基于傾斜攝影的建模研究與應(yīng)用

艾則爾江?吾麥爾 胡小強(qiáng)

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.031

收稿日期：2023-05-31

摘? 要：采用無人機(jī)航拍的大場景建?？山鉀Q大場景中建模成本高、效率低等問題。文章以高校校園為試驗(yàn)區(qū)，通過傾斜航拍的方法獲取校內(nèi)大場景建筑及場地的圖像，選取Context Capture處理航拍數(shù)據(jù)，分析建模中存在的問題。后續(xù)將會(huì)開展虛擬校園交互漫游，將校園標(biāo)志性建筑模型打印出來，用以提高學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多維利用的目的。

關(guān)鍵詞：Context Capture；三維建模；場景應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP39? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）01-0146-05

Research and Application of Modeling Based on Oblique Photography

Aizeerjiang·Wumaier， HU Xiaoqiang

（Jiangxi Science and Technology Normal University， Nanchang? 330038， China）

Abstract： The use of drone aerial photography for large-scale scene modeling can solve the problems of high modeling cost and low efficiency in large-scale scenes. This paper takes university campuses as experimental areas， obtains images of large-scale buildings and venues on campus through oblique aerial photography， selects Context Capture to process aerial data， and analyzes the problems in modeling. In the future， virtual campus interactive roaming will be carried out to print out iconic building models on campus， in order to improve students' classroom learning experience and achieve the goal of multi-dimensional utilization.

Keywords： Context Capture; 3D modeling; scenario application

0? 引? 言

隨著航拍無人機(jī)的日益普及以及航拍軟件智能化程度的提高，航拍建模技術(shù)逐漸深入到各種應(yīng)用場景，傳統(tǒng)的三維建模工作量大，屬于勞動(dòng)密集型效率低下的作業(yè)方式，在大面積場景中無法快速處理數(shù)據(jù)和有效開展大規(guī)模作業(yè)。傳統(tǒng)的三維建模通常采用3DS Max Auto CAD等軟件，存在周期長、成本高，與客觀實(shí)物有所差距等問題。傳統(tǒng)的平面二維校園無法展示出更多的立體細(xì)節(jié)，也無法滿足現(xiàn)如今人們的視覺需求。傾斜航拍建模具有高效、精確、目標(biāo)遮擋小等優(yōu)點(diǎn)，已成為廣受青睞的建模方式，相對(duì)于平面二維校園展示，三維校園建?？梢远喾轿?、多角度、直觀逼真地展示校園風(fēng)貌，宣傳校園文化。通過三維交互用戶可以實(shí)現(xiàn)更加自主的漫游，獲得身臨其境的感受，也可以較為直觀地獲取各個(gè)場地和建筑物的功用，而航拍建模以高精度、高清晰、大范圍的模式全面感知復(fù)雜場景，這種主流的三維建?？梢杂行Ы鉀Q傳統(tǒng)建模的痛點(diǎn)問題。

1? 航拍建模的準(zhǔn)備與流程

1.1? 設(shè)備與準(zhǔn)備工作

基于傾斜攝影的無人機(jī)有很多種選擇，主要考慮的因素有無人機(jī)的成像質(zhì)量、穩(wěn)定性（防抖）、飛行續(xù)航時(shí)間等。本項(xiàng)目采用大疆DJI AIR 2S無人機(jī)，搭載2 000萬像素1英寸COMS相機(jī)，需要選取適宜的天氣和光照條件，同時(shí)還要儲(chǔ)備足夠的電量保證長時(shí)間的連續(xù)飛行。無人機(jī)所搭載相機(jī)的像素質(zhì)量和建模質(zhì)量呈正比，像素越高成像質(zhì)量越好，所得到的模型效果圖也更加精細(xì)。

1.2? 飛行計(jì)劃

選取某高校校園為作業(yè)區(qū)，作業(yè)區(qū)面積為1 700畝，計(jì)為1.13平方千米。將作業(yè)區(qū)域劃分為多個(gè)區(qū)域，有利于更好地進(jìn)行任務(wù)分工以及提高作業(yè)效率。筆者將作業(yè)區(qū)劃分為四個(gè)部分，分別為A、B、C、D區(qū)域。作業(yè)區(qū)C、D區(qū)域分布著較為密集的學(xué)生寢室樓棟，基本為長方形建筑，B中心區(qū)域建筑有圖書館、體育館等大型獨(dú)棟建筑，外圍遍布高層住宅樓群，A作業(yè)區(qū)湖泊占地面積大且周圍護(hù)校河較長。

