傾斜攝影三維建模及不同軟件修模效果分析

朱立波，黃文騫，石志遠(yuǎn)，胡澤群，李澤宇

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018；2.91937部隊(duì)，浙江 寧波 315000）

近年來(lái)，傾斜攝影技術(shù)快速發(fā)展，使得影像的獲取不再受限于垂直角度拍攝，而是通過(guò)多個(gè)角度采集影像數(shù)據(jù)以獲取更加豐富的地物信息[1]，但在實(shí)景三維建模過(guò)程中，自動(dòng)化生成的三維模型效果往往差強(qiáng)人意，常出現(xiàn)水面、墻面、玻璃等物體模型破洞，車(chē)輛、施工塔吊等移動(dòng)物體異常匹配，規(guī)則建筑物輪廓變形，以及出現(xiàn)大量懸浮物等問(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究[2-5]。但是，這些研究采用的軟件較為單一，對(duì)于三維模型常見(jiàn)問(wèn)題及修模步驟總結(jié)得不夠系統(tǒng)，也不夠全面。

本文對(duì)傾斜攝影三維建模的關(guān)鍵步驟展開(kāi)討論，針對(duì)三維模型的缺陷進(jìn)行問(wèn)題總結(jié)分類(lèi)并進(jìn)行原因分析，通過(guò)Dp-Modeler、Meshmixer 及模方軟件進(jìn)行模型修飾并展開(kāi)修模效果對(duì)比分析，由此為建立精細(xì)化模型提供解決方法和技術(shù)參考。

1 傾斜攝影三維建模

利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模的流程主要包括影像數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、空中三角測(cè)量、三維重建以及模型修飾等。圖1 顯示的是傾斜攝影三維建模的基本流程。

圖1 傾斜攝影三維建模流程

1.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)相較于傳統(tǒng)單方向（垂直）攝影測(cè)量，其實(shí)質(zhì)是同時(shí)從垂直和傾斜角度對(duì)地物進(jìn)行拍攝，數(shù)據(jù)可以由同一平臺(tái)搭載多個(gè)傳感器，也可由單鏡頭的無(wú)人機(jī)通過(guò)布設(shè)多航向航線或環(huán)繞航線進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要針對(duì)原始影像以及POS數(shù)據(jù)，對(duì)于原始影像，需要對(duì)其進(jìn)行對(duì)比度、曝光以及色彩等的調(diào)整，使得影像數(shù)據(jù)更加清晰、色彩和諧、層次分明，另外需要保證影像數(shù)據(jù)不能重名。對(duì)于POS 數(shù)據(jù)，原始POS數(shù)據(jù)信息要與影像數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，支持后差分模塊的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，后期需要進(jìn)行差分解算，以獲取更高精度的POS成果。

1.2 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是利用少量控制點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)連接在一起，進(jìn)而通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差獲取影像的外方位元素以及加密點(diǎn)的平面和高程坐標(biāo)[8]。

在數(shù)據(jù)處理軟件中，首先導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)以及設(shè)置相機(jī)參數(shù)，軟件會(huì)對(duì)影像進(jìn)行大量的特征點(diǎn)計(jì)算提取，然后進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，完成相對(duì)定向；最后需將外業(yè)控制點(diǎn)刺入影像中，利用這些點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，一般采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，由此解出每張相片的外方位元素和各加密點(diǎn)的地面坐標(biāo)，完成絕對(duì)定向[9]。

1.3 三維重建

三維重建主要包括多視影像密集匹配、構(gòu)建TIN網(wǎng)、紋理映射幾個(gè)關(guān)鍵步驟。經(jīng)過(guò)空三加密后，得到大量密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由此計(jì)算出不規(guī)則的三角形TIN 網(wǎng)，生成三維模型的白模，最后通過(guò)紋理映射，得到實(shí)景三維模型。

三維模型自動(dòng)生成數(shù)據(jù)量大，對(duì)電腦配置的要求比較高，提交重建任務(wù)需要根據(jù)電腦配置以及模型場(chǎng)景將模型進(jìn)行瓦片劃分，另外可以采用集群計(jì)算機(jī)的方式，這樣可大幅提高三維重建效率。

1.4 模型修飾

通過(guò)軟件自動(dòng)化生產(chǎn)出的三維模型，由于受到遮擋、反光、運(yùn)動(dòng)物體、大面積純色物體以及一些特殊地物的影響，就會(huì)出現(xiàn)模型的破洞、變形、碎片、凹凸不平等情況，因而需要借助一些軟件對(duì)模型進(jìn)行修飾，由此獲取精細(xì)化的三維模型。

