基于Smart3D的小物件三維建模技術及應用

錢磊 張文超

摘 要：本文主要分析傳統建模的弱勢與不足，介紹了傾斜攝影技術的特點及基本原理、Smart3D軟件進行小物件建模的詳細流程以及后期模型的基本處理辦法。通過對于小物件三維建模技術的研究，可以以很低的代價獲取大量的模型用來構建數據庫，從而取得經濟效益。

關鍵詞：傾斜攝影技術;Smart3D;實景三維建模

中圖分類號：TV221.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）28-0014-03

Abstract： This paper mainly analyzed the disadvantage and shortcomings of traditional modeling， and introduced the characteristics and basic principles of tilt photography， the detailed process of small objects modeling by Smart3D software and the basic processing methods of later models. Through the research on small objects 3D modeling technology， we could obtain a large number of models at a low cast and build a database to achieve economic benefits.

Keywords： slant photography;Smart3D;real3D modeling

目前，傳統的大面積的三維城市建模的方法主要是測量建模的方法[1]，采用外業人員手工拍照的方法，得到建筑物的結構和紋理，然后通過內業人員的處理，結合正射影像圖、測區平面矢量圖等數據，建立白模。通過拍攝的紋理分析模型的細部結構，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上。傳統的建模方法雖然能夠很好地控制模型精細度，但仍存在生產工藝復雜、生產成本高、工作強度大、模型生產效果不確定等問題，無法滿足城市大范圍快速建模的需要[2]，而基于Smart3D的三維建模技術正是在傾斜攝影原理的基礎上發展起來的。

1 傾斜攝影技術

1.1 傾斜攝影技術概念

傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年來發展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片（1組影像），鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片（4組影像）。

1.2 傾斜攝影技術特點

傾斜攝影技術具有以下特點：①反映地物周邊真實情況;②實現單張影像量測;③可采集建筑物側面紋理;④數據量小易于網絡發布;⑤建模高效，成本較低。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗對象及器材

新鮮紋理清晰的蘋果、實驗旋轉圓臺、攝影燈光器材、相機。

2.2 三維重建原理

通過量測或非量測相機多視角、多層次地拍攝照片，得到一組高重疊率物體表面的照片。然后通過提取各照片的特征點，依據這些特征點的稀疏匹配算出照片的三維位置，進而經過密集匹配獲得物體表面密集點的三維坐標[3]。

2.3 Smart3D實景三維模型建模實例

利用Smart3D進行實景三維建模主要分為前期準備、影像獲取、軟件操作等三大部分。其中前期需要調試好相機參數、燈光強度、模型擺放位置，才能進行相機的拍攝，作為前期的數據準備。Smart3D操作流程包括數據準備、數據導入、空中三角測量、產品生產導出。

2.3.1 相機與燈光的選擇。拍照采用圓臺轉動環拍的方式，室內拍攝調整燈光為最佳光效;如果室外拍攝，既要保證光線充足，避免有陰影，又要防止陽光過強造成反光，使拍攝物紋理反射喪失。

本次流程選用的為佳能EOS M3。調節相機參數達到最佳效果，記錄感應器尺寸22.3mm，焦距55mm。為了達到最好的建模效果，保證照片質量，同一角度至少拍攝3次以上，相片重疊率不得低于60%。

2.3.2 新建工程。打開Contextcapture工作模塊后臺運行，然后打開Contextcapture主控模塊，新建一個工程項目，命名為pinguo。Contextcapture工作模塊主界面，如圖1所示。

2.3.3 導入照片。選擇添加影像，將之前使用相機獲取的影像導入工程中，檢查圖片的相機參數，剔除參數不一致的圖片，進行下一步空中三角測量。

2.3.4 空中三角測量。為了能夠讓無序的圖片影像在三維空間中相互對齊，并構建與真實狀態下相接近的統一的空間模型，就需要對影像進行空中三角測量操作[4]。由各單條航線獨立建立各自的航帶模型，每個航帶模型單元要各自概略置平并統一在一個共同的坐標系中，最后進行整體平差運算。為此，要對各航帶列出各自的非線性改正公式（使用二次或三次多項式或二次正形變換公式），按最小二乘法準則統一平差計算，求出各條航帶的非線性改正參數。

