航空港外觀VI重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)

栗曉樞

摘 要： 針對基于三維虛擬技術(shù)的航空港外觀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲取的航空港外觀數(shù)據(jù)實(shí)施外觀系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所構(gòu)建航空港的外觀模型粗糙，提出新航空港外觀VI重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法?；赩I的激光準(zhǔn)直測量結(jié)構(gòu)及原理，獲取航空港外觀粗糙的動態(tài)形變結(jié)果，激光準(zhǔn)直光束標(biāo)定通過在固定靶板上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)刻度劃分獲取精確的航空港外觀動態(tài)形變結(jié)果；在此基礎(chǔ)上根據(jù)三維激光數(shù)據(jù)構(gòu)建航空港外觀的整體點(diǎn)云模型，根據(jù)點(diǎn)云模型生成三角網(wǎng)模型，融合點(diǎn)云模型和三角網(wǎng)模型，將航空港復(fù)雜位置處構(gòu)建為三角模型，結(jié)構(gòu)規(guī)則處構(gòu)建為點(diǎn)云模型，實(shí)現(xiàn)對航空港外觀實(shí)體模型的重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提設(shè)計(jì)方法對航空港外觀重建效果佳，實(shí)際應(yīng)用效果佳。

關(guān)鍵詞： 航空港外觀； VI； 重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 激光準(zhǔn)直； 動態(tài)形變； 實(shí)體模型

中圖分類號： TN248?34； TU248 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0122?04

Abstract： The design method of the airport appearance system based on the 3D virtual technology conduct the appearance system design by using the airport appearance data obtained by means of the virtual reality technology， resulting in the roughness of the constructed airport appearance model. Therefore， a novel design method of the VI reconstruction system is proposed for the airport appearance. The rough dynamic deformation result of the airport appearance is obtained based on the structure and principle of the laser collimation measurement of the VI. During the collimation beam calibration of the laser， the standard scale division is implemented on the fixed target plate to obtain the accurate dynamic deformation result of the airport appearance. On this basis， the overall point cloud model of the airport appearance is built according to the 3D laser data. The triangular mesh model is generated according to the point cloud model. The point cloud model and triangular mesh model are fused. The complex positions of the airport are built into triangle models， and the positions with regular structures are built into point cloud models， so as to realize the physical model reconstruction of the airport appearance. The experimental results show that the proposed design method has a good airport appearance reconstruction effect and actual application effect.

Keywords： airport appearance； VI； reconstruction system design； laser collimation； dynamic deformation； physical model

現(xiàn)代航空運(yùn)輸事業(yè)迅速發(fā)展，世界交通開始進(jìn)入航空時代，航空港作為新型的特殊交通類型，在外觀設(shè)計(jì)和地理區(qū)位定位上，逐漸成為城市發(fā)展的重要標(biāo)志。如何較好地對航空港外觀進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，對龐大的建筑體量和占地規(guī)模進(jìn)行規(guī)劃[1]，構(gòu)建出一個環(huán)境舒適、外觀優(yōu)美的乘機(jī)環(huán)境，是當(dāng)前的重要研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)基于三維虛擬技術(shù)設(shè)計(jì)航空港外觀系統(tǒng)方法，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)獲取的航空港外觀數(shù)據(jù)實(shí)施外觀系統(tǒng)重建，構(gòu)建出航空港外觀系統(tǒng)較粗糙。視覺識別系統(tǒng)（VI）是目前進(jìn)行建筑外觀設(shè)計(jì)的有效手段，本文將VI技術(shù)應(yīng)用到航空港外觀的重建中，提出新航空港外觀VI重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，提升航空港外觀系統(tǒng)重建質(zhì)量。

1 航空港外觀VI重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

1.1 基于VI的激光準(zhǔn)直測量結(jié)構(gòu)及原理

虛擬儀器技術(shù)（VI）可將面陣CCD圖像處理器與NIPCI?1408圖像采集卡進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)對航空港建筑形變的有效測量[2]。該測量裝置除包括上述兩個裝置外，還包括固定靶板、自動鉛錘儀和激光指示器等。該設(shè)備進(jìn)行激光準(zhǔn)直測量結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

將準(zhǔn)直激光發(fā)射器安裝于航空港建筑外部，對激光發(fā)射光斑進(jìn)行精確校準(zhǔn)。并將該光斑投置在固定靶板，獲取光斑投射在固定靶板上的圖像[3]，利用CCD圖像傳感器，經(jīng)由PCI?1408圖像采集卡進(jìn)行視頻輸出的結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)。在虛擬儀器程序的處理后獲取固定靶板上光斑的準(zhǔn)確位置并記作[（x1，y1）]。當(dāng)測量航空港外形發(fā)生變化時，激光束位置也產(chǎn)生變動，但光斑形態(tài)保持為垂直狀態(tài)[4]。標(biāo)記光斑位置[（xi，yi）]，可通過觀察光斑位置變化情況粗略獲取航空港外觀的動態(tài)形變結(jié)果，并將結(jié)果進(jìn)行保存。

