淺談三維建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀

吳曉紅

（唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 唐山063000）

物體三維重建是計(jì)算機(jī)與幾何設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域的核心技術(shù)，它一直是一項(xiàng)熱門(mén)的研究方向。

1 研究目的

三維建模是研究如何利用物體的二維數(shù)據(jù)最終生成三維的物體，是指在計(jì)算機(jī)可以表示，處理等其他操作的前提下，對(duì)三維建筑物建立數(shù)學(xué)模型，用來(lái)建立和表達(dá)真實(shí)世界的虛擬現(xiàn)實(shí)。一種是通過(guò)人機(jī)交互，使用建模軟件來(lái)生成的可控的三維模型，另一種是通過(guò)一些先進(jìn)的測(cè)量手段，獲取到物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理、拼接等過(guò)程得到物體真實(shí)的三維形狀。現(xiàn)如今，現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展十分迅速，且需求也越來(lái)越廣泛。以前三維建模多用于視覺(jué)檢測(cè)等方面，現(xiàn)如今多應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)游戲、藝術(shù)和電影等領(lǐng)域。近年來(lái)此項(xiàng)技術(shù)又?jǐn)U展到了建筑和歷史文物遺產(chǎn)保護(hù)、零件制造、生物醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域，有效的記錄了一些古代文化遺產(chǎn)，為日后的分析和重現(xiàn)，包括網(wǎng)絡(luò)博物館的實(shí)現(xiàn)等提供了可能。而且三維建模能夠縮減投入費(fèi)用和周期，為數(shù)字城市的推進(jìn)和建設(shè)等方方面面創(chuàng)造了非常大的經(jīng)濟(jì)效益，并且隨著大數(shù)據(jù)等各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，三維建模將在規(guī)劃設(shè)計(jì)和智慧城市等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，有很高的研究和利用價(jià)值。

三維建模的發(fā)展已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科中，在數(shù)字校園中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種普遍的現(xiàn)象。作為數(shù)字城市的組成部分，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)有數(shù)據(jù)采集、處理、編程實(shí)現(xiàn)幾個(gè)過(guò)程[5]。同樣的方法，我們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字社區(qū)甚至數(shù)字城市，現(xiàn)以北建大校園為例，利用City Engine 與Arc GIS、Auto CAD 結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)建筑物的三維建模。所用到的City Engine 軟件與SketchUp 或者3ds MAX 等三維建模軟件不同，它是利用其特有的規(guī)則，賦予在相應(yīng)的矢量二維平面數(shù)據(jù)上，從而實(shí)現(xiàn)迅速建模，也可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)建筑物的建模。除此之外，利用CityEngine 建立的三維模型能夠完美的與GIS 軟件相結(jié)合，所建立的模型可以進(jìn)行空間位置的查詢(xún)，含有屬性信息，很大程度上縮短了三維建模的時(shí)間，減少了資金的投入[6]。大量的高校現(xiàn)已經(jīng)跟隨著信息化發(fā)展的進(jìn)程，逐一展開(kāi)數(shù)字校園和智慧校園系統(tǒng)建設(shè)。但其中的校園地圖多數(shù)是二維的，雖然能夠展示出建筑的相對(duì)地理位置，但是在體驗(yàn)觀賞方面有所欠缺，不能夠讓大家更真實(shí)的、直觀的對(duì)學(xué)校進(jìn)行了解和瀏覽。所以本文將利用city engine 三維建模系統(tǒng)，以CAD 矢量數(shù)據(jù)地形圖以及衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，將CAD 線性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS 數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星影像進(jìn)行修改，并添加其屬性數(shù)據(jù)。用其特有的CGA（computer generated architecture，計(jì)算機(jī)生成的建筑模型）規(guī)則[2]實(shí)現(xiàn)對(duì)北京建筑大學(xué)大興校區(qū)的區(qū)域性快速三維模型重建。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字校園、智慧校園，更好的為大家服務(wù)。

