基于自動(dòng)建模的室內(nèi)實(shí)景三維展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏曦 孫艷芝

【摘 要】本文初步探索利用室外大規(guī)模場(chǎng)景的傾斜攝影與三維實(shí)景自動(dòng)建模技術(shù)用于室內(nèi)三維實(shí)景精細(xì)模型構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)。該方法利用高清相機(jī)作為數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，在保證拍攝連續(xù)性、與目標(biāo)物距離和一定的影像重疊度的情況下，快速構(gòu)建室內(nèi)三維實(shí)景精細(xì)模型，并研發(fā)了室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)平臺(tái)，最后介紹了該平臺(tái)在大型展覽活動(dòng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)探索了全新的室內(nèi)三維實(shí)景模型構(gòu)建模式，模型結(jié)果更加真實(shí)，為室內(nèi)三維環(huán)境構(gòu)建提供了新的思路。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)建模;室內(nèi)實(shí)景三維;高精度模型;三維展示系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0018-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.008

0 引言

在智慧城市理念的指導(dǎo)下，未來(lái)城市發(fā)展對(duì)城市管理與規(guī)劃提出了更高的要求。深入的室內(nèi)三維建模技術(shù)是現(xiàn)代城市管理的必要保證條件和重要技術(shù)組成部分。在室內(nèi)建模過(guò)程中存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：快速三維建模和空間模型精度問(wèn)題。然而，現(xiàn)代城市的功能和結(jié)構(gòu)趨于多樣化和復(fù)雜化，現(xiàn)有底層數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源和空間精度不能滿足快速、真實(shí)精確的要求。

傳統(tǒng)的室內(nèi)三維模型以手工模型為主，成本高且工期長(zhǎng)，并且相比較于三維實(shí)景模型而言真實(shí)感較差。而三維實(shí)景自動(dòng)建模能夠減少人工成本，縮短工期，提升模型的真實(shí)感。本文以室內(nèi)三維實(shí)景展示為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)與構(gòu)建室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)、多媒體技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，地理信息數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換、圖形編輯、三維重建技術(shù)、多媒體信息檢索查詢、二三維動(dòng)態(tài)交互等功能于一體，將室內(nèi)三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)充分用于室內(nèi)展館展覽。

1 室內(nèi)三維實(shí)景模型構(gòu)建

1.1 高清數(shù)據(jù)獲取

為建立高精度的室內(nèi)三維實(shí)景模型，首先需要進(jìn)行高清影像數(shù)據(jù)獲取，其主要利用高清單反相機(jī)輔助以相機(jī)高架作為高精度原始影像數(shù)據(jù)的獲取手段，每張照片有效像素為3040萬(wàn)。在保證拍照連續(xù)的情況下，連續(xù)照片之間的橫向和縱向的重疊度在80%以上。

1.2 數(shù)據(jù)處理

將獲取的的高清室內(nèi)影像經(jīng)過(guò)分類、勻光勻色等處理后，結(jié)合第三方自動(dòng)建模系統(tǒng)進(jìn)行處理，構(gòu)建室內(nèi)三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，通過(guò)真實(shí)的三維場(chǎng)景進(jìn)行信息集成，主要的步驟是運(yùn)用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，形成不規(guī)則三角形網(wǎng)格，隨后運(yùn)用不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成白膜，將其三角形網(wǎng)格映射其中，對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)化處理后形成三維實(shí)景場(chǎng)景，最終得到室內(nèi)每個(gè)展臺(tái)的模型，如下圖1所示。

a.展廳整體三維實(shí)景模型? ? ? ? ? ? ? b.單個(gè)展臺(tái)模型

2 室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)目的是構(gòu)建空間應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，采用基于WebGL、SOAP、WSDL、UDDI的Web Service技術(shù)向各應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)，提供接口使各異構(gòu)系統(tǒng)可方便獲取數(shù)據(jù)級(jí)和應(yīng)用程序級(jí)的服務(wù)。Web Service是一種新的Web應(yīng)用程序分值，他們是自包含、自描述、模塊化的應(yīng)用，可以發(fā)布、定位、通過(guò)Web調(diào)用。Web Service可以執(zhí)行從簡(jiǎn)單的請(qǐng)求到復(fù)雜商務(wù)處理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service應(yīng)用程序可以發(fā)現(xiàn)并調(diào)用它部署的服務(wù)[4]。

