影像建模和激光掃描技術(shù)融合在溶洞建模的研究與實踐

，，，

(桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 研究背景

溶洞的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長期溶蝕的結(jié)果，中國是個多溶洞的國家，尤以廣西境內(nèi)的溶洞著稱，如桂林的七星巖、蘆笛巖等。且大多數(shù)溶洞內(nèi)外都存在珍貴的歷史文化石刻、雕像，具有較高的觀賞價值和科研價值，將溶洞進(jìn)行建模和測量對溶洞日后的管理、規(guī)劃、宣傳和保護(hù)都具有必要性。

近些年，隨著三維激光掃描技術(shù)迅速發(fā)展，該技術(shù)在三維模型重建領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。它能夠快速、非接觸地對物體進(jìn)行高密度、高精度的掃描并獲取物體的三維點云數(shù)據(jù)，國內(nèi)已初步有利用三維激光對溶洞進(jìn)行探測的研究[1-2]。而基于影像的建模技術(shù)是根據(jù)所拍攝的物體多視角影像，通過大量的影像匹配計算獲取被攝物體表面帶有空間信息和色彩信息的點云數(shù)據(jù)，重建成三維數(shù)字模型，是一種對物體進(jìn)行快速逆向高精度建模的技術(shù)[3-4]。在溶洞的建模和測量中，三維激光掃描技術(shù)雖然能夠快速獲取溶洞整體的點云數(shù)據(jù)，但由于激光點云精度的局限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到對于溶洞內(nèi)石刻和雕塑的掃描要求。本文將結(jié)合近期在桂林玄武巖溶洞所作試驗，研究影像建模和激光掃描2種三維模型重建技術(shù)在溶洞建模和測量中的融合應(yīng)用。

2 基于三維激光掃描的建模技術(shù)

2.1 三維激光掃描儀的工作原理

S

α

β

X

Y

X

Z

[5]

由此可得到激光腳點坐標(biāo)的計算公式，即

(1)

2.2 技術(shù)流程

用三維激光掃描技術(shù)對溶洞進(jìn)行掃描步驟包括現(xiàn)場勘察、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。圖2為用三維激光掃描技術(shù)掃描溶洞的技術(shù)流程。

圖2 三維激光掃描技術(shù)流程Fig.2 Technical flowchart of 3D laser scanning

2.3 現(xiàn)場勘察

三維激光掃描的速度較快且點云密度大，在溶洞中進(jìn)行掃描時在保證點云完整性的情況下應(yīng)注意盡量減少重復(fù)掃描范圍。整個掃描工作包括洞體內(nèi)部和洞口外部2部分，需要先進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，確定最佳掃描路線；考慮洞體深度、傾斜度、寬窄度、洞內(nèi)的工作環(huán)境以及測站之間控制標(biāo)靶(用來拼接每站掃描點云)的可見度，初步設(shè)置好測站數(shù)目和位置，確定每一站的掃描范圍和標(biāo)靶布設(shè)。

本文試驗?zāi)繕?biāo)玄武巖溶洞位于廣西桂林七星公園內(nèi)，東西貫通，全長80余米，寬2～14 m，高3～8 m。內(nèi)有石刻8處，雕像9處，共分7站掃描目標(biāo)溶洞。

2.4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在選定的測站上架設(shè)掃描儀，儀器采用Leica Scanstation C10三維激光掃描儀、3英寸控制標(biāo)靶及配套的處理軟件Cyclone 9.1。該儀器技術(shù)指標(biāo)為：掃描速度最大50 000點/s，測程0.1～300 m，視場角垂直270°、水平360°，距離精度可達(dá)±2 mm/(50 m)，對于高度20 m以內(nèi)的溶洞完全滿足整體建模要求。

為了保證溶洞點云數(shù)據(jù)的完整性，在溶洞內(nèi)外設(shè)置S1—S7共7個測站，相鄰測站間在共同的掃描范圍內(nèi)均勻布設(shè)3個及以上的控制標(biāo)靶，標(biāo)靶應(yīng)注意不設(shè)在同一直線上，通過控制標(biāo)靶基本上可以完成所有測站點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)與拼接。儀器整平后，作業(yè)人員應(yīng)避免挪動儀器，掃描過程由儀器內(nèi)置軟件進(jìn)行驅(qū)動，采用無線操控設(shè)備設(shè)置好參數(shù)后自動進(jìn)行掃描。

