基于Cyclone的三維建模研究

樊 琦，姚頑強，陳 鵬，2

(1.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西西安710054;2.大地測量與地球動力學國家重點實驗室，湖北武漢430077)

一、引 言

三維激光掃描技術的誕生和發展被稱為“繼GPS技術之后測繪領域的又一次技術革命”［1］。與傳統的測繪技術不同，該技術獲取的是物體表面的大量點云數據，因此運用點云數據進行三維建模成為了近年來研究的熱點之一。

近年來很多學者都對三維建模的方法及軟件進行了研究。王瀟瀟以涼亭為掃描對象，對掃描得到的數據進行模型重建，并利用半自動提取出的特征線與輪廓線，完成該建筑各圖件的繪制，其試驗結果表明，與傳統測繪方法相比，地面三維激光掃描技術在測量的速度與精度方面有很大優勢，在建筑物測繪領域有著廣泛的應用前景［2］;劉麗惠等以大連英雄紀念碑“一滴血”為例，探討其在雕塑重建工程中的應用，通過介紹三維激光掃描儀及數據獲取方法，提出一個可行方案［3］;孫德鴻結合三維激光掃描系統在將軍崖巖畫的掃描實例，重點介紹三維激光掃描技術的數據采集、處理和建模的過程和方法［4］;王田磊等根據獲取的建筑物點云數據，探討了點云處理和建模實現的關鍵技術，并提出了一套行之有效的建筑物三維模型快速重建方法［5］;陸益紅等利用三維激光掃描儀對徐州獅子山楚王陵墓道及周圍建筑進行掃描，對激光點云進行三維重建，制作出完整模型及其線劃圖［6］。

但是以上文獻中都只是將Cyclone作為一種點云數據預處理軟件，在該軟件中所做的工作僅僅是點云的拼接、去噪、點云統一等基本處理，建模的工作都是在其他建模軟件(如Geomagic Studio、Polyworks等)中進行的。而實際上作為一款與徠卡三維掃描系統配套的專業數據處理平臺［7］，Cyclone操作簡便、功能強大，在建模方面也有著自己的優勢。

本文以西安科技大學臨潼校區的行政樓為例，獲取該建筑的點云數據，通過使用Cyclone進行模型創建，針對該軟件提出建模方法并證實該方法的可用性。

二、點云數據獲取及預處理

采集數據對象為西安科技大學臨潼校區的行政樓，所用儀器為Leica ScanStation C10，該掃描儀的具體參數見用戶手冊。根據實際情況，整個行政樓的數據采集共布設6個測站，布設圖如圖1所示，圖中黑點表示測站的布設位置。

圖1 測站的布設

在進行數據采集時，依據經驗使用高分辨率、窗掃描方式預先掃描標靶，然后使用中等分辨率、全景掃描方式對其余場景進行掃描。這樣既可以增加標靶表面的點云密度，提高點云配準的精度，又減少了一定的數據量，提高了工作效率。

掃描完成后，將點云數據導入Cyclone軟件中，經過點云配準、點云統一、數據縮減、點云去噪等基本處理后，就可進行三維建模。在Cyclone軟件中，點云配準在register模塊中進行。可用unify clouds進行點云統一，同時可選擇合適的采樣距離，以縮減數據。點云噪聲的去除需要手動操作，根據噪聲點位置，調整好視角及limit box的大小后，選擇噪聲點的范圍并刪除噪聲。經過以上基本處理后的行政樓如圖2所示。

圖2 經過基本處理的點云圖

三、三維建模

一個模型可看作是多個簡單的幾何模型的“組合”，只要逐個完成所有“拆分”的簡單幾何模型的建模工作，那么整個實體模型就可成功重建。

1.規則幾何模型的創建

與其他建模軟件相比，Cyclone 軟件的特點之一在于它擁有一個三維模型組件庫。不過庫里的組件都是規則的幾何模型，分別為 patch、cylinder、sphere、corner、box、cone、elbow、reducing elbow、steel section、line segment、blind flange、concentric reducer、eccentric reducer、valve、tee、torus。

