航空港外觀VI重建系統設計

栗曉樞

摘 要： 針對基于三維虛擬技術的航空港外觀系統設計方法以虛擬現實技術獲取的航空港外觀數據實施外觀系統設計，所構建航空港的外觀模型粗糙，提出新航空港外觀VI重建系統設計方法。基于VI的激光準直測量結構及原理，獲取航空港外觀粗糙的動態形變結果，激光準直光束標定通過在固定靶板上實施標準刻度劃分獲取精確的航空港外觀動態形變結果；在此基礎上根據三維激光數據構建航空港外觀的整體點云模型，根據點云模型生成三角網模型，融合點云模型和三角網模型，將航空港復雜位置處構建為三角模型，結構規則處構建為點云模型，實現對航空港外觀實體模型的重建。實驗結果表明，所提設計方法對航空港外觀重建效果佳，實際應用效果佳。

關鍵詞： 航空港外觀； VI； 重建系統設計； 激光準直； 動態形變； 實體模型

中圖分類號： TN248?34； TU248 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0122?04

Abstract： The design method of the airport appearance system based on the 3D virtual technology conduct the appearance system design by using the airport appearance data obtained by means of the virtual reality technology， resulting in the roughness of the constructed airport appearance model. Therefore， a novel design method of the VI reconstruction system is proposed for the airport appearance. The rough dynamic deformation result of the airport appearance is obtained based on the structure and principle of the laser collimation measurement of the VI. During the collimation beam calibration of the laser， the standard scale division is implemented on the fixed target plate to obtain the accurate dynamic deformation result of the airport appearance. On this basis， the overall point cloud model of the airport appearance is built according to the 3D laser data. The triangular mesh model is generated according to the point cloud model. The point cloud model and triangular mesh model are fused. The complex positions of the airport are built into triangle models， and the positions with regular structures are built into point cloud models， so as to realize the physical model reconstruction of the airport appearance. The experimental results show that the proposed design method has a good airport appearance reconstruction effect and actual application effect.

Keywords： airport appearance； VI； reconstruction system design； laser collimation； dynamic deformation； physical model

現代航空運輸事業迅速發展，世界交通開始進入航空時代，航空港作為新型的特殊交通類型，在外觀設計和地理區位定位上，逐漸成為城市發展的重要標志。如何較好地對航空港外觀進行有效設計，對龐大的建筑體量和占地規模進行規劃[1]，構建出一個環境舒適、外觀優美的乘機環境，是當前的重要研究重點。傳統基于三維虛擬技術設計航空港外觀系統方法，以虛擬現實技術獲取的航空港外觀數據實施外觀系統重建，構建出航空港外觀系統較粗糙。視覺識別系統（VI）是目前進行建筑外觀設計的有效手段，本文將VI技術應用到航空港外觀的重建中，提出新航空港外觀VI重建系統設計方法，提升航空港外觀系統重建質量。

1 航空港外觀VI重建系統設計方法

1.1 基于VI的激光準直測量結構及原理

虛擬儀器技術（VI）可將面陣CCD圖像處理器與NIPCI?1408圖像采集卡進行組合實現對航空港建筑形變的有效測量[2]。該測量裝置除包括上述兩個裝置外，還包括固定靶板、自動鉛錘儀和激光指示器等。該設備進行激光準直測量結構圖如圖1所示。

將準直激光發射器安裝于航空港建筑外部，對激光發射光斑進行精確校準。并將該光斑投置在固定靶板，獲取光斑投射在固定靶板上的圖像[3]，利用CCD圖像傳感器，經由PCI?1408圖像采集卡進行視頻輸出的結果傳輸至計算機。在虛擬儀器程序的處理后獲取固定靶板上光斑的準確位置并記作[（x1，y1）]。當測量航空港外形發生變化時，激光束位置也產生變動，但光斑形態保持為垂直狀態[4]。標記光斑位置[（xi，yi）]，可通過觀察光斑位置變化情況粗略獲取航空港外觀的動態形變結果，并將結果進行保存。

1.2 激光準直光束標定

為獲取更加精確的航空港外觀的動態形變結果，在進行激光準直測量時應對激光準直光束進行標定[5]。標定過程需在固定靶板上實施標準刻度劃分，測量標定步驟有以下幾點：

1） 依照對航空港建筑的形變測量結果有效對靶板和面陣CCD圖像傳感器的位置實施有效固定；

2） 在進行數據準備的同時對固定靶板格網分劃線數據實施填寫；

3） 通過對CCD圖像傳感器的位置調整[6]，得到固定靶板的清晰圖像；

4） 采用計算機對格網分劃線圖像進行多次測量取其平均值；

5） 系統自動顯示計算機測量結果。

基于上文獲取的航空港外觀的形變信息和激光準直光束標定的結果，在此基礎上對航空港外觀進行系統重建，實現對航空港外觀VI重建系統的設計。

2 航空港外觀的VI系統重建

2.1 點云模型構建

1） 控制測量

為提升對航空港外觀的重建精度，首先應獲取航空港外觀精確的三維數據。數據測量過程應遵從由整體至局部，先控制后細節的測量原則[7]。控制測量將整個航空港放于一個測量控制網中，并將之后的航空港數據并入其中構成完整的航空建筑模型。