2.1 總體架構(gòu)

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)采用基于瀏覽器的B/S架構(gòu)模式，較傳統(tǒng)的基于組件技術(shù)和C/S模式來(lái)說(shuō)更為高效便捷，其邏輯層次上總體表現(xiàn)為：在信息基礎(chǔ)設(shè)施和支撐環(huán)境平臺(tái)上建立空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)的信息體系，包括基礎(chǔ)地理空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)、地理空間信息共享與管理平臺(tái)、地理空間信息應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上建立室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)，面向室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)的各種信息實(shí)體和用戶實(shí)體提供數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化應(yīng)用和各種服務(wù)。

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)按其組成可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)、通訊鏈路、管理平臺(tái)、Web服務(wù)四個(gè)部分。

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)

基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺(tái)是GIS綜合服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)容，沒(méi)有數(shù)據(jù)就沒(méi)有很好的服務(wù)，甚至于沒(méi)有服務(wù)?；A(chǔ)的數(shù)據(jù)平臺(tái)包含能提供空間地理位置的空間數(shù)據(jù)庫(kù)、為指定的地名提供詳細(xì)的地址以及其他相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）通訊鏈路

通訊鏈路在系統(tǒng)中是傳輸數(shù)據(jù)的通道，由于用戶對(duì)空間信息需求的不同，系統(tǒng)向用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不同，因此系統(tǒng)就必須考慮用戶所能接受的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，而通訊鏈路從根本上決定了數(shù)據(jù)的傳輸速率，所以通訊鏈路的不同影響了終端上實(shí)現(xiàn)的功能。

3）管理平臺(tái)

在整個(gè)系統(tǒng)中，管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，提供基本的地理信息服務(wù)，所有基于地理信息的服務(wù)都是基于管理平臺(tái)提供的地理信息之上的。管理平臺(tái)的職能是響應(yīng)用戶各類基本地理信息服務(wù)要求，完成用戶所需信息的定制，根據(jù)不同的用戶類型和不同的請(qǐng)求決定信息發(fā)送策略，將用戶所需信息高效安全的發(fā)送到至用戶。

4）Web服務(wù)開(kāi)發(fā)接口

開(kāi)發(fā)接口解決應(yīng)用級(jí)地理空間數(shù)據(jù)共享，即應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)平臺(tái)提供的開(kāi)發(fā)接口來(lái)訪問(wèn)平臺(tái)地理空間數(shù)據(jù)和地理信息功能。本系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)接口是通過(guò)Web Service來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？蛻舳送ㄟ^(guò)管理平臺(tái)門(mén)戶獲取最新開(kāi)發(fā)接口的Web Service地址和口令?？蛻舳碎_(kāi)發(fā)接口無(wú)須了解平臺(tái)本身復(fù)雜、繁瑣的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和GIS功能，而直接使用與開(kāi)發(fā)平臺(tái)相對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)接口，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，降低開(kāi)發(fā)與集成難度，并且有效避免開(kāi)發(fā)人員直接面對(duì)空間數(shù)據(jù)帶來(lái)的安全隱患。

2.2 架構(gòu)模式

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)采用分層式系統(tǒng)架構(gòu)，從上至下分別為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層、GIS支撐層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)層。

1）數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)存放大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和文件;

2）數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)和操作;

3）GIS支撐層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的相關(guān)功能和服務(wù);

4）業(yè)務(wù)邏輯層，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，與系統(tǒng)的業(yè)務(wù)有關(guān);

5）表示層，是系統(tǒng)的UI部分，負(fù)責(zé)用戶與整個(gè)系統(tǒng)的交互。

系統(tǒng)技術(shù)邏輯架構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)技術(shù)邏輯架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行模式