1.2 激光準(zhǔn)直光束標(biāo)定

為獲取更加精確的航空港外觀的動態(tài)形變結(jié)果，在進(jìn)行激光準(zhǔn)直測量時應(yīng)對激光準(zhǔn)直光束進(jìn)行標(biāo)定[5]。標(biāo)定過程需在固定靶板上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)刻度劃分，測量標(biāo)定步驟有以下幾點(diǎn)：

1） 依照對航空港建筑的形變測量結(jié)果有效對靶板和面陣CCD圖像傳感器的位置實(shí)施有效固定；

2） 在進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的同時對固定靶板格網(wǎng)分劃線數(shù)據(jù)實(shí)施填寫；

3） 通過對CCD圖像傳感器的位置調(diào)整[6]，得到固定靶板的清晰圖像；

4） 采用計(jì)算機(jī)對格網(wǎng)分劃線圖像進(jìn)行多次測量取其平均值；

5） 系統(tǒng)自動顯示計(jì)算機(jī)測量結(jié)果。

基于上文獲取的航空港外觀的形變信息和激光準(zhǔn)直光束標(biāo)定的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上對航空港外觀進(jìn)行系統(tǒng)重建，實(shí)現(xiàn)對航空港外觀VI重建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 航空港外觀的VI系統(tǒng)重建

2.1 點(diǎn)云模型構(gòu)建

1） 控制測量

為提升對航空港外觀的重建精度，首先應(yīng)獲取航空港外觀精確的三維數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測量過程應(yīng)遵從由整體至局部，先控制后細(xì)節(jié)的測量原則[7]。控制測量將整個航空港放于一個測量控制網(wǎng)中，并將之后的航空港數(shù)據(jù)并入其中構(gòu)成完整的航空建筑模型。

2） 三維激光數(shù)據(jù)采集

對航空港外觀的掃描采用三維激光掃描儀，獲取來自不同視角的航空港三維點(diǎn)云模型。為提升對航空港外觀的VI系統(tǒng)重建精度，在構(gòu)成三維點(diǎn)云模型前需對獲取的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，剔除不必要的激光數(shù)據(jù)，獲取精確的三維激光數(shù)據(jù)。

3） 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

將獲取不同視角的數(shù)據(jù)基于測量控制網(wǎng)實(shí)施有效配準(zhǔn)，得到航空港外觀的全方位立體點(diǎn)云圖。通常進(jìn)行三維激光數(shù)據(jù)配準(zhǔn)采用特征配準(zhǔn)方法，尤其是針對控制點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，通常完成一個建筑的外觀三維數(shù)據(jù)配準(zhǔn)需要多種配準(zhǔn)方法，有時還需對一些配準(zhǔn)手段進(jìn)行針對性的改動。

2.2 三角網(wǎng)模型構(gòu)建

1） 三角網(wǎng)模型構(gòu)建

由三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云模型是由空間中分散的小點(diǎn)構(gòu)成。這些分離的激光點(diǎn)并沒有完全構(gòu)成一個完整的實(shí)物表面。為獲取航空港具有拓?fù)潢P(guān)系的外表面，可采用一些算法對該拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行修復(fù)，構(gòu)建航空港外觀的三角網(wǎng)模型屬于較簡單方便的拓?fù)潢P(guān)系修復(fù)手段。

2） 簡化三角網(wǎng)模型

由于航空港建筑龐大，三維激光掃描獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大，在進(jìn)行三角網(wǎng)建模時，極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗雜造成的數(shù)據(jù)干擾現(xiàn)象。通常一個平面中包含兩個三角網(wǎng)，但過多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會生成多個三角網(wǎng)[8]，因此就產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)冗余。所以在構(gòu)建完三角網(wǎng)模型后還需對其進(jìn)行數(shù)據(jù)簡化。

3） 三角網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)補(bǔ)充

在三維激光掃描儀獲取航空港建筑外觀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，由于在掃描過程會受到掃描距離以及其他建筑的遮擋，獲取的航空港外觀點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能存在缺漏，因此數(shù)據(jù)缺漏處便無法進(jìn)行三角網(wǎng)模型構(gòu)建，需要依照建筑外觀特征將缺漏的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充[9]，最終構(gòu)成完整的航空港建筑外觀的三角網(wǎng)模型。

2.3 航空港建筑實(shí)體模型構(gòu)建

在構(gòu)建航空港建筑外觀模型時將點(diǎn)云模型和三角網(wǎng)模型進(jìn)行有效融合，將兩個模型的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，在建筑復(fù)雜位置處構(gòu)建三角模型，結(jié)構(gòu)簡單較為規(guī)則的位置構(gòu)建點(diǎn)云模型。以下為構(gòu)建航空港建筑實(shí)體模型的具體過程：