1.3? 飛行流程

間隔時(shí)間越短（2～5秒為宜）模型精度越高。筆者設(shè)定2秒一張（最短連拍間隔）的連拍模式，因?yàn)镃ontext Capture要求兩張圖片間隔之間的連接點(diǎn)位不小于9個(gè)，如果圖片間隔過大，會(huì)被定義為無效數(shù)據(jù)，所以2秒連拍可以獲得兩張圖片之間9個(gè)以上的連接點(diǎn)。如圖1所示，綠色小圓點(diǎn)為傾斜航拍攝影點(diǎn)，提取空間三維數(shù)據(jù)，采用交疊環(huán)繞法進(jìn)行密集連拍，保證連接點(diǎn)延續(xù)不斷以此提高建模質(zhì)量。在拍攝聯(lián)排相同建筑時(shí)，兩個(gè)不同的位置可能會(huì)拍到相似的照片，導(dǎo)致建模計(jì)算出錯(cuò)，而田字法拍攝可以有效解決這種問題。對(duì)于圖書館、大學(xué)生體育活動(dòng)中心等獨(dú)立大型建筑，可使用交疊環(huán)繞法進(jìn)行拍攝，拍攝高度為20米，攝像頭調(diào)整為30°～45°，以便獲得更好的成圖質(zhì)量，提高三維建模的精度。拍攝建模方法如圖2所示。

2? 建模軟件合成

2.1? 建模軟件對(duì)比

目前，Context Capture、PhotoScan、大疆智圖是業(yè)界主流的傾斜攝影建模平臺(tái)，三者各具特色，在建模速度、模型精度、工作量等方面對(duì)三款軟件進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)項(xiàng)目需求做出選擇。ContextCapture是能夠快速處理運(yùn)算三維場景模型的軟件，僅需前期的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和運(yùn)算設(shè)置便可通過有效的二維數(shù)據(jù)獲得原始實(shí)景三維立體模型。無論視頻還是照片，在Context Capture軟件上，經(jīng)過一系列的空三運(yùn)算即可得到各種格式的三維模型、正射影像、數(shù)字地表模型。經(jīng)綜合考慮選擇Context Capture作為校園實(shí)景三維模型建模平臺(tái)。在模型創(chuàng)建過程中，由于受到航攝盲區(qū)、相片質(zhì)量及POS參數(shù)準(zhǔn)確度等因素的影響，會(huì)造成模型部分區(qū)域出現(xiàn)空洞、扭曲、映射錯(cuò)誤、紋理丟失等現(xiàn)象。無人機(jī)經(jīng)過多次飛行任務(wù)，共得到546張高清圖片，其中75張顯示為無效素材，自動(dòng)選取471張有效素材進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入并運(yùn)行CC進(jìn)行空中三角自動(dòng)計(jì)算處理，筆者使用的Context Capture為2023年4月最新發(fā)布的23版本，該版本在重建效率和空三方面進(jìn)行了升級(jí)，同時(shí)還新增了地面提取和特征提取功能，重建速度提升了25%，可以通過上傳照片定位參數(shù)來矯正模型姿態(tài)。此外，界面UI支持4K分辨率，提高了建模紋理貼圖成像質(zhì)量。

以546張傾斜航拍素材為例，在沒有其他軟件應(yīng)用運(yùn)行和干擾以及計(jì)算機(jī)每次單一運(yùn)行單個(gè)航拍建模的情況下，運(yùn)用三大軟件進(jìn)行航拍建模，其中Context Capture耗時(shí)96分鐘，大疆智圖耗時(shí)127分鐘，Photoscan耗時(shí)139分鐘。Context capture生成的模型大小為44 MB，大疆智圖生成的模型大小為35 MB，PhtoScan生成的模型大小為249 MB。Context Capture生成的模型數(shù)據(jù)量較大，較為精細(xì)，工作量較少輸出快捷，支持16種輸出格式，PhotoScan支持的輸出格式為10種，而大疆智圖支持的輸出格式僅為6種。