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)的運(yùn)行模式是指各類用戶如何借助室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各自的業(yè)務(wù)處理和邏輯應(yīng)用。隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)的運(yùn)行采用基于Internet的分布式、異構(gòu)互聯(lián)、多協(xié)議的體系模式。該系統(tǒng)用戶的絕大部分邏輯應(yīng)用都是通過(guò)Web瀏覽器呈現(xiàn)出來(lái)的。用戶的事務(wù)包括兩個(gè)方面，即應(yīng)用邏輯處理和網(wǎng)絡(luò)生活方式。

用戶的應(yīng)用邏輯處理采用的是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。用戶通過(guò)Web服務(wù)器的安全機(jī)制登錄到相關(guān)站點(diǎn)，提出應(yīng)用處理請(qǐng)求（如查詢、分析等），應(yīng)用請(qǐng)求經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳達(dá)給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接收到請(qǐng)求信息后，通過(guò)安全認(rèn)證、身份識(shí)別等過(guò)程，確認(rèn)用戶請(qǐng)求的有效性。然后對(duì)用戶應(yīng)用進(jìn)行歸類，根據(jù)應(yīng)用類別選擇應(yīng)用服務(wù)器中的應(yīng)用組件，以消息形式命令應(yīng)用組件完成用戶的應(yīng)用，或允許Web服務(wù)器下載相關(guān)組件。應(yīng)用服務(wù)器將響應(yīng)結(jié)果返回Web服務(wù)器，經(jīng)由Web服務(wù)器傳送到用戶Web瀏覽器中。其中，對(duì)室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)由應(yīng)用組件通過(guò)ODBC或JDBC接口完成。用戶不直接訪問(wèn)和操縱數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性。

2.4 Web GIS設(shè)計(jì)

從Web GIS的設(shè)計(jì)角度，Web GIS的設(shè)計(jì)策略可以概括為“側(cè)重服務(wù)器”和“側(cè)重客戶端”兩種策略，而兩種策略各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

1）側(cè)重服務(wù)器的策略

側(cè)重服務(wù)器的策略以服務(wù)器為中心，主要目的是根據(jù)客戶端的需要向其提供GIS數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。在這種策略下，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理軟件都運(yùn)行于服務(wù)器上，客戶端沒(méi)有數(shù)據(jù)處理能力，僅僅組織、發(fā)送請(qǐng)求和顯示服務(wù)器的響應(yīng)結(jié)果。

其優(yōu)點(diǎn)在于如果使用一個(gè)高性能服務(wù)器，可以讓一些用戶訪問(wèn)到許多比較難于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸或在客戶端本地處理的復(fù)雜數(shù)據(jù);可以讓一些即使沒(méi)有使用復(fù)雜軟件的用戶也可以使用一些復(fù)雜的分析程序;可以有效地控制用戶對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，以保證數(shù)據(jù)得到正確的使用。

其缺點(diǎn)在于任何一個(gè)請(qǐng)求都必須返回到服務(wù)器端進(jìn)行處理，并在處理完請(qǐng)求后通過(guò)Internet返回響應(yīng)給客戶端;服務(wù)器與瀏覽器之間的Internet的網(wǎng)絡(luò)帶寬和流量是影響系統(tǒng)性能的主要因素，特別是在服務(wù)器響應(yīng)需要傳輸大量數(shù)據(jù)的情況下，系統(tǒng)沒(méi)有有效利用客戶端計(jì)算機(jī)的處理能力，僅僅利用它提交請(qǐng)求和顯示響應(yīng)結(jié)果。

2）側(cè)重客戶端的策略

側(cè)重客戶端的策略，客戶端應(yīng)用程序分擔(dān)了一部分原來(lái)由服務(wù)器負(fù)責(zé)的處理任務(wù)。往往是一部分GIS功能下載到或駐存于客戶端，對(duì)數(shù)據(jù)的某些處理在客戶端本地完成。

