計.根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況與三維建模要求，制定相應(yīng)的掃描方案.古田會議會址整體建筑成對稱分布，所以要求站點的空間分布要有對稱性.經(jīng)踏勘，在整個測區(qū)預(yù)計布設(shè)45個測站.各相鄰測站點之間通視良好，要求一個測站點至少與兩個測站點通視.對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域應(yīng)加密測站，可根據(jù)實際情況采用0°，90°姿態(tài)掃描，以獲取更完整的掃描數(shù)據(jù).由于古田會議會址的場景較大，建筑空間復(fù)雜度多樣，采用0.04°，0.06°，0.08°等3種角分辨率進行掃描.

3) 測站點布設(shè).遵循測站間通視，站間適量重疊，點云數(shù)據(jù)完整，測站盡量少的原則，以最少的時間和勞力獲取完整的目標建筑點云數(shù)據(jù).經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和掃描方案設(shè)計，最終在整個測區(qū)布設(shè)42個測站點，獲得26 GB的點云數(shù)據(jù).測站點空間上整體呈左右對稱形式，避免出現(xiàn)掃描盲區(qū)及掃描冗余.

4) 紋理數(shù)據(jù)采集.紋理數(shù)據(jù)采集主要包括建筑物墻體表面紋理、窗體及門的紋理、廊道紋理、柱子圍欄紋理等.紋理數(shù)據(jù)采集，遵循紋理特征均一、曝光適宜、拍攝角度適宜、無光斑、無遮擋，紋理間亮度一致的原則，以獲取代表性目標紋理數(shù)據(jù).在采集紋理時注意選擇多云、光線溫和的天氣進行采集，避免陽光直射曝光過強.采集時間應(yīng)在10：00-15：00，此時采集的紋理清晰、顏色飽滿.

5) 數(shù)據(jù)采集記錄.由于激光掃描作業(yè)時數(shù)據(jù)不能即時進行處理、檢核，為了方便數(shù)據(jù)的后期處理，同時為數(shù)據(jù)檢核提供依據(jù)，需要做必要的數(shù)據(jù)采集記錄.尤其是在建筑物掃描以獲取點云的階段，需要對各個測站點的位置、掃描方案做詳細的記錄，記錄掃描時間、掃描參數(shù)、儀器狀態(tài)、周圍環(huán)境、是否存在現(xiàn)場干擾等，并備注掃描過程中出現(xiàn)的特殊情況.

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括點云數(shù)據(jù)處理和紋理數(shù)據(jù)處理,具體流程有以下4點.1) 利用Riscan Pro軟件，進行各站點云數(shù)據(jù)的配準，要求站點間的匹配精度達到0.005 m.2) 對點云數(shù)據(jù)進行刪減剔除，去除與對象無關(guān)的區(qū)域.3) 量測并記錄點云模型的空間幾何尺寸、墻體厚度、零部件尺寸，利用Auto CAD完成古田會議會址的墻體平面圖的繪制、零部件三視圖的繪制.4) 紋理數(shù)據(jù)，利用Photoshop進行裁剪、扭曲與變形、拼接、調(diào)色、去除非目標紋理內(nèi)容(如樹木、行人等)、制作alpha通道，生成紋理數(shù)據(jù).

1) 點云數(shù)據(jù)拼接與去噪.每個站點所得到的點云數(shù)據(jù)未配準前，均為測站坐標系的空間坐標.為獲得建筑完整的點云數(shù)據(jù)，需要將多個站點的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系下，因此,就需要對點云數(shù)據(jù)進行配準.采用公共重疊區(qū)域的點云配準，進行粗拼接和精拼接.粗拼接的精度控制在0.05 m以內(nèi)，精拼接的精度控制在0.005 m以內(nèi).在完成掃描站點數(shù)據(jù)間的匹配后，需要對噪聲點云進行手動剔除，提取目標建筑物的點云模型.完成拼接與去噪步驟的點云模型，如圖3所示.

