面向網(wǎng)絡化應用的古建筑BIM模型輕量化處理技術

余芳強 宋天任 陳 菁

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建與持續(xù)利用工程技術研究中心 上海 201103

1 工程概況

上海玉佛禪寺大雄寶殿平移頂升工程施工難度大，安全風險高。本研究通過應用物聯(lián)網(wǎng)技術對玉佛寺平移頂升過程的位移、結構和佛像變形進行實時監(jiān)控；與BIM模型集成，以實時監(jiān)測信息驅(qū)動模型展現(xiàn)四維的施工進度情況；通過網(wǎng)頁等方式在智能手機等設備展現(xiàn)，支持業(yè)主、總承包管理人員等遠程實時監(jiān)控施工過程，保障安全。

為快速建立玉佛寺大雄寶殿及內(nèi)部佛像的精確三維模型（圖1），本研究采用三維激光掃描技術和傾斜攝影技術建立三維點云模型。由于古建筑外形奇特、裝飾物復雜、佛像精致，因此建立的三維點云模型體量大、構件多，面向網(wǎng)絡化的應用存在傳輸量大、渲染時間長、體驗差等問題，需要進行簡化處理。對點云模型進行點云降噪、逆向建模、構件合并和復雜構件減面是實現(xiàn)輕量化的常規(guī)方法，但工作量較大，需要結合實際需求在模型精細程度、模型體量和工作量之間做權衡工作。

針對以上問題，本研究通過研究和應用多種輕量化處理技術[1]，解決古建筑三維點云模型結構構造的面、體過于復雜，數(shù)據(jù)量大的問題，實現(xiàn)了基于WebGL的大雄寶殿三維模型渲染，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)四維的施工進度模擬，并支持在網(wǎng)頁端、移動端展示高保真的模型。

圖1 玉佛寺大雄寶殿佛像

2 基于多源數(shù)據(jù)的大雄寶殿三維點云模型構建

大雄寶殿三維點云模型的重建采用多數(shù)據(jù)源建模方式，具體通過BIM正向建模方法創(chuàng)建結構和基礎模型，應用Faro Focus3D地面三維激光掃描建立外立面和內(nèi)飾模型，應用航拍傾斜測量技術建立屋頂模型，實現(xiàn)對大雄寶殿全方位三維數(shù)字化建模。古建筑的復雜結構造型對建模要求較高，形成的模型體量十分龐大。

三維掃描點云模型由大量點陣組成，每個點帶有坐標位信息和顏色信息，從宏觀上來看大量的點云形成了復雜的曲面，未經(jīng)簡化的點云模型帶有豐富的色彩和逼真的紋理細節(jié)，但是一個文件體量動輒逾10 GiB，保存成面片模型后，面片數(shù)高達近千萬面，此模型無法直接利用。

BIM模型帶有精確的坐標、尺寸等信息，模型高度數(shù)據(jù)化。大雄寶殿的BIM模型中的嵌套族、繁瑣的施工措施構件，使模型依然占用很大體量。

3 基于點云的三維模型重建技術

本工程主要通過點云降噪處理、逆向建模的工作進行總結，實現(xiàn)點云模型的輕量化。

3.1 點云降噪處理

古建筑的三維掃描生成的點云數(shù)據(jù)非常巨大[2]。由于人為、測量環(huán)境或者掃描設備本身的缺陷等諸多因素，使獲得的點云在某種程度上會受到噪聲的污染。所以，對實測點云數(shù)據(jù)數(shù)字幾何處理及應用之前，必須對點云進行濾波降噪處理。降噪的目標是在保持點云模型采樣表面的拓撲特征以及幾何特征的前提下，有效剔除噪聲并重建原有光滑表面。

本工程中將Faro掃描的原始數(shù)據(jù)f l s導入到Faro Scene中進行數(shù)據(jù)的預處理，主要包括當前測站重點區(qū)域選擇。根據(jù)布置掃描的范圍，選取當前掃描的主要范圍，同時選擇和前后測站配準的重疊區(qū)域。對保留區(qū)域數(shù)據(jù)進行噪聲處理，主要包括去除離群點、體外孤點等，然后導出數(shù)據(jù)。導入三維坐標數(shù)據(jù)到Geomagic Studio中進行進一步數(shù)據(jù)處理，選定區(qū)域進行錯誤點和雜點的判斷，選擇體外孤點，敏感度為100，刪除選擇到的體外孤點。

