基于無(wú)人機(jī)的古建筑三維重建技術(shù)研究

林月鳳 黃家濤 梁慶業(yè) 李偉揚(yáng) 陳燕奎

摘要：文物資源作為人類文明的寶貴財(cái)富，隨著時(shí)間的推移不斷遭到破壞，保護(hù)文物古跡成為日益重要的問題。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，為文物古跡數(shù)字化保護(hù)與傳承發(fā)揚(yáng)呈現(xiàn)了全新的技術(shù)手段和方法。該文將介紹在無(wú)人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Smart3D、ModelFun和草圖大師對(duì)古建筑進(jìn)行三維模型的構(gòu)建與單體化建模技術(shù)的試驗(yàn)，探索建筑三維化的生產(chǎn)模式及技術(shù)流程，并基于輕量級(jí)VR進(jìn)行三維模型的虛擬展示，效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：傾斜測(cè)量;三維建模;單體化;VR展示

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0209-03

1 序言

隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以數(shù)字近景攝影測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)等為基礎(chǔ)的數(shù)字化與修復(fù)技術(shù)廣泛運(yùn)用于古建筑的保護(hù)，并扮演著重要的角色。歷史文物資源是國(guó)家和民族的精髓，而隨著時(shí)間的流逝和人類活動(dòng)的影響， 古文物不斷遭到破壞。2019年有著760年歷史的巴黎圣母院被大火燒成煉獄，同時(shí)這大火也為物質(zhì)文化遺產(chǎn)的安全防護(hù)工作敲響了警鐘，也更加凸顯出基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維實(shí)景建模對(duì)于文物數(shù)字化保護(hù)工作具有不可替代的作用，以及對(duì)于以歷史建筑為代表的文物數(shù)字化保護(hù)工作的重要性和迫切性。

在此背景下，基于無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)[1]，對(duì)古文物建筑進(jìn)行數(shù)字化、單體化、修復(fù)和VR技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)等操作，實(shí)現(xiàn)文物古跡遺產(chǎn)的數(shù)字化發(fā)展及保護(hù)手段創(chuàng)新性發(fā)展，再現(xiàn)文化遺產(chǎn)的種種魅力，是對(duì)外傳播客家文化、向世界展現(xiàn)梅州客家文化的新方式，也為其他文物古跡遺產(chǎn)數(shù)字化及三維重建[2]提供借鑒。對(duì)古建筑進(jìn)行數(shù)字化處理， 建成基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化形式，可進(jìn)一步開拓文物古跡的保護(hù)、修復(fù)和展示的新領(lǐng)域，增進(jìn)文化遺產(chǎn)保護(hù)和科學(xué)研究技術(shù);同時(shí)，數(shù)字化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于保護(hù)資源、共享資源以及傳播珍貴文物資源具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 古建筑三維模型的構(gòu)建技術(shù)

2.1 三維建模技術(shù)現(xiàn)狀

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了三維建模技術(shù)的進(jìn)步，利用傾斜影像進(jìn)行三維建模，使數(shù)據(jù)采集效率和建模速度大大提高，降低時(shí)間與費(fèi)用成本，且建立的三維模型精度高、紋理貼合，能夠詳細(xì)反映地物表面的細(xì)節(jié)特征，非常適用于場(chǎng)景真實(shí)三維建模。

2.2 模型構(gòu)建思路

本文基于各建模軟件三維模型建模效果較佳的基礎(chǔ)上，選擇Smart3D對(duì)古建筑進(jìn)行實(shí)景三維建模。結(jié)合Smart3D對(duì)采集到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理構(gòu)建三維模型的流程如圖1所示。

1）空中三角測(cè)量處理。將獲得的相應(yīng)影像進(jìn)行糾正并自動(dòng)匹配同名點(diǎn)及提取影像特征點(diǎn)，采用多視影像的匹配與密集匹配技術(shù)獲取密集的點(diǎn)云，匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成測(cè)區(qū)的密集點(diǎn)云，進(jìn)行空三測(cè)量經(jīng)過(guò)迭代平差得到傾斜影像外方位元素。

2）影像密度匹配?；谕夥轿辉貥?gòu)建立體像對(duì)并采用多視影像密集匹配技術(shù)，對(duì)多視影像進(jìn)行逐像素級(jí)匹配和特征匹配，多視匹配過(guò)程中要盡可能減少遮擋等因素產(chǎn)生的影響，可以多采用豐富的信息，解算出多視影像中同名像點(diǎn)的三維坐標(biāo)，得到高密度的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)后可以將不同匹配的單元融合得到統(tǒng)一的DSM數(shù)據(jù)[3]。