2) 三維幾何量測及平面圖繪制.對點云模型進行古田會議會址的空間進行量測，得到建筑空間尺寸數(shù)據(jù)及墻體數(shù)據(jù)等建筑空間的尺寸數(shù)據(jù)，在Auto CAD中繪制待重建建筑的墻體中線平面圖及墻體邊線平面圖.三維幾何量測及繪制后獲得的古田會議會址平面圖，如圖4所示.建筑空間除主體部分(墻體)外，還包括一些門、窗、柱子等零部件，需要繪制部分零部件的三視圖，以便后期建模.如果把全部零部件的量測數(shù)據(jù)直接繪制在工程圖紙三視圖中，會導(dǎo)致工程圖紙復(fù)雜、混亂.因此，可以對非關(guān)鍵零部件的測量數(shù)據(jù)采用表格的方式進行記錄，以簡化三維建模過程.部分零部件量測數(shù)據(jù)記錄表，如表1所示.表1中：l為長;a為寬;h為高.

圖3 拼接與去噪后的點云模型 圖4 古田會議會址平面圖Fig.3 Point cloud model after stitching and de-noising Fig.4 Floor plan of Gutian Meeting Site

3) 紋理數(shù)據(jù).為了使建筑模型更加逼真，需要通過現(xiàn)場拍攝取得紋理原始圖像，并經(jīng)過后期處理得到紋理，將紋理通過軟件映射到三維實體上構(gòu)建照片級真實感三維模型.然而，由于紋理采集角度、遮擋、光線、色調(diào)等原因，不能將采集出來的圖像直接作為紋理賦予白模，需要用Photoshop處理，包括紋理圖像的裁剪、扭曲、變形、去雜點、拼接、顏色替換、平和色調(diào)、對稱等.紋理尺寸應(yīng)保證分辨率在28.346 px·cm-1以下，長、寬不宜過大，并以英文或拼音形式進行命名.

表1 部分零部件量測表Tab.1 Parts gage table

2.3 三維建模

利用點云數(shù)據(jù)獲得高精度的建筑平面圖、零部件幾何輪廓線和尺寸，以及高質(zhì)量的紋理貼圖，進行三維幾何造型建模.

1) 三維幾何建模.將平面圖與零部件的幾何樣條線，由Auto CAD軟件導(dǎo)入到3D Max軟件中，根據(jù)在古田會議會址點云模型的實際測量尺寸進行三維幾何建模.首先，對古田會議會址的平面圖，進行構(gòu)建整體外部輪廓模型.其次，根據(jù)各個零部件(如門、窗、桌椅等)的尺寸與相對位置，對其幾何輪廓線進行三維拉伸與變形，構(gòu)建三維零部件模型.三維幾何建模處理后的白模，如圖5所示.

2) 構(gòu)建真實感模型.在紋理貼圖過程中，根據(jù)各個部件的幾何形態(tài)特點進行設(shè)定貼圖參數(shù).若出現(xiàn)貼圖發(fā)生扭曲錯位，應(yīng)對應(yīng)添加UVW貼圖坐標，修改貼圖的重復(fù)值、紋理坐標與模型坐標的對應(yīng)關(guān)系，確保幾何模型與紋理數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)融合的匹配性.古田會議會址三維模型最終效果圖，如圖6所示.

圖5 古田會議會址白模 圖6 古田會議會址真實感模型 Fig.5 Untextured model of Gutian Meetiing Site Fig.6 Photorealistic model of Gutian Meetiing Site

3 模型質(zhì)量評價

3.1 模型精度評價

通過比較模型數(shù)據(jù)是否完整、模型制作是否符合精度要求、較精細的模型的整個輪廓結(jié)構(gòu)與建筑高度是否表達準確等方面進行模型精度評價，具體可以通過模型與點云數(shù)據(jù)的疊加進行檢查.此次應(yīng)用主要目的是文化遺址的三維展示與宣傳，不同細節(jié)層次的模型精度已經(jīng)達到以下2點要求.

1) 模型的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)精確地反映建筑物外輪廓的基本特征，其模型尺寸與實際物體相差不得超過0.1 m.

