多源數(shù)據(jù)融合的歷史建筑三維重建方法

叢曉丹，姜　洋，吳　岡，周鈺琢，趙鈺哲

多源數(shù)據(jù)融合的歷史建筑三維重建方法

叢曉丹1，2，姜洋2，3，吳岡1，2，周鈺琢1，4，趙鈺哲1，4

（1.黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150000；3.黑龍江科學(xué)編輯部，哈爾濱 150090；4.黑龍江省自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司，哈爾濱150090）

歷史建筑可以反映出一座城市的歷史風(fēng)貌和地方特色，具有很高的歷史、社會(huì)和藝術(shù)價(jià)值。本文提出了一種采用多類型三維掃描設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史建筑外圍環(huán)境和內(nèi)部房間結(jié)構(gòu)掃描的三維重建方法，解決了單一掃描方式無法兼顧建筑外部龐大的數(shù)據(jù)量和內(nèi)部高精度細(xì)節(jié)的問題，并將這種三維重建方法運(yùn)用到對(duì)革命領(lǐng)袖視察黑龍江紀(jì)念館的建模。

多源數(shù)據(jù)融合；歷史建筑；三維重建；三維激光掃描

歷史建筑是廣義的城市歷史文化遺產(chǎn)的組成部分，它從不同側(cè)面反映了各個(gè)歷史時(shí)期人類的活動(dòng)情況。但經(jīng)過多年社會(huì)環(huán)境變遷，一些歷史建筑已經(jīng)變得殘破模糊。想要全面地保護(hù)、傳承歷史建筑的真實(shí)歷史信息和價(jià)值，就必須對(duì)其建筑主體結(jié)構(gòu)和內(nèi)外人文、自然環(huán)境一同保護(hù)。現(xiàn)有的建筑保護(hù)大多對(duì)建筑主體進(jìn)行重建，而沒有考慮建筑內(nèi)部構(gòu)造人文特色［1-3］。本文采用Nova MS50全站掃描儀、MetraSCAN 3D和Go. SCAN 3D配合掃描［4］，對(duì)革命領(lǐng)袖視察黑龍江紀(jì)念館建筑內(nèi)外進(jìn)行高精度重建，獲得其三維建筑模型。

1　三維數(shù)據(jù)采集

由于建筑物內(nèi)外表面大小、形狀、遮擋、精細(xì)程度不同，本研究首次嘗試應(yīng)用多種類型的三維掃描、測(cè)量設(shè)備對(duì)不同區(qū)域選擇不同的精度進(jìn)行掃描，以涵蓋建筑所有表面。依照掃描結(jié)果的細(xì)節(jié)、準(zhǔn)確性和可靠性可以得到數(shù)據(jù)源等級(jí)如圖1所示。

圖1　不同等級(jí)掃描數(shù)據(jù)Fig.1　Scanning data of different levels

對(duì)建筑的平面圖進(jìn)行立體拉伸，確定平面形狀和墻面的比例關(guān)系，可以得到建筑的立體框架。但不能反映建筑完成后的年代變化，可以作為掃描盲區(qū)的補(bǔ)充。Nova MS50全站掃描儀可以在300m范圍內(nèi)，以每秒1 000個(gè)點(diǎn)速率，快速獲得大量的掃描數(shù)據(jù)。適合獲取建筑外形整體模型。1mm的掃描精度，保證掃描數(shù)據(jù)精確可靠。

MetraSCAN 3D和Go.SCAN 3D掃描儀采用三角測(cè)量法，掃描精度可達(dá)到0.1mm，而且不需任何參照標(biāo)定點(diǎn)，適用于對(duì)建筑內(nèi)部雕花內(nèi)飾進(jìn)行精確掃描。

2　三維模型重建

2.1數(shù)據(jù)表面重建

由于建筑本身空間形態(tài)復(fù)雜互有遮擋，采用Nova MS50全站掃描儀對(duì)其進(jìn)行掃描時(shí)，需要建立多個(gè)站點(diǎn)完成點(diǎn)云獲取。將多個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)定位建立相互關(guān)聯(lián)的整體坐標(biāo)系，就可以對(duì)多站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，連接結(jié)合成一個(gè)完整的建筑點(diǎn)云。

NovaMS50全站儀、MetraSCAN 3D和Go.SCAN 3D掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在著一定的噪聲點(diǎn)和錯(cuò)誤點(diǎn)，需要濾波操作降低點(diǎn)噪聲，并刪除多余雜點(diǎn)。對(duì)預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格化，調(diào)節(jié)網(wǎng)格密度，并對(duì)模型進(jìn)行拓?fù)錂z查，依據(jù)四周曲率修補(bǔ)漏洞。數(shù)據(jù)表面重建前后對(duì)比如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)重建前后對(duì)比Fig.2　The comparison before and after the data reconstruction