2 實(shí)景三維模型常見(jiàn)問(wèn)題分類(lèi)

2.1 三維模型破洞

模型破洞在實(shí)景三維模型中是最常見(jiàn)的問(wèn)題之一，雖然三維建模軟件擁有一些簡(jiǎn)單的修模功能，可以自動(dòng)識(shí)別填充一些破洞，但是效果欠佳，仍需要后期進(jìn)行處理。破洞問(wèn)題產(chǎn)生的原因可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是原始照片數(shù)量不足，主要由于地物遮擋或者照片重疊度不夠等原因造成的。地物遮擋可能存在于地物之間的縫隙，也可能存在于一些特殊構(gòu)造的地物上；照片重疊度不夠則可能是由于地物處于測(cè)區(qū)邊緣，也可能是由于定高飛行時(shí)地物相對(duì)較高導(dǎo)致較平地區(qū)域擁有較低的照片重疊度。另一類(lèi)是弱紋理表面，主要包括水面、純色墻體、玻璃、大片的沙灘及草原等，這類(lèi)表面特征點(diǎn)較少，使得照片難以匹配甚至匹配錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致破洞的產(chǎn)生。

2.2 懸浮物

在軟件進(jìn)行空三加密生成密集點(diǎn)云時(shí)，由于影像質(zhì)量欠佳或者一些地物的特殊結(jié)構(gòu)，如形狀過(guò)細(xì)、鏤空地物等，使得在進(jìn)行密集點(diǎn)云匹配時(shí)難以進(jìn)行匹配，構(gòu)建的三角網(wǎng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致懸浮物的產(chǎn)生。

2.3 移動(dòng)物體異常匹配

在攝影測(cè)量的過(guò)程中，道路上的車(chē)輛、施工的塔吊等地物一直保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這使得軟件在進(jìn)行影像密集匹配時(shí)難免出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，從而造成移動(dòng)物體的幾何模型出現(xiàn)扭曲變形、道路凹凸不平等，在紋理映射時(shí)也會(huì)因?yàn)榧y理粘貼錯(cuò)誤而導(dǎo)致紋理混亂的情況出現(xiàn)[10]。

2.4 規(guī)則物體變形

受照片分辨率、弱紋理表面、照片數(shù)量不足以及軟件自身算法等因素的影響，難免無(wú)法絕對(duì)精準(zhǔn)地進(jìn)行點(diǎn)云匹配，使得在三維模型中出現(xiàn)扭曲變形，這在一些規(guī)則物體表面更為直觀地表現(xiàn)出來(lái)，如道路的引導(dǎo)線、規(guī)則建筑物的輪廓等。

3 不同軟件修模效果對(duì)比分析

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況及軟件介紹

本文的實(shí)驗(yàn)研究區(qū)域位于遼寧省大連市琥珀灣，整個(gè)測(cè)區(qū)面積大約0.1 km2，飛行器采用精靈4pro，使用配套的DJI Terra進(jìn)行飛行控制，航高設(shè)置為120 m，飛行速度設(shè)置為5 m/s，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，相機(jī)使用精靈4pro自帶的V2.0相機(jī)，共獲取81張?jiān)加跋駭?shù)據(jù)。后期數(shù)據(jù)處理所使用的電腦是LENOVO 30DJS8HX00 計(jì)算機(jī)，其采用了Windows 1 064 位操作系統(tǒng)，搭載了i9-10900 處理器，運(yùn)行內(nèi)存為128 GB，機(jī)身內(nèi)存為10 T，可以穩(wěn)定、高效地完成實(shí)景三維建模及模型修飾工作。本文通過(guò)瞰景Smart 3D軟件進(jìn)行自動(dòng)化三維建模得到obj及osgb格式的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，從中選取幾個(gè)存在模型問(wèn)題的典型場(chǎng)景用于模型修飾實(shí)驗(yàn)。

本文主要選取目前業(yè)內(nèi)流行的Dp-Modeler、Meshmixer及模方軟件這三款修模軟件展開(kāi)研究分析。

Dp-Modeler是一套基于多影像進(jìn)行快速、精確三維建模、Mesh網(wǎng)格模型修飾的軟件。該建模軟件支持多種模型格式、三角網(wǎng)格的局部修改、模型紋理自動(dòng)映射等功能，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市大規(guī)模快速三維建模、工程竣工測(cè)量與土地的精確建模等相關(guān)領(lǐng)域。