2.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描系統(tǒng)獲取的點云數(shù)據(jù)量大且無序，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即利用Cyclone軟件完成點云的配準(zhǔn)和拼接、去噪、采樣、封裝、紋理映射工作[6]。數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)是將數(shù)據(jù)采集時布設(shè)的控制標(biāo)靶，通過計算轉(zhuǎn)換參數(shù)將不同測站、不同視角下的點云數(shù)據(jù)以最小誤差統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，拼接成一個整體；數(shù)據(jù)的去噪是將點云中明顯的異常點和體外孤點直接刪除，如在景區(qū)的溶洞中由于人員走動、潮濕積水產(chǎn)生的噪點，對難區(qū)分的噪點采用曲率濾波法，根據(jù)溶洞點云數(shù)據(jù)曲率變化取舍；數(shù)據(jù)的采樣是基于點云的多邊形特點，在不影響點云精度情況下的數(shù)據(jù)優(yōu)化；數(shù)據(jù)的封裝是根據(jù)點云數(shù)據(jù)和物體形狀封裝成三角形網(wǎng)格,建立與溶洞相應(yīng)的實體模型；紋理映射是將掃描儀同步采集的影像顏色賦給模型， 獲得具有空間屬性(x/y/z坐標(biāo))和照片像素對應(yīng)的顏色屬性(紅/綠/藍(lán)，RGB值)的溶洞三維模型，完成對溶洞的模型化。圖3為采集的點云圖和封裝后的網(wǎng)格模型。

圖3 三維激光掃描的溶洞點云數(shù)據(jù)和三維網(wǎng)格模型Fig.3 Point cloud data and 3D model of Karst cave by 3D laser scanning

3 基于影像的建模技術(shù)

3.1 影像建模技術(shù)概述

基于影像的建模技術(shù)的依據(jù)是立體視覺原理，同一場景的若干幅圖像之間往往存在著一定的約束關(guān)系。極線幾何指出了在2幅或多幅圖像上對應(yīng)特征點之間存在的極線約束關(guān)系,這類約束關(guān)系可以通過相機定標(biāo)甚至僅僅通過一系列對應(yīng)特征點得到，使得特征點匹配只需在點的對應(yīng)極線上進(jìn)行，進(jìn)而可利用影像中對應(yīng)特征點重建出場景的三維結(jié)構(gòu)[7-8]。

歐特克公司于2016年5月發(fā)布了利用數(shù)字影像創(chuàng)建三維模型的軟件Remake。其主要功能是將一系列影像轉(zhuǎn)化為高分辨率的三維網(wǎng)格模型，且利用其提供的智能工具箱對模型進(jìn)行清理、修復(fù)和優(yōu)化。隨著該技術(shù)的日趨成熟和高分辨率數(shù)碼相機精度的不斷提高，使量測的精度日益提高，且與傳統(tǒng)的利用建模軟件或三維掃描儀得到立體模型的方法相比，基于該軟件進(jìn)行影像建模的方法成本低廉，真實感強，具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 技術(shù)流程

基于影像建模的技術(shù)流程包括實地勘察、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維重建，具體如圖4所示。

圖4 影像建模技術(shù)流程Fig.4 Technical flowchart of image-based modeling

3.3 數(shù)據(jù)采集

為保證重建模型的精度，采用專業(yè)級的尼康D800E數(shù)字單反相機，對試驗所選溶洞內(nèi)的雕像和石刻部分進(jìn)行多角度拍攝。影像的拍攝是后期實現(xiàn)三維數(shù)字化重建的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，每次拍攝的位置、光的條件、被攝物體表面的反射及相機傳感器的參數(shù)，直接影響采集到的影像質(zhì)量，因此在溶洞中拍攝需注意：①相鄰影像要保證有較大程度的重疊；②在溶洞中光線不足，必須通過人工持續(xù)光源對拍攝環(huán)境提高亮度，且光源必須是穩(wěn)定的漫射光，避免在表面產(chǎn)生光斑；③相機的光圈和快門參數(shù)應(yīng)保持恒定，拍攝時注意將被攝物體置于影像中心以減小透視畸變；④為防止拍攝時鏡頭抖動應(yīng)使用三腳架和快門線進(jìn)行拍攝。

圖5 帶紋理信息的三維模型Fig.5 Three-dimensional model with texture information

3.4 數(shù)據(jù)處理與三維重建

將外業(yè)拍攝的影像篩去對焦模糊的不合格影像，調(diào)整曝光不準(zhǔn)確的影像，將整理后的影像導(dǎo)入Autodesk Remake軟件，設(shè)置模型參數(shù)，進(jìn)行自動化影像匹配和影像處理。在本次試驗中，對溶洞其中的1處石刻從下往上依次進(jìn)行3組180°的拍攝，篩選后各有127張數(shù)字影像用于重構(gòu)建模。