采用有效素材進(jìn)行空中三角測量，根據(jù)需要選擇合適的格式，筆者使用3MX和FBJ格式導(dǎo)出，經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)算即可在3D View中查看建模效果，也可以在Context Capture Viewer中瀏覽構(gòu)建好的各種模型。

2.2? Context Capture優(yōu)勢

經(jīng)過模型修補(bǔ)，最終得到作業(yè)區(qū)的校園實(shí)景三維模型，通過Context Capture Viewer便可以展示完整模型。Context Capture可以快速輕松地處理任何比例的網(wǎng)格模型，進(jìn)行各類地形和經(jīng)緯度信息的提取，進(jìn)行正射影像、三維PDF和iModel的生成。它可以將網(wǎng)格模型與GIS和工程數(shù)據(jù)集成，以在網(wǎng)格模型的視覺環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息的搜索、導(dǎo)航、可視化和動(dòng)畫?？梢耘c工程模型相結(jié)合，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行增強(qiáng)、分割、分類。Context Capture可以從多種來源中生成非常龐大的可縮放地形模型，包括點(diǎn)云、斷裂線、光柵數(shù)字高程模型和三角形化不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)。通過與原始數(shù)據(jù)源同步，可縮放地形模型可實(shí)時(shí)更新到最新版本。這樣做的價(jià)值在于擁有所有數(shù)據(jù)的全局、最新和綜合表示，并用于以各種顯示模式執(zhí)行分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫和可視化效果。因此，Context Capture可以更好地評(píng)估點(diǎn)云，生成更加精確的模型，還可以生成用于展示的動(dòng)畫和渲染。

3? 后期修模工作

3.1? 對(duì)鏡面材質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)洞

表面材質(zhì)特殊（如河流、湖泊、樹林、建筑物反光玻璃等材質(zhì)）會(huì)造成模型空洞、扭曲，三維模型建模完成后會(huì)有一些地方的效果不太理想，這是由于特征點(diǎn)較少，在計(jì)算時(shí)很難匹配正確，導(dǎo)致輸出的水面模型通常是支離破碎的。如圖3所示，深灰色部分為湖面反光造成的模型面空洞。針對(duì)這一情況使用軟件自帶的約束工具，手動(dòng)為水面添加平面約束，這樣重新輸出的水面模型就會(huì)變得平整，重建后的水面空洞就會(huì)消失。針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)景進(jìn)行三維建模實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失區(qū)域的補(bǔ)漏，效果如圖4所示。

3.2? 對(duì)紋理缺失進(jìn)行補(bǔ)拍

另一類問題是原始照片數(shù)量過少、照片拍攝質(zhì)量不佳或重疊度不夠造成的模型紋理缺失，可通過對(duì)紋理質(zhì)量不佳或者是缺失的區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)補(bǔ)拍，并且要針對(duì)缺失區(qū)域多拍攝高質(zhì)量照片，以更好地與原模型缺失區(qū)域進(jìn)行拼接和補(bǔ)漏。接下來再重復(fù)建模便可得到完整模型。

3.3? 項(xiàng)目切塊所需內(nèi)存問題

如果在Context Capture中進(jìn)行空三計(jì)算之前不進(jìn)行正確的設(shè)置，會(huì)造成任務(wù)失敗或任務(wù)中止。經(jīng)過模塊切片參數(shù)設(shè)置后，軟件會(huì)提示建模所需內(nèi)存大小。如計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量等于或大于切片任務(wù)所需的內(nèi)存容量，可以正常進(jìn)行完整面積的建模任務(wù)。如計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量小于或等于切片任務(wù)所需的內(nèi)存容量，則會(huì)導(dǎo)致建模中斷和失敗，即便建模成功也會(huì)存在模型殘缺。所以要根據(jù)所使用計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如果計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量小于等于切片任務(wù)所需內(nèi)存容量，需要在自適應(yīng)切塊、規(guī)則平面切塊、規(guī)則立體切塊三種方式中任選其一完成切片任務(wù)。進(jìn)行任務(wù)運(yùn)算時(shí)，如選擇自適應(yīng)切塊，則容易導(dǎo)致任務(wù)失敗。筆者首先采用規(guī)則平面切塊，預(yù)計(jì)使用內(nèi)存59 GB，而計(jì)算機(jī)內(nèi)存為16 GB，導(dǎo)致3個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)中斷，人工取消后還出現(xiàn)了6次任務(wù)失敗并提示內(nèi)存空間不足，建?？偤臅r(shí)達(dá)6小時(shí)，于是更換了64 GB的電腦，通過9小時(shí)的重新建模，保證了建模任務(wù)的成功完成，最終得到渲染模型。切片參數(shù)設(shè)置操作流程如圖5所示。