然后統(tǒng)一采樣，由目標定義間距，設置點的個數(shù)為100萬，采樣后的數(shù)據(jù)應進行降噪處理。原三維掃描模型得到的文件格式是pts，實際內(nèi)容是大量點陣。在模型處理階段主要是對模型面片進行編輯，因此需要將降噪后的pts點云模型封裝成面片模型。

3.2 逆向建模

結合Revit和點云模型，對大雄寶殿內(nèi)梁、柱、墻等規(guī)則的結構構件以及佛臺、門、窗等規(guī)則的裝飾構件進行逆向建模，采用體模型代替復雜的點云模型，達到輕量化目的。但逆向建模形成的模型存在構件較多的問題，需要根據(jù)應用需求進行構件合并操作。

實際處理過程中，對于柱、梁等常規(guī)模型，用圓柱、長方體或根據(jù)CAD底圖進行可編輯樣條線來創(chuàng)建時，圓柱和長方體編輯欄中將其段數(shù)降至最低；而可編輯樣條線則是盡量選角點以減少點數(shù)，然后擠出樣條線形成實體。對于柱墩、屋面等曲線形狀模型通過Loft（放樣）制作，需從放樣的路徑及截面對建模進行控制，在保證視覺效果不受太大影響的情況下，適度減少放樣物體的Shape Steps（形狀步幅）和Path Steps（路徑步幅）參數(shù)，從而精簡模型的面數(shù)。

4 BIM模型的輕量化技術

本研究主要通過減少模型體量、減少面片、使用貼圖來替代復雜面體等3種方法對模型進行輕量化處理[3]，以達到網(wǎng)絡化應用的需求。

4.1 構件合并

古建筑的構件體量不大但是數(shù)量很多，場景中的構件數(shù)量過多會增加模型烘焙時間，降低計算機運行速度等。本工程中利用3DS Max軟件對多個對象進行合并從而減少模型數(shù)量，通過工程對模型的需求采用不同的合并方式。

大雄寶殿的三維掃描建模方式采用分化構件式，導致點云模型處理完的面片碎化布置。如大雄寶殿的歇屋面上的瓦片、門窗的柵格等構件為復雜體量，逆向建模時捕捉點云的特征點匹配創(chuàng)建單獨的幾何形體，故形成大量的碎化面片。對相同類型的物體一起選擇后通過Collapse（塌陷）命令將其合并成一個物體，將同類的模型整合歸一。

構件之間由零碎面片連接從而使構件與構件間的邏輯關系不明確。為了后續(xù)工程應用中對模型構件進行編碼，需要對構件確認連接關系。如柱子與鼓磴之間的連接，由于點云模型多余的離散采樣點在逆向建模時創(chuàng)建了多余的面片，導致連接關系不明細，對有連接關系的構件選擇后通過Attach（附加）命令將其成組。

4.2 復雜構件減面處理

根據(jù)模型網(wǎng)格面的分布情況，選用合適的減面算法，將模型表面大量掃描網(wǎng)格進行簡化，模型輕量程度達到90%。對獨立模型的個數(shù)進行精簡之后將無法合并的模型構件進行減面處理，刪除模型中多余或重疊的點和面，從而實現(xiàn)模型輕量化。本工程通過研究，對復雜曲面的表面網(wǎng)格重建，對輕量化模型的技術進行總結。

通過MeshLab重建佛像模型表面網(wǎng)格。本工程通過三維掃描得到的佛像模型中，其三角面片高達600萬面。對人像模型進行研究，使用MeshLab網(wǎng)格處理系統(tǒng)對模型三維三角網(wǎng)絡進行編輯、清理和篩選；使其面角度減50%，線角度減50%，在保留幾何細節(jié)和紋理映射的前提下，簡化三角化表面，實現(xiàn)佛像模型表面重建。生成后的模型為由較少三角面片組成的具有相同形狀的幾何圖形。本工程中通過三維掃描獲取的原始模型三角面片高達600萬面，處理完后三角面片為60萬面（圖2、圖3）。

