校園典型建筑物點云數(shù)據(jù)三維建模方法

鄭仕雄+李佳

摘要摘要：隨著數(shù)字化測量的發(fā)展，三維激光掃描儀能夠快速地以多角度、高效、高精度方式獲取物體的表面三維數(shù)據(jù)，可以用于校園典型建筑物的三維建模。以云南師范大學呈貢校區(qū)內(nèi)的國立西南聯(lián)合大學紀念碑和國立昆明師范學院紀念柱為典型建筑物三維建模對象，首先采用徠卡P40三維激光掃描儀采集它的三維點云信息，然后利用Cyclone軟件對多站式點云數(shù)據(jù)進行拼接、統(tǒng)一化和去燥，將處理后的點云數(shù)據(jù)導入Geomagic Studio軟件，對其進行封裝、孔洞填充、平滑等相關處理，構(gòu)建其三維模型并對模型進行紋理映射，最終完成校園典型建筑物點云數(shù)據(jù)的三維模型構(gòu)建。該三維建模流程方法對校園典型建筑物的三維建模可取得較好的效果。

關鍵詞關鍵詞：三維激光掃描儀；點云數(shù)據(jù)；三維建模；Cyclone；Geomagic Studio

DOIDOI：10.11907/rjdk.161873

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001013703

本文采用徠卡公司研制的新款三維激光掃描儀，型號為P40，對云南師范大學呈貢校區(qū)內(nèi)的國立西南聯(lián)合大學紀念碑和國立昆明師范學院紀念柱進行三維數(shù)據(jù)掃描，并結(jié)合Cyclone軟件對點云數(shù)據(jù)進行初步處理，然后結(jié)合Photoshop、Geomagic Studio完成點云數(shù)據(jù)的三維建模工作。

1點云數(shù)據(jù)三維建模技術流程設計

文本方法中三維點云數(shù)據(jù)的掃描設備采用徠卡公司研制的型號為Leica-P40的三維激光掃描儀。Leica-P40通過高速旋轉(zhuǎn)的高分辨率攝像機和不觸碰的掃描方式，可以很便捷地獲取到建筑物三維表面的點云數(shù)據(jù)，通過后處理軟件Cyclone可以很方便地對掃描獲取的點云數(shù)據(jù)進行處理，而且Cyclone還提供了豐富的文件轉(zhuǎn)換格式，可以很好地滿足不同用戶對點云數(shù)據(jù)的處理需要。如通過Cyclone軟件將數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)可導入Geomagic Studio、AutoCAD等多平臺下處理。

按照數(shù)據(jù)的采集與處理環(huán)境可將基于三維激光掃描儀的三維建模分為外業(yè)和內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)工作主要采用硬件設備，包括掃描環(huán)境的勘測和三維點云數(shù)據(jù)的采集；內(nèi)業(yè)工作主要采用軟件，對采集到的三維點云數(shù)據(jù)進行處理和建模等工作。從數(shù)據(jù)采集到三維建模流程包含的具體內(nèi)容如表1所示。

3.1點云數(shù)據(jù)處理

從P40三維激光掃描儀中將點云數(shù)據(jù)導出，由于涉及多個站點的數(shù)據(jù)采集，因而需首先進行多站式點云數(shù)據(jù)的拼接[4]，將多站式數(shù)據(jù)用Cyclone軟件打開，利用外業(yè)采集的標靶信息，在Cyclone軟件register模塊中將4個站點獲取的數(shù)據(jù)進行拼接使其統(tǒng)一到同一個坐標系統(tǒng)下。由于掃描環(huán)境比較復雜，因而不可避免在掃描過程中會得到一些噪聲點，為了后續(xù)建模的方便處理，需要將這些噪聲點進行剔除。因此，在Cyclone軟件中還需對點云數(shù)據(jù)進行去燥處理。

P40三維激光掃描儀得到三維點云數(shù)據(jù)格式為.imp或者是.pts，此類格式能夠與Cyclone軟件兼容。但后期三維建模軟件Geomagic Studio中不支持.imp或.pts文件格式，因此需要在Cyclone軟件中將處理好的三維點云數(shù)據(jù)導出成后綴名為.txt、.xyz、.ptx 等Geomagic Studio支持的數(shù)據(jù)格式。本文通過Cyclone軟件將數(shù)據(jù)導出.txt格式，便于在Geomagic Studio軟件中處理。