1） 對建筑的構(gòu)建進(jìn)行實(shí)體模型構(gòu)建

航空港建外觀復(fù)雜，整體對航空港外觀構(gòu)件進(jìn)行識別和全部建模目前難度較大。因此在建模前需將航空港外觀中的構(gòu)件進(jìn)行拆分，將整體構(gòu)件拆分成一些具有規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀的構(gòu)件，針對外形標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件可采用線性回歸或分段擬合的方式進(jìn)行建模；對于外形不規(guī)則構(gòu)件的建模過程較復(fù)雜，進(jìn)行建模主要提取曲面特征點(diǎn)和特征線段[10]，再經(jīng)一系列的旋轉(zhuǎn)、放樣操作來對構(gòu)件實(shí)施建模。若構(gòu)件外形非常復(fù)雜或需要完全保留現(xiàn)狀可進(jìn)行三角模型建模，因?yàn)檫M(jìn)行三角模型在建模過程模型損失較小，可更加有效地復(fù)原建筑的原型。

2） 航空港建筑構(gòu)件組裝

將上述過程獲取的構(gòu)件實(shí)體模型放置于同一文件，因?yàn)槭虑耙堰M(jìn)行過整體測量控制，因此該構(gòu)件都有專門的坐標(biāo)系，將該建筑構(gòu)件依照順序進(jìn)行組裝即可構(gòu)成完整的航空港建筑外觀模型。由于對航空港建筑外觀不同構(gòu)件是拆開進(jìn)行建模，可能會出現(xiàn)構(gòu)件間的小空隙和交叉現(xiàn)象，因此需對構(gòu)件實(shí)施誤差修正，最終構(gòu)建一個完整的航空港外觀實(shí)體模型，如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為突出比較本文方法獲取航空港建筑外觀光斑采集結(jié)果的有效性，將傳統(tǒng)基于三維虛擬技術(shù)的航空港外觀重建設(shè)計(jì)方法，獲取的航空港建筑外觀光斑位移結(jié)果與本文方法獲取的光斑變化曲線實(shí)施對比，圖3和圖4分別為三維虛擬設(shè)計(jì)方法獲取的航空港建筑外觀光斑位移結(jié)果。

分析圖3和圖4圖像可以看出，采用傳統(tǒng)三維虛擬設(shè)計(jì)方法，在3 min的實(shí)驗(yàn)測試過程中經(jīng)常出現(xiàn)無法獲取外觀光斑位移變化的現(xiàn)象，說明三維虛擬設(shè)計(jì)方法構(gòu)建的航空港外觀系統(tǒng)在獲取外觀圖像的效果方面存在較強(qiáng)的偶然性誤差，容易出現(xiàn)航空港建筑某一角度圖像無法獲取的結(jié)果，對航空港外觀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)造成嚴(yán)重的進(jìn)度干擾。綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文方法可準(zhǔn)確地利用激光準(zhǔn)直測量裝置對航空港建筑動態(tài)形變結(jié)果進(jìn)行有效測量，有利于后續(xù)航空港外觀的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)采用專家評價法分別對本文方法和三維虛擬設(shè)計(jì)方法進(jìn)行整體評價，專家評價兩種方法性能優(yōu)劣從系統(tǒng)的可用性、便捷性、美觀性、功能性、可擴(kuò)展性以及經(jīng)濟(jì)性六個角度分別評價，為突出比較兩種設(shè)計(jì)方法的整體得分情況，將六種性能的平均評價結(jié)果用圖5來表示。

從圖5可看出：本文方法的各項(xiàng)評價指標(biāo)的平均得分結(jié)果均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三維虛擬設(shè)計(jì)方法的得分結(jié)果。從方法的經(jīng)濟(jì)效益方面可以看出，本文方法的經(jīng)濟(jì)效益平均得分在97.4分，三維虛擬設(shè)計(jì)方法的經(jīng)濟(jì)性評價結(jié)果僅有59分，說明基于三維虛擬設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用過程需要大量的資金，不利于實(shí)際應(yīng)用；從方法的外觀美觀性評價結(jié)果可看出，本文方法和三維虛擬設(shè)計(jì)方法的評價得分分別為 95.5分和56.3分，說明本文方法重建的航空港外觀環(huán)境舒適，使用過程的用戶滿意度強(qiáng)。綜合以上實(shí)驗(yàn)的分析可知，本文方法實(shí)際應(yīng)用效果好。

4 結(jié) 論

本文提出新的航空港外觀VI重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建的航空港建筑外觀的精度較高，對重構(gòu)的航空港外觀的整體評價結(jié)果滿意度較好，本文方法重建的航空外觀重建系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果顯著。

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