2） 三維激光數據采集

對航空港外觀的掃描采用三維激光掃描儀，獲取來自不同視角的航空港三維點云模型。為提升對航空港外觀的VI系統重建精度，在構成三維點云模型前需對獲取的激光數據進行整理，剔除不必要的激光數據，獲取精確的三維激光數據。

3） 數據配準

將獲取不同視角的數據基于測量控制網實施有效配準，得到航空港外觀的全方位立體點云圖。通常進行三維激光數據配準采用特征配準方法，尤其是針對控制點進行配準，通常完成一個建筑的外觀三維數據配準需要多種配準方法，有時還需對一些配準手段進行針對性的改動。

2.2 三角網模型構建

1） 三角網模型構建

由三維激光掃描儀獲取的點云模型是由空間中分散的小點構成。這些分離的激光點并沒有完全構成一個完整的實物表面。為獲取航空港具有拓撲關系的外表面，可采用一些算法對該拓撲關系進行修復，構建航空港外觀的三角網模型屬于較簡單方便的拓撲關系修復手段。

2） 簡化三角網模型

由于航空港建筑龐大，三維激光掃描獲取的激光點云數據龐大，在進行三角網建模時，極易出現數據冗雜造成的數據干擾現象。通常一個平面中包含兩個三角網，但過多的點云數據會生成多個三角網[8]，因此就產生了大量的數據冗余。所以在構建完三角網模型后還需對其進行數據簡化。

3） 三角網模型的數據補充

在三維激光掃描儀獲取航空港建筑外觀的點云數據時，由于在掃描過程會受到掃描距離以及其他建筑的遮擋，獲取的航空港外觀點云數據可能存在缺漏，因此數據缺漏處便無法進行三角網模型構建，需要依照建筑外觀特征將缺漏的數據進行補充[9]，最終構成完整的航空港建筑外觀的三角網模型。

2.3 航空港建筑實體模型構建

在構建航空港建筑外觀模型時將點云模型和三角網模型進行有效融合，將兩個模型的優點有機結合，在建筑復雜位置處構建三角模型，結構簡單較為規則的位置構建點云模型。以下為構建航空港建筑實體模型的具體過程：

1） 對建筑的構建進行實體模型構建

航空港建外觀復雜，整體對航空港外觀構件進行識別和全部建模目前難度較大。因此在建模前需將航空港外觀中的構件進行拆分，將整體構件拆分成一些具有規則形狀和不規則形狀的構件，針對外形標準的構件可采用線性回歸或分段擬合的方式進行建模；對于外形不規則構件的建模過程較復雜，進行建模主要提取曲面特征點和特征線段[10]，再經一系列的旋轉、放樣操作來對構件實施建模。若構件外形非常復雜或需要完全保留現狀可進行三角模型建模，因為進行三角模型在建模過程模型損失較小，可更加有效地復原建筑的原型。

2） 航空港建筑構件組裝

將上述過程獲取的構件實體模型放置于同一文件，因為事前已進行過整體測量控制，因此該構件都有專門的坐標系，將該建筑構件依照順序進行組裝即可構成完整的航空港建筑外觀模型。由于對航空港建筑外觀不同構件是拆開進行建模，可能會出現構件間的小空隙和交叉現象，因此需對構件實施誤差修正，最終構建一個完整的航空港外觀實體模型，如圖2所示。

3 實驗分析

為突出比較本文方法獲取航空港建筑外觀光斑采集結果的有效性，將傳統基于三維虛擬技術的航空港外觀重建設計方法，獲取的航空港建筑外觀光斑位移結果與本文方法獲取的光斑變化曲線實施對比，圖3和圖4分別為三維虛擬設計方法獲取的航空港建筑外觀光斑位移結果。

分析圖3和圖4圖像可以看出，采用傳統三維虛擬設計方法，在3 min的實驗測試過程中經常出現無法獲取外觀光斑位移變化的現象，說明三維虛擬設計方法構建的航空港外觀系統在獲取外觀圖像的效果方面存在較強的偶然性誤差，容易出現航空港建筑某一角度圖像無法獲取的結果，對航空港外觀系統的設計造成嚴重的進度干擾。綜合分析上述實驗結果說明，本文方法可準確地利用激光準直測量裝置對航空港建筑動態形變結果進行有效測量，有利于后續航空港外觀的系統的設計。

實驗采用專家評價法分別對本文方法和三維虛擬設計方法進行整體評價，專家評價兩種方法性能優劣從系統的可用性、便捷性、美觀性、功能性、可擴展性以及經濟性六個角度分別評價，為突出比較兩種設計方法的整體得分情況，將六種性能的平均評價結果用圖5來表示。

從圖5可看出：本文方法的各項評價指標的平均得分結果均遠遠優于三維虛擬設計方法的得分結果。從方法的經濟效益方面可以看出，本文方法的經濟效益平均得分在97.4分，三維虛擬設計方法的經濟性評價結果僅有59分，說明基于三維虛擬設計方法在實際應用過程需要大量的資金，不利于實際應用；從方法的外觀美觀性評價結果可看出，本文方法和三維虛擬設計方法的評價得分分別為 95.5分和56.3分，說明本文方法重建的航空港外觀環境舒適，使用過程的用戶滿意度強。綜合以上實驗的分析可知，本文方法實際應用效果好。

4 結 論

本文提出新的航空港外觀VI重建系統設計方法，構建的航空港建筑外觀的精度較高，對重構的航空港外觀的整體評價結果滿意度較好，本文方法重建的航空外觀重建系統實際應用效果顯著。

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