3.2點云數(shù)據(jù)建模

對三維點云數(shù)據(jù)進行處理后，需要構(gòu)建其三維模型，在Geomagic Studio軟件中稱為封裝（wrap），即將散亂的三維點云數(shù)據(jù)進行空間化組織，最為典型的是構(gòu)建它們的三角網(wǎng)。在數(shù)據(jù)采集階段掃描對象被樹葉或建筑物遮擋，導致在對象的某些地方上獲取不到三維點云數(shù)據(jù)，如果直接對三維點云數(shù)據(jù)進行封裝，會使構(gòu)建的三角網(wǎng)三維模型存在空洞，因此需要對存在的空洞進行填充形成較為完整的表面模型[5]。空洞填充有利于后續(xù)操作中對整個面的構(gòu)建，如果沒有進行空洞填充，可能會引起后期三維模型的不完整。如圖2所示，圖2 （a）為封裝前的點云數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)處理后的點云數(shù)據(jù)；圖2 （b） 為封裝后的點云數(shù)據(jù)，即對點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)的模型，在“石碑”下面存在著較多空洞；圖2 （c）為對模型進行空洞修復后的三維模型。

圖2點云封裝與空洞填充 對三維模型進行空洞填充后，還需要對該模型進行平滑處理，因為模型表面可能存在褶皺明顯的區(qū)域[6]，而這些區(qū)域與實際的對象形狀不匹配，通過平滑處理會使三角形網(wǎng)格或者是所選區(qū)域的表面更加光滑，并會使構(gòu)成其表面的三角形大小一致。如圖3所示為所選區(qū)域平滑前后的對比效果。

沒有紋理的三維模型稱作為裸模，不能從視覺上感受真實的實景三維效果，因此需要對已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型進行紋理映射。紋理映射是將高清的實物圖片映射到已經(jīng)構(gòu)建好的三維模型上。紋理映射需要用到外業(yè)采集的照片，將照片導入Photoshop進行裁剪、摳圖等操作，以作紋理映射的素材。

紋理映射有兩種常見方法：①對三維模型和照片取相同的點，在對齊視圖下選擇定向和投影選項（對齊視圖選擇中要選擇四對點及以上才能成功）將紋理映射到模型中；②使用模型和圖片的映射框，將置于圖片下面的模型調(diào)節(jié)到適當位置來進行貼圖，這種方法在貼圖時應從上往下進行，不然可能會有多余的貼圖覆蓋或者是貼在其它區(qū)域。本文采用第二種方法進行紋理映射，如圖4所示為紋理映射效果，圖4（a）為國立西南聯(lián)合大學紀念碑，圖4（b）為國立昆明師范學院紀念柱。

本文采用徠卡P40三維激光掃描儀對云南師范大學呈貢校區(qū)內(nèi)國立西南聯(lián)合大學紀念碑和國立昆明師范學院紀念柱進行三維點云數(shù)據(jù)的采集，結(jié)合Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop軟件對采集到的三維點云數(shù)據(jù)進行處理和三維模型構(gòu)建取得了較好效果，為校園典型建筑物的三維建模提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1]張序，李兆堃，羅小華，等.應用三維激光掃描測量進行文物逆向工程恢復[J].測繪科學，2013，38（6）.

[2]李永強，劉會云，毛杰，等.三維激光掃描技術在煤礦沉陷區(qū)監(jiān)測應用[J].測繪工程，2015，24（7）：4347.

[3]楊林，盛業(yè)華，王波.利用三維激光掃描技術進行建筑物室內(nèi)外一體化建模方法研究[J].測繪通報，2014（7）：2730.

[4]盛業(yè)華，張卡，張凱，等.地面三維激光掃描點云的多站數(shù)據(jù)無縫拼接[J].中國礦業(yè)大學學報，2010，29（2）：233237.

[5]郭培閃，杜黎明.運用Geomagic Studio實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的曲面重建及誤差分析[J].地理信息世界，2015（1）：5760.

[6]林鵬，劉超，鄭禮全，等.基于Geomagic Studio的雕像三維建模[J].北京測繪，2014（4）：3436.