基于三維激光掃描技術的模型重建研究

李孟迪 王玉振

摘? ?要：本文主要研究了三維激光掃描技術在建筑物模型重建中的應用。具體做法是首先運用軟件RiSCAN PRO進行初始數據的預處理，對數據進行拼接、濾波、重采樣等處理，然后將處理完成的數據導入到Geomagic Studio軟件中進行三角化得到初始的三角網格模型，在初始模型的基礎上進行三角形網格錯誤檢測、三角形網格填孔、三角形網格簡化、三角形網格平滑等一系列操作，完成后進行紋理貼圖得到最終的模型。采用這種方法使得建模的效率及精度都得到了較大的提高。

關鍵詞：激光掃描? 三角網格? 模型重建

激光掃描技術作為一種快速發(fā)展的新技術，通過地面、車載或機載的激光掃描儀器，采用激光測量技術直接獲得客觀目標的空間信息。這些空間信息通常表現(xiàn)為高密度、高精度離散點的形式，通過對離散點的一系列處理，得到應用于生產實踐的三維矢量化信息。

文中用到的地面激光掃描儀（Terrestrial Laser Scanner，簡稱TLS）正是基于激光掃描技術的新型儀器，因此與一般的測量儀器相比，TLS具有無可比擬的優(yōu)勢。隨著地面激光掃描儀的不斷發(fā)展，一些新的測量手段被廣泛應用于建筑物的測繪中，使得建筑物的測繪手段變得更加高效率，高精度。本文正是基于這種背景展開的，由于三維激光掃描技術是通過發(fā)射與接收激光信號進行快速三維測量的一種技術，所以它能夠直接測得目標點的三維空間坐標。該技術可以快速采集各種不規(guī)則及復雜的實體或實景的三維點云數據，進而可以通過三維點云進行三維建模。在對建筑物進行測量時，三維激光掃描技術的非接觸式測量以及高效快捷等優(yōu)勢體現(xiàn)的尤為明顯。三維激光掃描儀有著廣闊的應用前景，它的使用可節(jié)省大量的人力、物力、財力，加快數據的生產速度，提高生產效率，同時也具有極大的社會價值和應用潛力。由于三維激光掃描技術是近年來逐漸發(fā)展起來的一種新技術，它在建筑物測繪領域中的應用尚不成熟，目前國內對其進行的研究與發(fā)達國家相比還很薄弱，還停留在在實驗階段，無法滿足人們日益增長的需求，為了使該項技術更好地服務于我國的國民經濟建設，對點云數據在建筑物模型重建中應用的研究因此具有十分重要的科研和現(xiàn)實意義。本文通過理論與實踐相結合的方式研究了三維激光掃描技術在建筑物模型重建中應用的一些關鍵技術，對三維激光掃描技術在建筑物測繪領域中應用的發(fā)展有一定的意義。

1? 數據預處理

地面激光掃描重建的步驟包括外業(yè)數據采集和內業(yè)數據處理兩個階段。具體分為前期準備階段、點云數據采集階段、點云數據處理階段、建立模型階段、模型精化階段等。

一般的地面三維激光掃描儀都有配套的軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)主要有兩部分功能，一部分是用來控制儀器運行的，另外一部分是用來進行點云數據處理。以RIEGL VZ-400型號的儀器為例，其配套的軟件系統(tǒng)為RiSCAN PRO，另外還配套有RiSCAN LIB庫方便用戶進行二次開發(fā)。RiSCAN PRO軟件的點云處理功能主要包括顯示瀏覽數據、點云數據基本處理、照片處理、點云三維建模等。

顯示瀏覽數據：海量點云快速瀏覽、按2D/3D模式顯示數據、按強度/反射率灰度模式顯示數據、按距離/高程假彩色模式顯示數據、按照片真彩色模式顯示數據、支持fly/walk模式瀏覽數據、支持僅顯示選擇的數據等。

點云數據基本處理：點云數據導入導出、點云數據測量、點云單點坐標輸出、點云裁剪、點云坐標轉換、多站點云配準、點云濾波、特征點線面提取等。

照片處理：照片畸變消除、照片配準等。

點云三維建模：三角網生成、三角網平滑處理、三角網簡化處理、三角網法向量修改、模型表面對比分析、模型紋理映射、模型表面積/體積計算等。

2? 三角網格化建模

三維激光掃描儀采集得到的是目標物體三維空間中散亂的點組成的點的集合。這些散亂的點集通常不能精確地反映目標物體的細節(jié)特征，所以需要根據它們擬合出與目標物體接近的表面，這樣才能得到能夠反映目標物體的精確的細節(jié)特征，這個過程就是對散亂點集進行三維重建。而此時我們可以利用的信息僅僅是這些散亂的數據，如何將這些離散的點集進行連續(xù)化則是三維重建首先需要考慮的問題。常見的做法是通過將這些離散的點集構建成不規(guī)則三角網或者不規(guī)則四邊形網格。不規(guī)則三角網通常能夠使用更少的空間和時間來擬合目標物體表面，而且不規(guī)則三角網能夠以不同層次的分辨率表現(xiàn)目標物體。另外，根據離散的點集構建三角網的算法比較簡單，效率也比較高。所以在對三維激光掃描點云數據進行三維重建時可以采用構建不規(guī)則三角網的方法。