其優(yōu)點(diǎn)是利用了客戶端計(jì)算機(jī)的處理能力;用戶可以對(duì)數(shù)據(jù)分析過(guò)程進(jìn)行更多的控制;一旦服務(wù)器返回了響應(yīng)，用戶即可以不再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器進(jìn)行信息交換，就可以對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在來(lái)自服務(wù)器的響應(yīng)可能包含大量的數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理的小程序，從而可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的響應(yīng)等待;如果客戶端處理能力不足，則處理數(shù)據(jù)量較大或比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)比較困難，復(fù)雜的GIS分析可能運(yùn)行緩慢;為了正確使用數(shù)據(jù)和分析功能，用戶必須進(jìn)行必要的培訓(xùn)。由上述可以得知，純粹的側(cè)重服務(wù)器或純粹的重客戶端的策略都存在明顯的局限：如果需要頻繁的數(shù)據(jù)傳輸，側(cè)重服務(wù)器的策略情況下，系統(tǒng)的性能對(duì)Internet的網(wǎng)絡(luò)帶寬和網(wǎng)絡(luò)流量非常敏感;側(cè)重客戶端的策略對(duì)客戶端的計(jì)算機(jī)處理能力非常敏感。也就是說(shuō)，如果某些任務(wù)超出其處理能力，則運(yùn)行起來(lái)可能非常緩慢。

綜合這兩種策略，最終形成了一種混合型的解決辦法，可以更好地發(fā)揮服務(wù)器和客戶端的優(yōu)勢(shì)與潛力。涉及到繁重的數(shù)據(jù)庫(kù)操作或復(fù)雜分析的任務(wù)讓性能高的一方來(lái)承擔(dān)，一般來(lái)說(shuō)是服務(wù)器;涉及到用戶控制的任務(wù)讓客戶端承擔(dān)。這樣，雙方共享彼此的計(jì)算處理能力，從而使數(shù)據(jù)和小程序可以進(jìn)行合理分配，以使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到最高。

2.5 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)的界面包含一個(gè)與三維地圖進(jìn)行交互的工具欄、展示主窗口、右側(cè)功能窗口和主窗口下方的狀態(tài)欄。其中右側(cè)功能區(qū)包括圖層管理、區(qū)域查詢、兩部分，可以分別選擇相應(yīng)的功能進(jìn)行操作。系統(tǒng)界面如下圖所示：

系統(tǒng)的主要功能有漫游、放大、縮小等對(duì)模型的基本操作功能，以及模型切換、二三維的聯(lián)動(dòng)、空間屬性互查和展廳信息展示的功能。系統(tǒng)主界面右下角添加了功能按鈕用于切換展廳導(dǎo)航圖。點(diǎn)擊導(dǎo)航圖上面的展臺(tái)區(qū)域即可定位至對(duì)應(yīng)的展臺(tái)。在展臺(tái)列表上方輸入展臺(tái)稱或展臺(tái)名稱關(guān)鍵字，按回車(chē)鍵或查詢按鈕即可搜索對(duì)應(yīng)的展臺(tái)并自動(dòng)定位至該展臺(tái)。在展臺(tái)列表左側(cè)為展臺(tái)重點(diǎn)展示內(nèi)容按鈕，點(diǎn)擊展示功能按鈕即可彈出展臺(tái)重點(diǎn)展示內(nèi)容。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于自動(dòng)建模的室內(nèi)三維實(shí)景模型構(gòu)建方法，其模型分辨率能夠達(dá)到厘米甚至亞厘米級(jí)，可為用戶提供超高精度和分辨率的室內(nèi)三維模型，并以某展覽展廳為例，構(gòu)建了室內(nèi)三維實(shí)景展示系統(tǒng)，給人以直觀的視覺(jué)沖擊以及切身感受。其目的是為展覽保存歷史檔案，查詢相關(guān)信息，保存展覽真實(shí)生動(dòng)的電子檔案和持續(xù)利用，為以后室內(nèi)三維實(shí)景展示展覽提供有力保障。同時(shí)，也為室內(nèi)三維模型構(gòu)建提供了新的思路。

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※基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2017YFC0803300）;北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.Z181100009818020）。

作者簡(jiǎn)介：魏曦（1986.06—），男，河北唐山人，漢族，博士研究生，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，工程師，研究方向：傾斜三維實(shí)景建模及遙感。