Meshmixer 是一款被廣泛應(yīng)用的三維模型設(shè)計(jì)軟件，支持三角網(wǎng)的增減調(diào)節(jié)、模型的編輯變換，主要有模型的切割、拼接、修補(bǔ)、剝殼、著色、刪除懸浮物等功能，另外還可以對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，添加支撐以備打印。

模方軟件是國(guó)內(nèi)一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)實(shí)景三維模型的冗余碎片、水面殘缺、道路不平、標(biāo)牌破損、紋理拉伸模糊等共性問(wèn)題研發(fā)的實(shí)景三維模型修復(fù)編輯軟件，為實(shí)景三維模型修飾提供了較好的解決方案。

3.2 修模效果對(duì)比分析

在三維模型破洞修復(fù)上，以水面修飾為例，Dpmodeler可以先將水域區(qū)域選中擬合到平面，以此避免水面的凹凸不平，然后再通過(guò)補(bǔ)洞工具及紋理修飾操作完成水面修飾，另外也可以直接用準(zhǔn)備好的紋理圖替換待修飾的水面區(qū)域；模方將水面修飾分為繪制水面范圍、調(diào)整水岸線、確認(rèn)水岸線、選取島嶼、選取色彩、瓦片操作6個(gè)步驟，只需按照軟件提示進(jìn)行操作即可，在Dp-modeler中也有水面修飾功能，但是并不是流程化的操作，不易掌握；Meshmixer 首先需要對(duì)凹凸不平的水面進(jìn)行置平，工具中的磨平筆刷對(duì)于道路這種起伏不大的平面置平效果還不錯(cuò)，但是對(duì)于起伏較大的水面失去置平的效果，在補(bǔ)洞方面，自動(dòng)補(bǔ)洞不可能很好地檢測(cè)并修復(fù)所有破洞，需要用到編輯工具中的填補(bǔ)功能，另外在紋理修飾方面，軟件不能聯(lián)動(dòng)其他修圖軟件。三款軟件對(duì)于水面修飾的修模效果如圖2所示。

圖2 Dp-modeler、模方與Meshmixer水面修復(fù)效果比較

在對(duì)懸浮物的剔除上，Dp-modeler采用選取懸浮物工具，通過(guò)設(shè)置最小組件比例自動(dòng)篩選出所選tile中的所有懸浮物，最后完成剔除懸浮物的操作；模方則是通過(guò)刪除小碎片工具，顯示所有碎片并完成碎片的剔除操作；Meshmixer 通過(guò)分析工具的檢查器功能實(shí)現(xiàn)懸浮物的自動(dòng)篩選，但是該工具僅支持單個(gè)tile的操作。三款軟件對(duì)于懸浮物的剔除效果如圖3所示。

圖3 Dp-modeler、模方與Meshmixer懸浮物剔除效果比較

從圖3中可以看出，三款軟件均可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化剔除懸浮物，且均能達(dá)到不錯(cuò)的效果，但是Meshmixer 只能針對(duì)單一tile 進(jìn)行操作，而且在操作中偶爾會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤填補(bǔ)破洞，處理速度也相對(duì)較慢。

在移動(dòng)物體異常匹配上，以道路上移動(dòng)的車(chē)輛為例，Dp-modeler 首先通過(guò)擬合到平面工具將道路置平，然后通過(guò)Mesh 紋理修改工具調(diào)用PS 進(jìn)行紋理的修飾；模方中有道路置平工具和表面置平工具，直接框選范圍區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)置平，紋理修飾可以通過(guò)調(diào)用PS進(jìn)行處理，也可以通過(guò)設(shè)置空三文件，然后系統(tǒng)自動(dòng)挑選出合適影像進(jìn)行映射；Meshmixer 在選擇處理區(qū)域后通過(guò)平面切割工具對(duì)高出地面區(qū)域的物體進(jìn)行切割完成區(qū)域置平，或者也可以直接刪除異常匹配物體然后再進(jìn)行補(bǔ)洞，不具備紋理修飾功能。三款軟件對(duì)于移動(dòng)物體異常匹配的修模效果如圖4所示。

圖4 Dp-modeler、模方與Meshmixer移動(dòng)物體異常匹配修模效果比較

從圖5 中可以看出，Dp-modeler、模方在移動(dòng)物體異常匹配上的修模效果都挺不錯(cuò)，但在操作便捷性上還是模方軟件比較占優(yōu)勢(shì)；Meshmixer 對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題的解決則略加繁瑣，且質(zhì)量效果不佳。