點云三角網格化建模是指通過將點云數據按照一定的規(guī)則連接成三角形網格，從而擬合出物體表面的過程。這種網格模型可以用一個二元組（K， V）表示，其中K確定了網格之間連接的拓撲關系，包括網格的頂點、邊和面之間的拓撲關系。V表示網格頂點信息的集合。這種通過構建網格模型的方法能夠對散亂點云數據進行快速三維重建。

重建完成后要進行三角網后處理，主要包括：

（1）三角形網格錯誤檢測。

自相交情況，是指相鄰三角形之間存在相交的情況。這種情況往往是由于存在噪聲點或者由于模型局部特征較復雜時出現(xiàn)的。消除這種情況的方法是首先刪除相交的三角網，然后刪除這些噪聲點，最后重新構建三角網。

高度折射邊情況，是指相鄰兩個三角形之間的夾角為銳角，而且相對于模型呈現(xiàn)凹進去的狀態(tài)的情況。通常正常情況下構成模型的相鄰兩個三角形之間的夾角為鈍角，出現(xiàn)這種情況可能是有個別噪聲點相對于周圍點凹進去了，消除這種情況的方法是首先刪除出現(xiàn)高度折射邊的三角網，然后刪除這些噪聲點，最后重新構建三角網。

尖狀物情況，是指相鄰兩個三角形之間的夾角為銳角，而且相對于模型呈現(xiàn)凸出來的狀態(tài)的情況。出現(xiàn)這種情況可能是有個別噪聲點相對于周圍點凸出來了，消除這種情況的方法是首先刪除出現(xiàn)尖狀物的三角網，然后刪除這些噪聲點，最后重新構建三角網。

（2）三角形網格填孔。

由于掃描過程中出現(xiàn)遮擋情況，所以有時候會產生少量的掃描盲區(qū)，這些盲區(qū)沒有點云數據，這時候需要根據其周圍的點云以及周圍的點云構建的三角網進行擬合出這些盲區(qū)的三角網。通常這種擬合有三種方式：按曲率進行擬合，即指定新網格必須匹配周圍網格的曲率;按切線進行擬合，即指定新網格必須匹配周圍網格的曲率，但具有大于曲率的尖端;按平面進行擬合，即指定新網格大致平坦。

（3）三角形網格平滑。

由于掃描過程中出現(xiàn)的噪聲以及拼站過程中的誤差都會使得構建的三角出現(xiàn)輕微的凹凸不平，這時候需要對網格進行平滑處理，使得模型的表面比較光滑。

（4）三角形網格簡化。

在構建完三角網后，還可以根據實際需要對模型的三角網進行簡化，三角網簡化必須要盡可能地保留模型的特征，所以一般進行簡化的部分是模型上特征不明顯的部分。

3? 建筑物模型重建實例分析

由于許多歷史建筑中包含有一些實體雕塑，本文通過選取一尊雕像數據來驗證地面三維激光掃描儀在這種實體雕塑的三維重建中的應用。實驗掃描的李四光雕像高約2m、長約1m、寬約0.5m，雕像面部特征較明顯，表面較粗糙。在獲取數據的基礎上進行數據的處理，數據處理步驟如下：

（1）通過選取至少4對同名點進行測站之間的粗略配準;

（2）采用msa進行測站之間的精確拼接;

（3）導出點云數據后導入到Geomagic軟件中進行處理，由于相鄰兩測站之間存在重疊點云，所以需要對點云數據進行局部重采樣使得整個雕像的點云分布比較均勻，雕像表面有比較光滑的部分，也有特征比較明顯的部分，所以采用曲率重采樣的方法;

（4）通過點云構建三角網的方法進行三維模型重建;

（5）對網格中的自相交、高度折射邊、尖狀物、小孔等情況進行檢測;

（6）對模型表面進行平滑處理，消除模型表面釘狀物，且使三角形網格的大小一致;

（7）根據需要可以對模型的三角網格進行簡化;

（8）進行紋理映射;

（9）進行色調均衡后的紋理映射。

4? 結語

本文研究了三維激光掃描技術在建筑物模型重建中主要采用的建模方法，實驗結果表明三維激光掃描儀獲得的點云數據能夠滿足建模的要求。三維激光掃描儀采用非接觸的測量手段，每次可采集幾十萬甚至更多的表面點，點與點之間的間距可達毫米級甚至更低，可精確地獲得建筑物的外形、結構及表面特征，結合軟件Geomagic Studio進行模型的構建，使得建模的效率及精度都有了很大的提高。但該技術仍然存在以下不足，如對于結構比較復雜或者某些構件比較復雜的部分（比如建筑物的屋頂部分），三維激光掃描儀很難獲取完整的點云數據，有大量的區(qū)域會成為掃描盲區(qū)，而且這些區(qū)域往往比較小而且數量比較多，所以通過補測會帶來很大的工作量。

參考文獻

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