4? 大場景建模應(yīng)用

4.1? 開發(fā)虛擬校園

隨著元宇宙時(shí)代的到來，VR應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。以FBX或OBJ格式將所建模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D或Unreal Engine 5的內(nèi)容文件夾，便可以進(jìn)行場景搭建，控制模型的大小，改變模型的角度，改變模型的貼圖紋理和顏色，添加光效以及模擬各類天氣氣候，還可以增加綠化面積，設(shè)置虛擬人校園引導(dǎo)和講解校園歷史，通過模擬晝夜動(dòng)態(tài)變化，加入夜景效果展示校園夜景。導(dǎo)入的FBX大場景建模模型可添加第三人稱游戲角色人物來進(jìn)行場景漫游和場景交互，也可通過Unreal Engine 5的藍(lán)圖交互功能用于其他交互場景并應(yīng)用到安卓端和PC端。如果開發(fā)者想要開發(fā)其他的功能和交互，則可借助前期場景環(huán)境進(jìn)行自由創(chuàng)作，后期可通過VR頭盔體驗(yàn)VR校園，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，使用戶能夠切實(shí)感受逼真的三維校園場景，與此同時(shí)通過多模態(tài)交互使用戶獲得游戲般的體驗(yàn)感。

4.2? 應(yīng)用于課堂教學(xué)

4.2.1? 三維打印流程

筆者使用的3D打印機(jī)為極光爾沃JGmaker-Artist-

D Pro，該打印機(jī)具有獨(dú)立雙噴頭，支持OBJ、STL、G-code三種模型格式，使用PLA耗材，通過切片軟件Ultimaker Cura 5.2，先將OBJ或STL格式模型導(dǎo)入到該軟件內(nèi)，再將打印機(jī)的打印尺寸設(shè)置為300 mm×

300 mm×340 mm，耗材直徑設(shè)置為1.75 mm。將縮放比例調(diào)整為65，筆者打印的規(guī)格是15 cm×10 cm×

8 cm，打印耗時(shí)為25小時(shí)24分鐘，切片完成的模型需要以全英文命名且格式會(huì)變成G-code格式，將其復(fù)制或剪切到3D打印機(jī)的SD卡里，將SD卡插入到3D打印機(jī)，再通過一些設(shè)置打印出模型。

4.2.2? 三維打印遇到的問題與對(duì)策

打印之前需要將設(shè)備自動(dòng)調(diào)平即間隙調(diào)平，調(diào)平失敗或間隙過大過小都會(huì)影響模型的成型和質(zhì)量，打印噴頭與打印床面間隙過大會(huì)導(dǎo)致耗材不規(guī)則黏著在打印床面引起打印錯(cuò)亂，打印噴頭與打印床面間隙過小會(huì)導(dǎo)致耗材無法規(guī)則擠出噴頭或耗材阻塞在噴頭內(nèi)部無法擠出成型，筆者使用單噴頭模式將噴頭1預(yù)熱到PLA材料的熔點(diǎn)210 ℃，再將熱床加熱到50 ℃，將間隙調(diào)整為750 mm，打印速度調(diào)為30～60 mm每秒，如果噴頭達(dá)不到指定溫度將擠不出打印耗材，熱床達(dá)不到指定溫度將影響打印模型基面貼合，會(huì)造成中心不穩(wěn)或容易松動(dòng)導(dǎo)致模型無法穩(wěn)定下來，進(jìn)而導(dǎo)致打印失敗，所以只有待預(yù)熱溫度達(dá)到指定值時(shí)耗材才能夠被均勻擠出，經(jīng)過一天時(shí)間的打印，模型成型，如圖6所示為打印完成的成型模型。隨后需要拿小鐵鏟從模型底部開始鏟出模型，再使用銼刀和剪刀對(duì)模型進(jìn)行打磨和美化處理，以便于更好地進(jìn)行展示。如底色為白色，則可以用顏色筆將模型涂成與原物相似的顏色，增加模型的美觀性和觀賞性，如圖7所示為采用涂色筆進(jìn)行色彩還原和模型上色。3D建模對(duì)3D打印有鋪墊作用，模型的精細(xì)程度決定著打印成品的質(zhì)量，最后應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)課堂分享案例展示。