2) 模型的局部細節(jié)的尺寸應(yīng)按實際物體的輪廓特征進行三維建模，尺寸誤差不能超過0.05 m.

3.2 紋理評估

紋理評估是對模型紋理使用的正確性、清晰度，以及紋理與幾何模型對應(yīng)的一致性進行評價.結(jié)合整個場景效果對照野外采集的照片，觀察是否真實反映建筑物現(xiàn)狀和年代特征及不同的材質(zhì)特征，需要達到以下3點要求.1) 紋理與真實場景紋理應(yīng)保持一致，且無失真現(xiàn)象.2) 紋理拼接過渡自然、亮度保持一致、無紋理接縫問題.3) 紋理應(yīng)反映物體的真實材質(zhì)，如木材質(zhì)應(yīng)表現(xiàn)為啞光，且?guī)в心炯y的凹凸結(jié)構(gòu).古田會議會址局部與整體效果對比，分別如圖7,8所示.

(a) 局部場景圖片 (b) 三維建模效果圖圖7 古田會議會址局部場景效果對比Fig.7 Comparing effect of local scene of Gutian Meeting Site

(a) 真實場景圖片 (b) 三維建模效果圖圖8 古田會議會址整體效果對比Fig.8 Comparing effect of whole scene of Gutian Meetiing Site

4 結(jié)束語

以古田會議會址為研究對象，利用地面激光雷達三維測量系統(tǒng)獲取三維點云，開展文化遺產(chǎn)中近代中式建筑物的三維建模應(yīng)用研究.通過激光掃描與傳統(tǒng)的幾何造型建模相結(jié)合的方法，利用新型測量方法獲取數(shù)據(jù)精度高的特性和傳統(tǒng)的幾何造型建模方法的便利性，實現(xiàn)大場景的快速、高精度的真實感三維建模.目前，文中述及的技術(shù)流程已應(yīng)用于閩西客家文化和紅色雙重文化遺產(chǎn)數(shù)字化旅游信息服務(wù)系統(tǒng)中，成效顯著.現(xiàn)存問題主要是對高精度三維點云自動化建模與自動紋理映射未充分展開研究.今后將重點利用攝影測量知識，結(jié)合建筑點云的幾何拓撲特征，實現(xiàn)激光點云的交互式或全自動的三維建模，并進一步提升模型質(zhì)量，推進文化遺址高效、高精度地數(shù)字化發(fā)展.

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(責任編輯： 錢筠 英文審校： 吳逢鐵)

3D Geometric Modeling of Gutian Meeting Site Using Laser Scanning

HUANG Mingwei1,2, TANG Liyu1,2, HUANG Hongyu1,2, CHEN Chongcheng1,2

(1. National Engineering Research Centre of Geospatial Information Technology, Fuzhou University, Fuzhou 350002, China;2. Key Laboratory of Spatial Data Mining and Information Sharing of Ministry of Education,Fuzhou University, Fuzhou 350002, China)

Combined 3D scanning modeling method with the traditional geometric modeling method, we proposed a geometric modeling scheme based on 3D laser scanning. It solved the sites layout problem when terrestrial laser scanner obtained 3D point cloud, the data processing, the extraction for point, line, surface and body in geometric modeling, and the problem in texture data processing and so on, which realized 3D modeling for the target building. Taking Gutian Meeting Site in Shanghang County, Fujian Province as an example, we established a 3D highly precise model. The result showed that the modeling scheme could enabled the digital modeling for the cultural heritage with typical Chinese architectural features. Keywords：3D modeling; laser scanning; terrestrial laser radar; laser point cloud; cultural heritage; Gutian Meeting Site

10.11830/ISSN.1000-5013.201703023

2016-03-26

唐麗玉(1972-)，女，副研究員，博士，主要從事地學可視化與虛擬地理環(huán)境的研究.E-mail:tangly@fzu.edu.cn.

國家科技支撐計劃項目(2013BAH28F02)； 福建省科技重大支撐項目(2014H2005)

P 231.5； TU 242.5

A

1000-5013(2017)03-0414-05