(1)墻體、長方體柱子和臺階的創建

墻體的創建有兩種方式:一種是用多個patch來“組合”，然后用extend(延伸)和corner命令使墻角、墻角間沒有縫隙;另一種就是直接做一個box模型，延伸模型使其緊貼點云，然后打散box即可。前者適合多種建筑的墻體，后者只適合規則的長方體建筑，該實例采用的是后者。

由于行政樓模型的墻體外形不是一個簡單的長方體，因此需要多個打散的box來組合。需要注意的是，相鄰兩個box連接部位打散后是兩個面，需要刪掉從外邊看不見的面。可使用slice切割多余的面，但要保證盡量減少碎面的產生。

長方體柱子和臺階都是用box創建的，根據點云先將其6個面延伸到合適的位置，再用copy at offset或copy at angle來做其他的同類型模型，最后將這些box打散，切割并刪去多余的面即可。需要注意的是，在復制前一定要測量好距離或角度，復制成功后要與實際點云作比較，查看是否剛好使點云與模型重合。創建完成的墻體、部分長方體柱子和臺階如圖3、圖4所示。

圖3 墻體模型

圖4 部分長方體柱子和臺階模型

(2)圍欄的創建

圍欄模型是用cylinder創建的，在創建模型時最好選取一塊質量最好的點云來擬合，然后根據點云將欄桿延伸至適當的位置。當一段圍欄做好后，可使用copy at offset或copy at angle來做其他的欄桿模型，一定要注意旋轉的角度和每段欄桿之間間距的測量，最好測量多次求均值。在復制完成后要根據實際點云調整模型創建不合理的地方，尤其是要注意檢查欄桿的結合部位連接點是否吻合。

如果仔細觀察的話，不難發現在每段圍欄轉折處會有一根欄桿是用一個平滑的曲面封閉的，而用cylinder創建的欄桿是一根兩頭沒有封閉的圓柱體，因此需要在轉折處的欄桿上“加蓋”。方法是選中需要添加封閉曲面的欄桿，根據-end caps-add flat cap closest to pick即可完成。創建完成的部分圍欄模型如圖5所示。

(3)窗子的創建

窗子是在墻面上做出來的，因此必須保證在創建窗子之前，墻面是patch類型，或者是經explode命令處理過的box，否則會提示出錯。

圖5 部分圍欄模型

首先建立參考面，建議將其建立在需要創建窗戶的墻面上，并將觀察視線設置為正射投影方式，這在一定程度上可提高模型的精度。

其次用draw rectangle命令畫出窗戶(本例中為長方形)，調整位置和尺寸后確認。為了使畫出的線框在窗戶“摳除”后能保存下來，應先用set from selection命令選中線框，選擇窗戶所在墻面后用subtract from patch命令即可完成窗戶的“摳除”。

然后是窗體的填補，使用from curves-patch即可將線框用平面填充。建議使用align-coplanar命令以防止填補的面和墻面不在同一平面上。

最后，為了提高建模效率，建議根據已畫出的線框使用copy at offset做出其他窗子的線框，根據實際調節大小，“摳除”和填充窗戶后，將所有線框刪掉。創建完成的窗戶模型如圖6所示。

圖6 部分窗戶模型

2.可擠壓的不規則模型的創建

與其他建模軟件相比，Cyclone軟件還有一個特點是可以將平面擠壓成體。這就使一些不能直接在組件庫中建模的不規則物體在該軟件中可實現建模。這類模型的特點是:至少有兩個相互平行的、形狀大小完全一致的平面P、P'，連接P、P'的面Q(至少一個)垂直于P，并且Q的兩條邊界線都在P與P'的邊界線上。

與窗戶的創建類似，可擠壓的不規則模型的創建也要建立參考面，不過參考面建立在P和P'中點云較密集的一個上，在繪制P或P'邊界時應根據其形狀選取適當的畫圖工具，確認后將線框填充成面，選擇另一個平面，使用extrude-extrude to last pick即可。創建完成的臺階模型如圖7所示。