3）不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建?？杖用芡瓿?，調(diào)整規(guī)格和匹配好影像數(shù)據(jù)確保分辨率一致后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建，生成白模。

4）紋理映射。將建模的區(qū)域進(jìn)行分割，匹配好位置與紋理信息進(jìn)行紋理映射，紋理映射完成接著不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)和層次的優(yōu)化后可建成三維模型。

5）三維場(chǎng)景模型。完成上述操作得到三維模型;另外，Smart3D軟件生成的三維模型可以引用OSGB、OBJ、Max等多種格式。

依據(jù)流程可以完成從原始數(shù)據(jù)到場(chǎng)景三維模型和與之相關(guān)的其他數(shù)字產(chǎn)品的全自動(dòng)處理。實(shí)質(zhì)上，這個(gè)三維模型是一個(gè)連續(xù)的三角網(wǎng)，并且這個(gè)三角網(wǎng)中的每一個(gè)三角面片都有對(duì)應(yīng)的真實(shí)紋理影像，如圖2所示。

3 傾斜攝影數(shù)據(jù)三維模型重建與修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維模型修復(fù)

采用ContextCapture將無(wú)人機(jī)外業(yè)獲取的影像生成的三維模型，經(jīng)過(guò)多重檢測(cè)與建模后，模型仍然存在很多缺陷，如建筑物和植被等地物細(xì)節(jié)部位出現(xiàn)了變形，不能做到完全還原現(xiàn)實(shí)物體，因此必須使用相應(yīng)的三維模型軟件進(jìn)行修復(fù)，還原地物的真實(shí)信息，保證其高精度和實(shí)用性。

3.2 基于ModelFun對(duì)古建筑的修復(fù)

下文將基于模方（ModelFun）軟件[4]對(duì)古建筑三維模型進(jìn)行修復(fù)研究。模方可以對(duì)分瓦塊的obj、osgb模型進(jìn)行道路置平、水面修整、里面置平、標(biāo)牌修補(bǔ)、孔洞填補(bǔ)、紋理編輯、測(cè)區(qū)裁切等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜數(shù)據(jù)的更新、新建、刪除、編輯等操作，專為實(shí)景三維模型編輯的工作流進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3.2.1 結(jié)構(gòu)處理

1）除碎片。種子點(diǎn)選擇：地面上進(jìn)行均勻點(diǎn)選，至少選取5個(gè)種且以同一水平面上進(jìn)行種子點(diǎn)的選取，避開房屋建筑等，可對(duì)三維模型周邊多余的碎片進(jìn)行刪除，使整個(gè)模型更加精準(zhǔn)。

2）測(cè)區(qū)邊緣裁切。繪制裁切線（第一個(gè)點(diǎn)位必須在瓦片上進(jìn)行點(diǎn)選，確認(rèn)模型位置，后續(xù)點(diǎn)位選擇可按需求進(jìn)行）;導(dǎo)入裁切范圍文件，調(diào)出選擇框，可選擇“刪內(nèi)”“刪外”兩種選擇，對(duì)裁切線進(jìn)行編輯，提煉出需要處理的區(qū)域，更加精確獲取目標(biāo)三維場(chǎng)景模型，刪除多余模型數(shù)據(jù)，從而減輕處理的負(fù)荷，加快速度、提升效率。

3）道路置平。通過(guò)繪制多邊形對(duì)obj進(jìn)行編輯，將數(shù)據(jù)道路進(jìn)行置平處理，且可以自動(dòng)附上紋理。將編輯模型視圖中的模型還原至圖像，并自動(dòng)聯(lián)動(dòng)至ps，進(jìn)行表面修整和渲染，可以清除無(wú)關(guān)地物對(duì)目標(biāo)三維模型造成的影響，更加形象地還原古建筑三維場(chǎng)景模型。

4）刪除小物件。對(duì)于懸浮在空中無(wú)法修改且造成模型質(zhì)量下降的立體碎片，可以逐個(gè)選取漂浮物進(jìn)行刪除，除去小物件。

5）置平（/補(bǔ)洞）。針對(duì)模型中幾何凹凸不平的問題，可將模型幾何立面部分自動(dòng)置平。在原有PS聯(lián)動(dòng)修復(fù)紋理的操作方式的同時(shí)提供自動(dòng)添加紋理功能，自動(dòng)為模型貼上原片紋理。