2 研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字城市的快速發(fā)展，以及先進(jìn)的自動(dòng)化的儀器的生產(chǎn)與研發(fā)，計(jì)算機(jī)輔助下的物體三維重建技術(shù)已經(jīng)從一開(kāi)始的全手工建模轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在的人機(jī)互動(dòng)式半自動(dòng)化的三維建模。相對(duì)應(yīng)著三維建模的需求也進(jìn)一步的加大。很多的科研機(jī)構(gòu)都展開(kāi)了對(duì)三維建模技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。美國(guó)的Skyline、ESRI 軟件公司推出了各自的三維建模軟件。

目前三維建模獲取數(shù)據(jù)的方法大致分為兩種：接觸式方法和非接觸式方法。 CMMS、Robotics Arms 等為目前接觸式的方法。而非接觸式的方法是利用現(xiàn)在的先進(jìn)儀器設(shè)備，如三維激光掃描儀、無(wú)人機(jī)、LiDAR 等通過(guò)光、磁場(chǎng)等媒介獲取目標(biāo)物體相關(guān)數(shù)據(jù)，分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。像三維激光掃描儀一樣直接利用光學(xué)原理，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行光學(xué)掃描，利用相關(guān)軟件分析掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維重建，就是基于主動(dòng)視覺(jué)的三維重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。雖然可以得到大量的物體表面信息，但是其成本較高，且受環(huán)境場(chǎng)景約束，后期的處理也較為復(fù)雜。而基于被動(dòng)視覺(jué)的三維重建技術(shù)，例如近景攝影測(cè)量等，通過(guò)分析圖像序列信息，進(jìn)行逆向工程得到目標(biāo)物體的三維模型。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)光照要求不高且操作簡(jiǎn)單、成本較低，但在物體細(xì)節(jié)和特征方面不如主動(dòng)視覺(jué)的三維重建精確。綜合接觸式和非接觸式兩種方法，雖然非接觸式應(yīng)用范圍很廣泛，但是在精度方面沒(méi)有接觸式方法高。

閆陽(yáng)陽(yáng)等（2016）將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，分別獲取地面和建筑物頂部的空間三維信息,用3ds Max 軟件對(duì)建筑物進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)了小范圍的場(chǎng)景建設(shè)。朱劍偉(2018)利用無(wú)人機(jī)使其對(duì)建模對(duì)象進(jìn)行外部的拍攝，包括屋頂以及墻體。再利用三維激光掃描儀等對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)法拍攝到的地方進(jìn)行局部的掃描，從而獲得密集點(diǎn)云。最后利用無(wú)人機(jī)影像生成的密集點(diǎn)云與掃描儀生成的點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，用3dsMax 對(duì)建筑物進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)了建模的精細(xì)化。賈雪等(2019) 用三維激光掃描儀對(duì)建筑物進(jìn)行點(diǎn)云的獲取，并用HD＿3LS＿SCENE 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得優(yōu)質(zhì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3dsMax 軟件中進(jìn)行分塊兒建模，最后進(jìn)行統(tǒng)一的組裝，得到一個(gè)完整的、高精度的、具有較高真實(shí)性的建筑物三維模型。

雖然三維建模技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，自動(dòng)化程度有了很大的提升，但是放眼總體，目前三維建模依然是傳統(tǒng)的手工建模方式居多，通過(guò)一些建模軟件手工建立三維模型，雖然其建模精度高，但是效率較低，且花費(fèi)時(shí)間周期長(zhǎng)。2010 年6 月，CityEngine2010 的出現(xiàn)使得城市三維快速建模成為了可能，1 緒論它不再是手工建模，而是基于規(guī)則的自動(dòng)化建模。雖然其具有快速建模的優(yōu)勢(shì)，但是也存在著不好上手以及需要大量的細(xì)致的一系列屬性信息才能得以物體的三維建模，同時(shí)，對(duì)于一些較為復(fù)雜的建筑，對(duì)CityEngine 來(lái)講建模起來(lái)過(guò)程更加的復(fù)雜，這時(shí)就需要用到像3dsMAX、SketchUp 之類(lèi)的精細(xì)化建模軟件，多種軟件相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)最終的區(qū)域性的建模。

3 結(jié)論

在智慧城市、數(shù)字城市快速發(fā)展的今天，三維建模技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊，基于規(guī)則的參數(shù)化建模方式將會(huì)成為城市三維建模的主流發(fā)展趨勢(shì)。