實景三維的單體化模型重建

王凱松 劉增良 董志海

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

傾斜攝影測量技術是近年來測繪領域逐步發(fā)展起來的新型測繪技術,通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器,可以同時從多個角度采集影像,獲得近地高分辨率的建筑立面信息,大大降低城市三維建模的成本[1]。通過聯(lián)合空中三角測量、影響匹配,可以獲取地物全方位的點云數據,再利用點云數據構建三角網模型,通過紋理映射快速完成三維實景模型的構建,商業(yè)軟件Context Capture、Street Factory等基于以上技術路線能實現全自動建模[2-3]。這類軟件生成的實景三維模型是“全要素、全紋理”的可測量的Mesh模型,但是Mesh模型是“一張皮”,沒有針對地物進行劃分,同時由于傾斜攝影的特點,會導致遮擋嚴重的部分,尤其是模型底部會存在紋理和結構扭曲的問題。單體化是指將三維模型中各類地物劃分為單獨的對象,具有矢量數據特性,只有單體化后的三維模型才能夠實現每個地物作為一個實體進行選擇、顯示、查詢、管理[4]。

當前三維模型單體化的方法分為兩大類,第一類是邏輯上的單體化,其核心思想是不改變Mesh模型的結構和紋理,只在展示時將地物對應的三角網做特殊渲染,具體實現方式有:實體編碼(Identity Document，ID)單體化,利用三角面片中每個頂點額外的存儲空間,將對應地物的ID值進行存儲,可以實現地物的查詢和高亮顯示[5];動態(tài)單體化,在傾斜模型進行展示時,通過間接方式實現矢量范圍內的三維模型高亮顯示,從而實現單體化的目的[6]。這一類單體化方法的優(yōu)點是不破壞Mesh模型的結構,地物分類方式可以根據不同業(yè)務靈活改變,但是不能解決Mesh模型的扭曲問題。第二類單體化方法是物理上的單體化,具體實現方式有:切割單體化,通過對Mesh三角網進行切割,將地物提取成單獨模型[7],這種方式會破壞Mesh模型三角網結構,同時由于三維模型數量增多,三角網數量未減少,會降低在三維平臺的渲染效率;重建單體化:以傾斜攝影測量數據為基礎數據源,通過對地物模型進行重構實現模型的單體化,重建方式又分為基于點云數據的重建、基于立體像對的重建、基于Mesh的重建,其中基于點云的重建是自動化的,但是由于使用的點云數據往往是機載數據,點密度低會導致模型結構還原度不好,只能達到LOD2級別,基于立體像對和Mesh的方法是半自動化的,模型結構通過手動建模方式獲得,貼圖從航片中自動進行映射,代表性的商業(yè)軟件有武漢智覺空間(SVS)的SVSModeler、武漢天際航的DP-Modeler,通過這兩種方式重建的模型可以解決Mesh模型底部扭曲問題,同時可以大幅減少模型三角面數量。

本文的研究路線采用了基于Mesh模型的重建單體化方式,對地物進行重建。

1 總體框架

基于Mesh模型的重建單體化的建模技術路線是:直接在傾斜攝影測量獲得的Mesh模型上進行三維特征點拾取,由點構面,由面形成體,獲得單體化三維模型結構信息;基于空三中航片的內外方位元素,利用共線方程篩選和計算模型各個面的紋理,獲得單體化三維模型的紋理信息。從而得到重建后的單體化三維模型?？傮w技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2 數據準備

本文基于實景三維模型、空三文件、傾斜攝影航片、手持拍攝照片進行三維模型重建,其中前三種文件可以在商業(yè)軟件中一次性生成。

對于通過傾斜攝影采集的航片,首先,進行預處理,排除掉有缺陷的數據,再進行勻光勻色操作,確保航片色調一致;其次，進行空中三角測量,獲得多視影像的高精度外方位元素,再基于多視影像密集匹配,獲得高密度三維點云；再根據點云構建TIN網;最后，根據空三結果,為TIN中每個三角形進行紋理計算、貼圖；最終生成實景三維模型[1]。