6）立面修整。模型生產(chǎn)中，不能對(duì)建筑內(nèi)的修飾如文字、掛相等進(jìn)行100%的復(fù)制還原，清晰度也會(huì)降低，因此需要采用高精度照片黏貼在相應(yīng)的位置上，通過(guò)選取處理位置并進(jìn)行微調(diào)，后選擇相應(yīng)的處理模式。

3.2.2 紋理處理

1）空三映射。在相應(yīng)范圍進(jìn)行繪制，繪制完成后挑選出合適影像進(jìn)行映射。

2）空白區(qū)域自動(dòng)映射。針對(duì)已處理結(jié)構(gòu)瓦片，不對(duì)原工程數(shù)據(jù)進(jìn)行更新處理時(shí)，可直接在ModelFun 軟件中進(jìn)行空白區(qū)域自動(dòng)映射，對(duì)瓦片賦予紋理。賦予紋理后可在ModelFun 中直接對(duì)瓦片進(jìn)行紋理處理。對(duì) obj 進(jìn)行處理后，產(chǎn)生新的三角面，這些三角面系統(tǒng)顯示為灰色狀態(tài)是為無(wú)UV信息即空白區(qū)域。

3.2.3 模型整體評(píng)定

1）基于ModelFun 軟件對(duì)模型中出現(xiàn)的多余碎片、道路不平整、墻面“漏洞”等現(xiàn)象進(jìn)行精細(xì)化修復(fù)，使得古建筑紋理更加顯著、結(jié)構(gòu)清晰及特征明顯，三維模型整體效果更真實(shí)精準(zhǔn)，最終修復(fù)后的三維模型如圖4所示。

2）實(shí)踐證實(shí)在實(shí)景三維模型精修領(lǐng)域，模方突破原有三維模型后處理技術(shù)瓶頸，將三維數(shù)據(jù)的后處理技術(shù)上升到一個(gè)新的臺(tái)階，極大提高處理效率，實(shí)現(xiàn)快速達(dá)成高質(zhì)量三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為后面三維模型進(jìn)行單體化提供更有力完美的支持，極大縮短了項(xiàng)目周期，節(jié)約項(xiàng)目的資金投入與時(shí)間成本。

3.3 傾斜攝影三維模型單體化

傾斜測(cè)量技術(shù)所構(gòu)建的模型是一個(gè)連續(xù)的整體，無(wú)法對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行管理和操作，而實(shí)現(xiàn)單體化對(duì)建筑物三維模型管理及三維GIS應(yīng)用等方面均有重要意義，可以為建筑的精細(xì)化與智能化管理提供經(jīng)驗(yàn)參考和技術(shù)指導(dǎo)。

下面基于SketchUp實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑三維模型進(jìn)行單體化研究，采取從外到內(nèi)，從整體到局部的建模方式進(jìn)行模型單體化的建立;其基本的原理是利用傾斜攝影建立的精細(xì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取，結(jié)合獲取的數(shù)據(jù)對(duì)建筑物進(jìn)行重建和紋理重采樣，以實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑三維模型的單體化效果，減少到目的地采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，提高單體化的效率。實(shí)現(xiàn)單體化技術(shù)流程圖如圖5所示。

1）數(shù)據(jù)獲取。在Smart3D軟件完成模型構(gòu)建后獲取該模型數(shù)據(jù)到SketchUp中進(jìn)行處理。

2）三維數(shù)據(jù)量取、計(jì)算與拼接。對(duì)外墻模型進(jìn)行構(gòu)建，根據(jù)在Smart3D中獲取的墻體幾何數(shù)據(jù)，在SketchUp中進(jìn)行底圖繪制，拉伸細(xì)致處理墻體，并對(duì)門窗位置進(jìn)行鏤空處理，如圖6所示。同理完成窗戶等其他部分部件的構(gòu)建。

3）紋理映射。紋理映射在建模中有重要性，既可更好的還原建筑物的本身，又增強(qiáng)了模型的可觀賞性，在大面積的紋理映射需要使用到包裹貼圖，而在范圍比較準(zhǔn)確明顯的平面進(jìn)行貼圖則使用普通貼圖即可。