5? 結(jié)? 論

無人機(jī)大場景建模是如今主流的三維建模方式，作業(yè)流程簡單、節(jié)省人力等無不體現(xiàn)出該技術(shù)的便捷性。通過Context Capture得到三維模型之后將其導(dǎo)入虛幻引擎，物理模型在虛擬空間中得到完整的映射，還可結(jié)合使用傳感器設(shè)備進(jìn)行校園環(huán)境數(shù)據(jù)采集，讓高校與現(xiàn)實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)同步并準(zhǔn)確地將真實(shí)數(shù)據(jù)反映到虛擬世界中。與此同時(shí)，數(shù)字模型的開發(fā)與應(yīng)用也極大地推進(jìn)了校園數(shù)字文化建設(shè)工作，更加接近于高質(zhì)量高校建設(shè)的目標(biāo)，后期通過FBX模型導(dǎo)入到U3D或UE5里，進(jìn)一步編輯開發(fā)VR全景校園，讓用戶使用頭盔便可置身于校園，也可助力開發(fā)元宇宙校園，讓元宇宙空間中的校園三維模型可供多人進(jìn)行素材的補(bǔ)充和編輯，且不會(huì)出現(xiàn)信息無法得到及時(shí)更新的問題，可隨時(shí)隨地與現(xiàn)實(shí)中的校園最新狀態(tài)保持同步，讓航拍建模技術(shù)有無窮的開發(fā)和應(yīng)用空間。綜上所述，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)大場景建模應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，航拍建模不僅僅是建模本身，而是將模型運(yùn)用到更多的技術(shù)層面和領(lǐng)域，進(jìn)行更深的挖掘和探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮增文，李珂，李梓豪，等.低空無人機(jī)的傾斜攝影測量技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)中的應(yīng)用 [J].測繪通報(bào)，2020（9）：42-45.

[2] 李騰飛.無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用研究 [J].福建建筑，2018（12）：98-101.

[3] 徐杰，聶洪斌．無人機(jī)攝影測量在防波堤塊體驗(yàn)收中的應(yīng)用 [J]．廣東土木與建筑，2020，27（5）：84-87．

[4] 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院無人機(jī)研究小組．我國無人機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析 [J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2020（7）：10-19.

[5] 張慧瑩，董春來，王繼剛，等.基于Context Capture的無人機(jī)傾斜攝影三維建模實(shí)踐與分析 [J].測繪通報(bào)，2019（S1）：266-269

[6] JAYATHUNGA S，OWARI T，TSUYUKI S. Analysis of forest structural complexity using airborne LiDAR data and aerial photography in a mixed conifer–broadleaf forest in northern Japan [J].Journal of Forestry Research，2018，29（2）：473-487.

[7] 陳少祥，何欽，周聰，等.基于三維建模手段的多模型融合應(yīng)用探索 [J]．廣東土木與建筑，202l，28（2）：l-4+12.

[8] 顧磊．傾斜攝影測量技術(shù)在農(nóng)村不動(dòng)產(chǎn)權(quán)籍調(diào)查中的應(yīng)用以及實(shí)例分析 [J]．安徽建筑，2021，28（7）：225-226.

[9] 于麗麗.基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的城市三維實(shí)景建模研究 [J].測繪與空間地理信息，2021，44（5）：86-88.

[10] 付帥，任寧寧，劉佳琦，等.基于“無人機(jī)+Context Capture”技術(shù)構(gòu)建三維實(shí)景智慧園區(qū)的實(shí)踐研究 [J].電子元器件與信息技術(shù)，2023，7（8）：228-232+236.

作者簡介：艾則爾江·吾麥爾（1996.01—），男，維

吾爾族，新疆阿克蘇人，助教，碩士研究生，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)與多媒體技術(shù)；胡小強(qiáng)（1970.11—），男，漢族，江西南昌人，碩士，教授，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。