圖7 臺階模型

3.不可擠壓的不規則模型的創建

除了以上兩種類型的模型外，其余的都是不可擠壓的不規則模型。這種模型可分為兩類:一類是可以用不同方法實現的面經過旋轉、延伸、剪切等組合而成，如本文實例中的樓頂裝飾，首先創建擠壓形成的不規則模型，用copy at angle命令做出另一個同類模型，然后用explode命令將體打散成面，最后用slice命令修剪模型。樓頂裝飾模型如圖8所示。另一類是無法直接用Cyclone軟件建模的，這類模型最好用 Geomagic Studio或其他軟件建模。以Geomagic Studio為例，先將點云初步處理后按最近原則構成三角曲面，然后模擬一個多面體，經過修補、光滑等操作后，得到光順的 NURBS曲面即可［8］。

圖8 樓頂裝飾模型

4.彩色紋理貼圖

使用Cyclone軟件可直接對點云進行彩色紋理貼圖。向工程導入合適的照片后打開貼圖管理器，根據點云添加照片，因為透視圖找點模式比正視圖找點模式精度高，所以選擇透視圖找點。然后在點云和照片上選出一一對應的點(至少7對)，經過計算，刪除誤差較大的點直到計算通過為止，保存后重啟軟件即可。

如果要對模型貼紋理，最好使用3ds Max和PhotoShop軟件。本文即是用PhotoShop軟件做圖片處理，并將做好的圖片作為材質，在3ds Max中將其貼在模型上。建議將圖片的寬和高均設為2n(n為正整數)，格式為TIF。貼紋理完成的整體模型如圖9所示。

圖9 行政樓整體模型

5.三維模型和實際測量的比較分析

為了檢驗行政樓三維模型是否合格，本文選取了8條邊，分別用兩種方式測量邊長:第1種是用鋼尺(50 m)對每條邊分別進行3次測量并求平均值;第2種是用Cyclone軟件對模型進行二維線劃圖提取(俯視圖)，導入AutoCAD中進行測量。計算對應邊的兩種方式測量結果的較差，繪制成表格如圖10所示。

圖10 測量結果較差

由圖10可得，較差隨邊長的增大而增大，最小為5 mm，最大為22 mm，它們對應的邊長(鋼尺測距)分別是3.211 m和68.499 m。根據《城鎮地籍調查規程》中對界址點精度的規定，一、二、三級相鄰界址點之間的允許誤差分別為10 cm、15 cm、20 cm。而本文中模型尺寸與實際測量結果較差都在3 cm以下，符合精度規定，因此可認為本文提出的建模方法是可行的，所建模型在一些工程中是可用的。

四、結 論

由模型創建的整個過程和結果分析，可得出以下結論:

1)本文中將常見的模型分為3種，分別是規則幾何模型、可擠壓的不規則模型、不可擠壓的不規則模型。在建模時，需要針對模型特點選擇建模方式。尤其是對于不可擠壓的不規則模型，不建議使用Cyclone軟件建模。

2)本文通過該軟件進行建模所用的方法是可行的，建模的最終結果可滿足一些實際工程的需要。

3)Cyclone是一款功能較強大、實用的建模軟件。它不但能對點云進行彩色紋理映射，而且還可提供模型的線劃圖，其三維模型組件庫使它在創建規則的幾何模型方面具有一定的優勢。

［1］張會霞，朱文博.三維激光掃描數據處理理論及應用［M］.北京:電子工業出版社，2012.

［2］王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測繪中的應用［D］.長沙:中南大學，2010.

［3］劉麗惠，薛勇，蔣濤，等.逆向工程在“一滴血”紀念碑重建中的應用［J］.測繪通報，2011(6):86-89.

［4］孫德鴻，劉世晗，劉麗惠.三維激光掃描在巖畫保護中的應用［J］.測繪通報，2011(1):35-37.

［5］王田磊，袁進軍，王建鋒.三維激光掃描技術在建筑物三維建模可視化中的應用［J］.測繪通報，2012(9):44-47.

［6］陸益紅，趙長勝，武宜廣，等.楚王陵激光點云三維重建［J］.測繪地理信息，2013，38(1):55-57.

［7］謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術與工程應用［M］.武漢:武漢大學出版社，2013.

［8］詹長根，唐祥云，劉麗.地籍測量學［M］.武漢:武漢大學出版社，2009.

［9］周華偉.地面三維激光掃描點云數據處理與模型構建［D］.昆明:昆明理工大學，2011.