由軟件導(dǎo)出的文件為帶有紋理的網(wǎng)格模型如圖5。將導(dǎo)出的模型通過軟件編輯模式進(jìn)行修整：先仔細(xì)檢查模型的完整度，記錄下缺漏或不清晰的位置進(jìn)行局部補充拍攝，若局部拍攝不能消除該缺陷，為保證模型的精確性，應(yīng)全部重新拍攝；再通過編輯工具去除目標(biāo)之外的其他物體，裁切出所需逆向的石刻或雕像部分；最后通過標(biāo)識點等比例縮放到實際尺寸后進(jìn)行保存。

4 融合匹配與誤差分析

在溶洞的建模和測量中，三維激光掃描技術(shù)雖能夠快速獲取溶洞整體的三維點云數(shù)據(jù)，但未能達(dá)到對于溶洞內(nèi)石刻和雕塑的掃描要求。對于精度要求較高，目前普遍采用光柵式結(jié)構(gòu)光三維掃描。基于影像的建模技術(shù)在試驗中與光柵式結(jié)構(gòu)光三維掃描進(jìn)行比較，試驗組中采用EaScan-Q結(jié)構(gòu)光三維掃描儀，其技術(shù)指標(biāo)為點距0.08～0.31 mm，精度為0.02～0.05 mm，遠(yuǎn)超出模型精度要求，在對比時作為真值。通過對2組模型同名點進(jìn)行采樣對比，由表1測量數(shù)據(jù)分析得到誤差均值為0.79 mm,點位的中誤差為0.47 mm，在單點及整體精度上都達(dá)到了較高的水準(zhǔn)，完全可以滿足溶洞內(nèi)石刻與雕像的數(shù)字化重建要求。但由于影像的建模技術(shù)相對激光掃描數(shù)據(jù)采集的速度較慢，對光照要求高，不適合溶洞內(nèi)大尺寸空間建模，因此本研究將影像建模和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行融合。

表1 2組模型精度對比Table 1 Comparison of model accuracy

在影像建模和三維激光各自的模型中，掃描點間的相對位置關(guān)系是正確的，而不同模型的相對位置關(guān)系則取決于他們是否處于同一個坐標(biāo)系下。坐標(biāo)匹配是在掃描區(qū)域中設(shè)置控制點或控制標(biāo)靶，從而使得將進(jìn)行拼接的模型上有3個以上的同名控制點或控制標(biāo)靶，通過控制點的強制符合,可以將模型統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系下。假設(shè)P點落在2個模型各自的空間坐標(biāo)系O-XYZ(基準(zhǔn)坐標(biāo)系)和o-xyz(轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系)分別為(X,Y,Z)和(x,y,z)，則需要進(jìn)行解算的參數(shù)有：旋轉(zhuǎn)矩陣9個方向余弦，3個平移參量，1個尺度因子共13個參數(shù)[9]。坐標(biāo)配準(zhǔn)中來自2個模型的同名點P滿足坐標(biāo)變換(R,m,T),公式為

(2)

式中:R為旋轉(zhuǎn)矩陣和正交矩陣；m為尺度參數(shù)；T為平移矩陣；(x0,y0,z0)為o-xyz坐標(biāo)原點相對于O-XYZ坐標(biāo)原點的平移。

由于R矩陣具有旋轉(zhuǎn)矩陣性質(zhì)，可列出條件方程6個，通過至少3個標(biāo)識點可以得到條件方程至少9個，利用間接平差法按最小二乘原理求得13個未知參數(shù)。

表2 接縫偏差統(tǒng)計Table 2 Statistics of joint deviation

由表2分析可知2組模型平均偏差為±0.75 mm，81.2%的偏差<1 mm，96.8%的偏差<1.5 mm，小偏差范圍分布面積大，說明模型的擬合精度高。同時在三維激光掃描遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足溶洞整體精度下，擬合精度高能夠使影像建模部分的模型精度控制在三維激光精度偏差的范圍內(nèi)，從而保證了溶洞模型的整體精度。

圖6 模型融合示意圖Fig.6 Model fusion

5 結(jié) 論

本文主要通過三維激光掃描儀對溶洞整體形狀進(jìn)行多站點云采集，影像建模技術(shù)對溶洞內(nèi)精細(xì)石刻與雕像進(jìn)行建模處理，研究將2種方法采集的溶洞模型通過標(biāo)識點進(jìn)行配準(zhǔn)和融合處理的方法。

實踐證明本文所提方法的可行性，滿足溶洞建模中不同精度的要求。通過將三維激光掃描技術(shù)和影像建模技術(shù)融合貫通，優(yōu)勢互補從而高效率獲取高精度的測繪數(shù)據(jù)，為溶洞測繪數(shù)據(jù)的采集方式和成果表現(xiàn)形式帶來了新的變革，在溶洞日后的管理、規(guī)劃和保護(hù)中具有一定的指導(dǎo)和應(yīng)用價值。而下一步應(yīng)該研究的是如何更有效率地對模型進(jìn)行優(yōu)化處理以及溶洞三維模型的有效利用。