圖2 三維掃描原始佛像模型

圖3 輕量化佛像模型

MeshLab是一個開源、可擴展的系統(tǒng)，用于處理和非結構化編輯3D三角形網(wǎng)格。其主要原理建立在具有法向量信息的三維點云模型上，通過提取等值面，重建出具有實物幾何表面信息的三角面片表面模型。本工程中通過把處理完的點云模型通過obj格式導入MeshLab，利用泊松表面重建算法計算點云的法線[4]；選中Merged Mesh文件，調(diào)整組合參數(shù)控制面片細節(jié)的精細程度，將稠密點云生成為多邊形網(wǎng)絡表面；表面重建算法完成后會生成一個封閉模型，刪除多余形成的面；最后導出obj格式模型。

4.3 采用貼圖代替復雜曲面

本工程中對于細小的裝飾構件采用貼圖代替其復雜曲面，如牌匾文字及其他具有浮雕效果的復雜造型的物體（圖4、圖5）。采用平面來代替曲面，再采用貼圖來表現(xiàn)其復雜的凹凸、色彩和紋理結構，從而減少了場景模型的面數(shù)。

圖4 大雄寶殿牌匾原始模型

傳統(tǒng)渲染技術無法實現(xiàn)高級立體效果[5]，為營造更高級的光影效果，使用了物理渲染技術[6]，讓模型展示出凹凸、紋理、反光等細節(jié)。與傳統(tǒng)渲染技術實現(xiàn)原理不同，物理渲染技術是一種利用多種物理模型來模擬真實世界的渲染技術的集合，更強調(diào)模型和環(huán)境的整體關系，在不同的環(huán)境、不同觀察角度下，模型的效果不同。

本工程的點云模型中已經(jīng)包含了三維掃描得到的模型真實顏色數(shù)據(jù)[7]。將點封裝成多邊形之后的模型紋理最為精細，為了不影響紋理的特征，先生成原始顏色、凹凸等紋理，烘焙并映射成貼圖，可以省去復雜的貼圖繪制工作。

本工程中的模型物理貼圖映射過程如下：

1）把減面后的模型以obj格式導入Unfold3D劃分UV，剪切線沿暗線，不走明線，得到obj格式模型。把obj格式模型導入3DS Max得到fbx模型，再進行曲面細分、平滑等設定，完善模型。

2）制作紋理貼圖。把完善后的模型用fbx格式導入SBS Painter繪制貼圖。

3）導出3張物理貼圖png，分別是顏色貼圖、反射貼圖和凹凸貼圖。

5 工程應用效果

本研究在玉佛寺大雄寶殿工程對本文提出的點云模型簡化處理綜合方法進行了應用實踐。通過點云降噪和初步的逆序建模，將5 GiB左右模型降低到1 GiB左右，通過構件合并、建模減面處理，模型達到400 MiB左右，采用貼圖代替復雜曲面后模型降低到40 MiB左右，壓縮后用于網(wǎng)絡傳輸?shù)哪Ｐ腕w量為20 MiB，滿足實際應用需求（圖6）。

圖6 輕量化處理后點云模型

6 結語

本文針對古建筑點云模型輕量化處理技術進行了研究和應用實踐，得出以下結論：

1）應用三維激光掃描、傾斜攝影等技術可構建古建筑的精細化點云模型，但體量大，需要進行簡化處理。

2）通過點云降噪、逆向建模、構件合并和復雜構件減面等傳統(tǒng)方法可以處理碎片化點云模型，減少模型個數(shù)和面數(shù)，但需在模型真實感和模型輕量化之間做權衡，且仍難以滿足網(wǎng)絡化應用需求。

3）使用組合物理貼圖替代復雜曲面模型，可在保證模型視覺效果的同時減少模型細節(jié)，從而減輕模型體量，實現(xiàn)在個人電腦和移動端的網(wǎng)絡平臺中順暢瀏覽三維模型的目的，滿足施工管理需求，具有實際應用價值。