2.2多源數(shù)據(jù)融合

由預(yù)處理得到不同精度的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，進(jìn)行建筑整體三維復(fù)原工作。具體步驟如下：

第一，在基準(zhǔn)平面上添加經(jīng)過配準(zhǔn)并預(yù)處理過的革命領(lǐng)袖視察黑龍江紀(jì)念館整體模型三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)。包含整體建筑外表面數(shù)據(jù)和部分特色房間內(nèi)表面數(shù)據(jù)。

第二，參考建筑平面圖紙采用3DMAX軟件對(duì)未掃描的房間進(jìn)行立體建模，得到符合圖紙尺寸的標(biāo)準(zhǔn)房間模型，并添加到整體模型中相應(yīng)的位置。

第三，將門、窗和墻面木雕等精細(xì)掃描重建的三維網(wǎng)格面替換建筑整體模型中的低精度模型。保留建好的建筑整體模型的同名區(qū)域邊界上的點(diǎn)，與同名區(qū)域精細(xì)模型進(jìn)行定位對(duì)準(zhǔn)。對(duì)不同精度模型的交界處進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，以解決不同精度模型拼接過程中產(chǎn)生的漏洞和錯(cuò)位。

第四，參照現(xiàn)場(chǎng)圖片和資料檢查整體模型，對(duì)遮擋、損壞、缺失部位進(jìn)行人工建模補(bǔ)充。紀(jì)念館完整三維重建模型如圖3所示。

圖3　三維重建的建筑模型Fig.3　3D reconstruction of architecturesmodel

3　高精度紋理重建

對(duì)歷史建筑的三維重建應(yīng)用中，模型真實(shí)可測(cè)已不能完全滿足需求，可視化模型成為重要方面。紋理映射是在建筑的三角網(wǎng)格模型和二維紋理圖像之間按照攝影測(cè)量的投影方式建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于整個(gè)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，木雕細(xì)節(jié)煩瑣。本研究采用3DMAX軟件中UVW展開實(shí)現(xiàn)紋理貼圖。將建筑整體分割成多個(gè)子房間模型，分別進(jìn)行UV展開。參照UV網(wǎng)格分布，將拍攝好的正射影像圖與之一一對(duì)應(yīng)。木雕紋理重建結(jié)果如圖4所示。

圖4　木雕紋理重建前后對(duì)比Fig.4　The comparison before and a fter the carving texture reconstruction

4　結(jié)語(yǔ)

本研究提出了多種三維掃描設(shè)備數(shù)據(jù)融合的歷史建筑三維重建方法，并實(shí)現(xiàn)革命領(lǐng)袖視察黑龍江紀(jì)念館整體三維模型獲取。三維建模可以作為歷史建筑的“生命檔案”永久存檔，也為歷史建筑的進(jìn)一步數(shù)字化展示與虛擬體驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］ P.K.Allen,A.Troccoli,B.Smith,S.Murray,I.Stamos.New Methods for Digital Modeling of Historic Sites［J］.IEEE Computer Graphics&Applications，2003，23 (6):32-41.

［2］ 張超，魏占營(yíng)，王銳，等.數(shù)字城市建模方法研究與應(yīng)用［J］.測(cè)繪科學(xué)，2012，37（5）：190-193.

［3］王銘軍，朱文耀.古代建筑三維虛擬重建方法研究與仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（3）：437-440.

［4］ 汪劍芳.Creaform 3D技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2014，（13）：103.

Historic architectures 3D reconstruction m ethod by using m ulti-source data fusion

CONGXiao-dan1,2,JIANGYang2,3,WUGang1,2,ZHOUYu-zhuo1,4,ZHAOYu-zhe1,4
(1.InstituteofAutomation,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China; 2.High Technology Research,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150000,China; 3.Heilongjiang Science EditorialOffice,Harbin 150090,China; 4.Heilongjiang Automation Systems Engineering Co.,Ltd.,Harbin 150090,China)

Historic Architectures can reflect the history stylesand local characteristicsof the city,which hashigh historical, social and artistic values.This paper proposed a combination of various types of 3D scanning devices that can implement the 3D reconstruction of the historic architectures in the external environmental and internal structure.It solves the problems of huge amountof data in externaland high-precision details in internal of the architectures.The presented 3D reconstructionmet hod hasbeen utilized inmodelingof revolutionary leadervisited HeilongjiangMemory.

Multi-source data fusion;Historic architectures;3D reconstruction;3D laserscanning

TP391.41

A

1674-8646（2016）04-0108-02

2016-02-01