在生成實景三維模型后,將空三成果、實景三維Mesh模型、無畸變的傾斜攝影航片進行輸出,作為模型重建的數據源。

3 模型結構重建

3.1 Mesh模型坐標拾取原理

Mesh模型在三維環(huán)境中加載,顯示時是在以視點為原點的觀察坐標系(View Coordinate System,VCS)中,屏幕顯示為屏幕空間,用戶通過點擊屏幕上某一點,返回得到該屏幕點當前顯示的三維坐標。其算法是:點擊屏幕坐標,得到客戶區(qū)坐標;由客戶區(qū)坐標變換得到該點的VCS坐標A;從觀察點發(fā)出射線,指向A,計算該射線與三維空間中所有物體的交點,本文的拾取方法只需要返回距觀察點最近的一個交點B,此時B為VCS坐標系下的三維點,需要通過坐標變換,求得B點在世界坐標系(World Coordinate System，WCS)下的坐標B′并返回,即完成Mesh模型的坐標拾取[8]。本文使用OSG(Open Scenen Graph)實現Mesh模型的加載、顯示和坐標拾取。關鍵代碼如下:

osg::Vec3d getPos(osgViewer::View* view,const osgGA::GUIEventAdapter& ea)

{

osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections intersections;

if(view->computeIntersections(ea, intersections))

{

osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections::iterator iter

= intersections.begin();

return iter->getWorldIntersectPoint();

}

return osg::Vec3d(0.0,0.0,0.0);

}

3.2 基于Mesh模型進行結構重建

以實景三維模型作為底圖,加載到建模軟件中,根據地物的特點,每個地物重建時可以拆分為多個基本類型地物分別建模,每種基本類型地物根據其各自特點使用不同功能進行重建,以建筑物為例,其基本類型主要有:平頂房、屋脊房、女兒墻等,重建過程中輔助以不同模型加工功能,如:切割、擠出、拖拽等。重建過程中,普通樓房可以作為多邊形平定房屋進行建模,首先確定房屋基準面,即樓房頂面,在建模軟件中,可以對實景模型進行點擊拾取操作來確定坐標,確定基準面后,將視角切換至頂視圖,以垂直向下的正射視角繪制房屋輪廓線,繪制完畢后,生成輪廓面,再向下擠出生成樓房主體,一般擠出至地物附近Mesh模型的最低點,這樣可以保證重建后的模型不會與地形模型存在縫隙。主體繪制完畢后,針對陽臺等部件,對主體進行切割和擠出操作。由于是在軟件中疊加實景模型作為底圖,因此,可以實時觀察重建模型與實景模型是否吻合,同時還可以切換至航片視角,疊加航片進行對比,保證模型的還原度和精度。針對樓房頂部的電梯房等附屬結構,可把它視作小的平頂房屋進行建模,建模完畢后,將部件與主體進行合并,生成一個完整的建筑物模型。在實際操作中,為每個作業(yè)員分配一個測區(qū)進行建模,根據固定的編號規(guī)則為每個獨立地物分類編號命名。

4 模型紋理重建

由于重建模型是基于實景三維模型建立的,因此,可以直接利用傾斜航片根據空三成果對重建模型進行自動映射。重建模型是由多邊形構成的,只需要對模型的每個多邊形分別進行紋理映射即可。

4.1 紋理來源篩選

首先由于傾斜攝影的重疊度較高,模型的每個點都能對應多張航片,因此,需要對紋理進行優(yōu)選。優(yōu)選的原則有以下幾個方面:(1)像素數量,即該面在各個航片的投影,以面積最大的為優(yōu);(2)角度,以航片的朝向與面的法向量夾角,約接近180°者為優(yōu);(3)遮擋情況,以遮擋最小者為優(yōu)。實際生產中,三個條件有可能出現矛盾,遮擋最小的航片有可能與面的法向量夾角較小,所以需要針對不同航攝情況,對貼圖規(guī)則進行配置[9]。

4.2 紋理映射

紋理映射主要利用了共線方程

(1)

式中,x,y為像點的像平面坐標;x0,y0,f為影像的內方位元素;XS,YS,ZS為攝站點的物方空間坐標;XA,YA,ZA為物方點的物方空間坐標;ai,bi,ci(i=1,2,3)為影像的3個外方位角元素組成的9個方向余弦[10]。