整個操作過程中，不觸及被量測目標即可測定其位置和幾何形狀，不受通視條件限制，攝影測量平差時，區域內部精度均勻，且不受區域大小限制，如圖2所示。

2.4 導出試驗模型

Contextcapture可生產的三維模型主要是S3C、OSGB、OBJ、3MX等格式，本次試驗流程生產3MX格式模型，可以在Acute3D Viewer軟件上查看其三維實景模型;生產OBJ格式模型，可以在Geomagic Wrap 軟件上查看其三維實景模型。生產項目分類圖如圖3所示。

3 試驗結果及后期處理

3.1 試驗結果及分析

通過Acute3D Viewer、Geomagic Wrap查看模型生產效果，模型效果非常好，除部分漂浮碎片外，無其他影響模型效果的瑕疵，整體效果完好。沒有出現破碎、凸出、凹陷、紋理丟失等常見問題。

3.2 后期處理

3.2.1 Geomagic Wrap修復。選擇導出的模型文件中的OBJ格式文件，使用Geomagic Wrap打開。觀察模型的整體效果，發現存在懸浮的碎片，選擇左上方流形功能鍵，打開流形，可以直接刪除部分細微的小碎片;然后選擇貫穿直接選擇碎片，點擊Delete鍵刪除即可。

此外，通過對大量模型數據的建模效果及后期模型處理來看，目前主要存在以下幾個主要的問題[5]：①幾何修復，對破洞進行修補，凸包抹平并還原，刪除空中漂浮碎片;②細部整飾，重要地物和標志物的三維模型整飾或替換;③紋理修補，替換或修補不均勻紋理、清晰度不夠的紋理。

實際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復的過程[6]，如何在幾何結構修復的同時提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問題之一。

修復之后的模型效果圖如圖4所示。

3.2.2 模型與網頁交互的運用。上文已經介紹了模型的生成原理、生成所需工具及后期簡單處理，但是模型的生成絕不只用來觀賞，應該發揮其價值。鑒于此，模型與網頁交互的運用是一個比較好的應用方向。

通過先進的實景三維重建技術，利用三維實景建模技術把現實的真實對象變成超真實感的數字模型，如盆栽、水果生活用品、巖石標本、真人模型等，然后通過SU創建三維場景，如公園、山谷、庭院。把模型與場景相結合。使原本各自獨立的模型，通過特定的場景聚合在同一個場景之中，具有一定的經濟價值。

4 結語

隨著技術的不斷進步，三維實景建模技術必將更加簡單化、智能化、產業化，在未來各方面的應用也將更加廣泛，并發揮更廣的作用。通過相機獲取影像、導入Smart3D生成三維實景模型，同時運用其他軟件對模型進行修復、對細節進行更加細致的處理，就可以使原有的模型永久保存下來。此外，通過這一項技術建立模型，就將會擁有一個大型的素材庫，與此同時還將會獲得較大的經濟利益。

參考文獻：

[1]盧秀山，李清泉，馮文灝，等.車載式城市信息采集與三維建模系統[J].武漢大學學報（工學版），2003（3）：76-80.

[2]王琳，吳正鵬，姜興鈺，等.無人機傾斜攝影技術在三維城市建模中的應用[J].測繪與空間地理信息，2015（12）：30-32.

[3]戴竹紅，李柳興，鄒發東.基于SMART3D的實景三維建模與應用[J].廣西城鎮建設，2015（4）：113-115.

[4]范攀峰，李露露.基于Smart3D的低空無人機傾斜攝影實景三維建模研究[J].測繪通報，2017（S2）：77-81.

[5]譚仁春，李鵬鵬，文琳.無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優化[J].測繪通報，2016（S2）：193-196.

[6]張瑞瑞，艾海濱，張力，等.附加約束條件的半自動復雜建筑物重建方法[J].測繪通報，2015（11）：64-68.