4）精細(xì)部件重建。對(duì)梁、柱、地板、瓦片等一些精細(xì)的模型，先建立“部件”，再把部件添加到建筑整體上。在“部件”的建模中，獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性很重要，因“部件”獲取的數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致“部件”無(wú)法與整體模型整合到一起。

在單體化建模中幾何數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性非常重要，精細(xì)化在古建筑的單體化建模中是模型價(jià)值的體現(xiàn)，確保這兩樣技術(shù)同時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，可以先對(duì)建筑物進(jìn)行分解，準(zhǔn)確獲取每個(gè)“部件”的幾何數(shù)據(jù)后進(jìn)行單體化建模。這種方式解決了以往建模獲取幾何數(shù)據(jù)難、煩瑣的問題，提高了單體化的效率。檢查到錯(cuò)誤可以對(duì)其“部件”進(jìn)行修改，更便于對(duì)模型的修改和減輕對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求。對(duì)建筑瑕疵進(jìn)行合理的修復(fù)，使模型更加美觀逼真、符合真實(shí)建筑?；诰?xì)化傾斜攝影模型，結(jié)合SketchUp經(jīng)過(guò)測(cè)量、對(duì)比、拼接搭建處理，最終構(gòu)建形成的古建筑三維模型單體化的成果如圖7所示。

4 VR瀏覽技術(shù)

4.1 VR技術(shù)

三維模型在VR中的展示方法主要有借助第三方平臺(tái)/插件[5]和基于游戲引擎[6]編輯完成瀏覽體驗(yàn)兩種。其中基于Sketchup開發(fā)的插件——Dsketch，可以極大簡(jiǎn)化VR設(shè)計(jì)到展示的流程，使設(shè)計(jì)師能夠沉浸在三維空間中，有效輔助設(shè)計(jì)之初推敲空間尺度的合理性，從而對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行有效反饋[7]。

4.2 三維模型展示體驗(yàn)

本文采用第三方平臺(tái)/插件的方式實(shí)現(xiàn)建模軟件導(dǎo)出和快速VR瀏覽體驗(yàn)。以古建筑三維模型為例，搭建一座連接傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具與VR虛擬世界的“橋”，通過(guò)這座橋，將Sketchup模型導(dǎo)入，配合Dsketch插件直接轉(zhuǎn)換生成VR虛擬場(chǎng)景，通過(guò)配戴VR頭顯設(shè)備（與移動(dòng)端連接），完成在移動(dòng)端上，對(duì)設(shè)計(jì)模型漫游的效果。該方法不需要依靠游戲引擎這種復(fù)雜的渲染方式來(lái)達(dá)到虛擬場(chǎng)景的生成，在向客戶或外界宣傳時(shí)也能大大節(jié)省人力、時(shí)間成本，簡(jiǎn)化流程，提高展示效率，古建筑三維模型瀏覽最終效果圖如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)現(xiàn)古建筑三維重建的技術(shù)進(jìn)行研究。先到野外勘測(cè)采集古建筑影像數(shù)據(jù)，在Smart3D中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)古建筑三維模型的構(gòu)建，并借助Mode1Fun進(jìn)行模型修復(fù)技術(shù)研究，完成三維模型的精細(xì)化，接著基于SketchUp對(duì)古建筑三維精細(xì)化模型的單體化技術(shù)流程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最后完成三維模型的VR技術(shù)的探索與展示瀏覽體驗(yàn)。保護(hù)和修繕文物古跡非常重要的方法就是實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型的構(gòu)建，采用無(wú)人機(jī)技術(shù)可以完整、快速構(gòu)建三維模型，節(jié)省人力物力，增強(qiáng)工作效率;同時(shí)，實(shí)現(xiàn)三維模型的單體化和VR展示技術(shù)，對(duì)于我國(guó)文物古跡的保護(hù)與傳承更是提供了全新的技術(shù)路線和方法措施（如：建立文物古跡數(shù)據(jù)庫(kù)保存不同的文物古跡數(shù)字化模型等。），也為今后建筑模型的管理和應(yīng)用、三維GIS的應(yīng)用等方面提供寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 蔡香玉.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影場(chǎng)景建模的建筑物單體化方法[D].南京：南京師范大學(xué)，2018.

[4] Copyright? 2019 by 大勢(shì)智慧. All Rights Reserved.模方（ModelFun）軟件用戶手冊(cè).

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[6] 張?chǎng)?Small Dots - 知乎專欄[Z].知乎，2017-03-12.

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