針對單體化模型上某個面,已知面上的某點空間坐標A(X,Y,Z),利用共線方程,可以計算出該點在航片上的投影a(x,y),從而可以計算出該點的像素值。針對整個面,首先根據航片分辨率,計算該面的最優(yōu)貼圖尺寸,先生成空白貼圖,并計算該面各個節(jié)點的紋理坐標。針對空白貼圖上的每個像素點P(u,v),先計算出該點對應的WCS坐標系下的坐標P′(X,Y,Z),再利用共線方程求得其對應的航片像素坐標p(x,y),獲取到像素值后賦給像素點P,循環(huán)遍歷貼圖的每個像素可得該面完整的貼圖信息,對單體化模型的每個面進行上述計算,可完成整個單體化模型的紋理映射。

紋理映射自動完成后,需要人工進行檢查,將遮擋嚴重的紋理進行人工篩選,或調用Photoshop等圖像處理軟件進行修飾[11-12]。

4.3 紋理修飾

傾斜攝影近地面部分常常存在遮擋,因此,在重點地區(qū),如商業(yè)街、步行街、特色街區(qū)等,需要使用手持拍攝的照片進行人工紋理替換。在替換時應注意由于手持拍攝的照片拍攝距離近,其分辨率要遠高于傾斜攝影航片,因此,需要在不影響清晰度的同時,將手持拍攝圖片的紋理分辨率進行適當降低,以免出現模型紋理過大的情況。此外還需要對手持拍攝的紋理進行顏色調整,使其色調、飽和度等接近航片,以免造成視覺上的突兀感。

5 實驗與分析

本文采用某街區(qū)作為實驗區(qū),采用地面分辨率為5 cm的傾斜攝影數據,使用本文的方法針對城市中常見的居民樓、寫字樓等建筑物進行三維模型重建,實際單體化三維模型重建效果如圖2所示,單體化模型成果與傾斜影像對比如圖3所示。

圖2 單體化模型成果

圖3 影像與模型對比圖

通過單體化模型重建,能夠較好地解決建筑底部結構和紋理扭曲問題,圖4展示了同一建筑的實景模型與單體化模型,左側的實景模型存在大面積的結構扭曲和紋理變形,右側的單體化模型通過重建有效解決了此問題。

圖4 模型對比圖

本技術基于實景三維模型進行模型特征點采集,相對于傳統(tǒng)建模技術,作業(yè)人員可以直接觀察到三維實景,可觀察到的實景細節(jié)更多,采集的特征點更為豐富。傳統(tǒng)建模技術中,內外業(yè)分開進行,外業(yè)先進行建筑物底面輪廓采集、紋理信息采集,內業(yè)人員對照建筑物圖紙、輪廓信息、實拍圖像進行建模,建筑物的頂部結構在測量中無法采集,因此，常常和現實情況不相符,側面結構如陽臺、飄窗等,也和現實尺寸有出入,并且丟失許多細節(jié);采用本文技術,基于實景三維進行單體化模型重建可以很好地避免以上問題,并且可以獲得更多的模型細節(jié),建筑物的女兒墻、電梯間、老虎窗、房檐的結構都得到了精確地表達。在本實驗中,采用本文的建模方法構建單體化三維模型,相比傳統(tǒng)三維建模方式,在生產效率上提高了3倍左右,精度和還原度大大提高,經過檢驗,模型平均平面套合精度可以達到±0.20 m,高程套合精度達到±0.12 m。滿足LOD3級別模型的要求。

6 結束語

本文從生產實踐出發(fā),以實景Mesh模型為基礎,以傾斜航片為主,輔以地面拍攝照片,探索出了半自動的單體化三維模型重建方法。實驗表明,該方法實現地物的單體化模型重建,同時能夠解決實景Mesh模型底部結構扭曲紋理不清晰問題。相較傳統(tǒng)手工建模方法,模型精度和還原程度更高,同時由于貼圖采用自動化方式,效率也比傳統(tǒng)手工建模有所提高,所生產的模型能夠滿足LOD3級標準。該方法精度和效率較高,具有一定的實用價值。

本方法還有以下幾個方面需要進一步深入研究:

(1)模型建模效率可進一步提升:針對簡單結構模型,如平房、規(guī)則樓房等,需要研究參數化建模方式,在保障模型精度的情況下,利用規(guī)則庫進行自動化建模,減少一部分人工操作工作量。

(2)貼圖遮擋問題需進一步解決:本方法中重建模型由多邊形構成,紋理映射也是針對每個面進行映射,紋理映射時存在一定比例遮擋的情況,需要研究自動化算法,減少或避免紋理遮擋情況,能大大減少人工修改,進一步提升效率。