圖5 Dp-modeler、模方與Meshmixer規(guī)則物體變形修復(fù)效果比較

在規(guī)則物體變形上，以規(guī)則建筑物為例，建筑物的扭曲變形常常體現(xiàn)在建筑物輪廓上，Dp-modeler可以通過(guò)墻線拉直工具對(duì)墻線進(jìn)行矯正，也支持一體化模型構(gòu)建，將建筑物通過(guò)線面工具繪制出來(lái)后再進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，從而得到精細(xì)化的單體模型，但是對(duì)于單鏡頭影像，易出現(xiàn)因影像數(shù)據(jù)不足而導(dǎo)致自動(dòng)紋理映射失敗；模方中的立面修正工具同樣可以對(duì)建筑物進(jìn)行繪制，并提供融合到整體模型、從整體模型中挖除及不融合到整體模型3 種選擇，同樣支持自動(dòng)紋理映射功能；Meshmixer 對(duì)于墻面的不平整可以通過(guò)磨平筆刷進(jìn)行平整，但是效果并不理想，也不支持對(duì)于變形墻線的拉直等操作，修復(fù)效果相對(duì)較差。三款軟件對(duì)于規(guī)則物體變形的修模效果如圖5所示。

在軟件功能上，Dp-modeler功能比較強(qiáng)大，對(duì)于同一種模型問(wèn)題擁有更多的解決方案，這在一定程度上拓寬了軟件模型修飾的功能；模方軟件的功能主要針對(duì)三維模型的共性問(wèn)題，對(duì)各類(lèi)問(wèn)題提供了直觀便捷的解決方案，功能基本滿(mǎn)足實(shí)景三維模型的修復(fù)；Meshmixer 的功能更多偏向于模型的設(shè)計(jì)，主要用于編輯修改以及拼接模型，對(duì)于傾斜攝影實(shí)景三維模型修復(fù)的適用性相對(duì)要弱一些。另外，Dp-modeler和模方軟件都可以直接聯(lián)動(dòng)Photoshop 軟件進(jìn)行紋理修飾，也支持一鍵式紋理自動(dòng)映射，但是Meshmixer 需要第三方修圖軟件進(jìn)行操作，因此Meshmixer 在紋理修飾上比較欠缺。

在使用便捷性方面，模方軟件的使用最具有友善性及便捷性，對(duì)于一些模型問(wèn)題的解決直接一鍵操作或以步驟化的形式列舉出來(lái)，比較直觀方便；Dp-modeler則專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，使用起來(lái)不太容易操作；Meshmixer 有一些簡(jiǎn)單使用的功能，但是對(duì)于模型常見(jiàn)問(wèn)題的解決需要熟練掌握多個(gè)工具的組合，在初期使用起來(lái)會(huì)比較困難。

在處理效率上，Dp-modeler和模方對(duì)于加載和處理常規(guī)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)都比較高效，但是從處理模型共性問(wèn)題的便捷性和速度來(lái)看，模方還是相對(duì)占一定優(yōu)勢(shì)，另外，模方的多瓦片聯(lián)合處理功能極大提高了處理效率和處理效果質(zhì)量，因此顯得更加高效；Meshmixer 加載一定數(shù)量的瓦片數(shù)據(jù)后，就會(huì)出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，單瓦片的處理極大限制了處理效率，處理效率相對(duì)較低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)三維模型常見(jiàn)問(wèn)題總結(jié)分類(lèi)并進(jìn)行原因分析，利用業(yè)內(nèi)三款典型軟件進(jìn)行模型修飾，并對(duì)不同軟件修模效果展開(kāi)對(duì)比分析，結(jié)果表明：對(duì)于三維模型出現(xiàn)的幾類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題，Dp-Modeler軟件修復(fù)效果較佳，工具豐富，解決問(wèn)題方案多樣，但操作較為繁雜。而模方修復(fù)效果較佳，操作直觀便捷，處理效率上也占一定優(yōu)勢(shì)，但工具較Dp-Modeler 相對(duì)較少。Meshmixer 主要側(cè)重于模型設(shè)計(jì)，對(duì)于三維模型修復(fù)的適用性相對(duì)較弱，修復(fù)效果也差一些。隨著實(shí)景三維建模技術(shù)的不斷成熟，傳統(tǒng)的測(cè)繪地理信息產(chǎn)品早就難以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于精細(xì)化模型的需求，選擇可靠高效便捷的軟件進(jìn)行模型修飾直接影響著后期的作業(yè)效果及作業(yè)效率。本文選擇的三款軟件具有修模的典型性，總結(jié)提出的常見(jiàn)模型問(wèn)題修模思路也比較清晰，可供相關(guān)人員參考借鑒。