照片建模技術研究及其運用

摘? 要：照片建模技術，是指通過相機等設備對物體進行采集照片，經計算機進行圖形圖像處理以及三維計算，從而全自動生成被拍攝物體的三維模型的技術，屬于三維重建技術范疇。針對傳統建模方法對建模初學者存在一定難度，本文將介紹照片建模技術的優點和技術原理，并分別以Agisoft Metashape、Trnio兩個軟件設計具體案例介紹其工作流程。

關鍵詞：照片建模;Agisoft Metashape;Trnio? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 中圖分類號：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1671-0134（2020）01-123-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.01.036

本文著錄格式：廖無雙.照片建模技術研究及其運用——以Agisoft Metashape和Trnio為例[J].中國傳媒科技，2020，01（01）：123-125.

1.幾種建模方法分析

1.1傳統建模方法的局限

傳統建模方法是指模型師通過平面圖作為參考，利用三維模型制作軟件（如3DMAX、MAYA等），從基礎的三維幾何體開始，不斷調整和優化，最終創建出目標三維模型。這種方式存在許多局限： 首先，對建模人員的要求較高，復雜模型類型需模型師達到高專業水平;其次，時間成本高，建模人員需要先讀圖，了解目標物體的大體及細節結構后再根據圖紙創建三維幾何形狀直至完成建模。

1.2三維激光掃描技術的缺點

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它存在幾個問題：一是對被掃描物體的空間尺寸有一定限制，雖然能對大型物體進行掃描，但工作難度太大;二是激光掃描設備價格與其掃描質量成正比，對于一些簡單物體進行三維重建，投入成本太高。

1.3照片建模的優勢

照片建模的主要目的是由二維圖像恢復物體的三維幾何結構，目前主要應用于3D打印、廣告制作、虛擬現實、影視制作等領域，市場上的照片建模軟件眾多。與傳統建模方法相比，這種方法操作簡單，時間及人工成本低廉，對硬件的要求較低，基本不受空間限制，應用前景十分廣泛。

2.照片建模軟件流程簡介及實際應用案例

通過多視角、多層次的拍攝獲取一組重復率高的目標照片，通過提取各照片的特征點，依據這些特征點算出照片的三維位置，得到稀疏點云，進而經過密集匹配獲得物體表面密集點的三維坐標，得到的密集點云包含大量場景信息，往往需要對點云進行處理，剔除多余信息，處理完點云之后，下一步是進行網格化，目前都是基于三角面結構的網格結構，最后是紋理優化。工作流程如圖1所示：

2.1 Agisoft Metashape

俄羅斯Agisoft Metashape是一款獨立的軟件產品，單機運行，程序穩定，數字地形繪制、三維重建等功能應有盡有，已經成功用于影視、地形測繪、3D打印等諸多領域。而且界面友好，可擴展性強， 可與其他圖形圖像軟件互聯互通，配合使用，綜合性能一流。

2.1.1獲取素材

拍攝時避免虛焦、反光、曝光過度或曝光不足等問題，將ISO盡量設置為最低值，避免高ISO值對圖像產生額外的噪點，拍攝背景保持簡潔，拍攝時保持每兩張相鄰照片之間的重復區域在50%-60%，另外，為避免模型表面形成空洞，可對細節部分進行捕捉。本次測試場景選在室內，光照均勻，拍攝相機設備選擇Canon EOS，拍攝對象為毛絨玩具，相機設置如下：光圈：f/11，快門速度：1/5，感光度：400。對其360度環繞、垂直方向2個機位拍攝共計45張照片。

2.1.2處理數據

導入照片：在Agisoft Metashape中導入圖片后，為了確保三維重建的質量，首先應在照片窗口全選素材-右鍵菜單-評估照片質量，在保證重疊度的前提下將照片質量小于0.8的照片刪除。

對齊照片：在菜單欄Workflow選項中選擇Align Photos即可進行對齊圖片，在這里可以對精度等參數進行選擇，精度越高對計算機的性能要求越高，一般選High。這個過程根據重建對象的復雜程度大概耗時幾分鐘到幾小時不等，此次目標對象較簡單，耗時僅8分鐘，得到的稀疏點云模型生成9413個空間像素點，這時我們可以看到模型的大體樣貌。

建立密集點云：在菜單欄Workflow選項中選擇Build Dense Cloud，此步驟也要選擇精度，在此例中依舊選擇High，下面的Depth filtering（深度濾波）選項可以選Mild或Aggressive，Mild對噪聲處理效果有限，但是對模型細節的破壞少，Aggressive降噪的效果好，但是對模型產生細節破壞，本例中選擇Aggressive。此步驟耗時約25分鐘，最后生成505萬個空間像素點，得到的密集點云已經很清楚地還原了模型的大致樣貌，多余的場景部分可以用點云編輯工具直接去掉，非常方便。

生成網格：執行Workflow-Build Mesh，耗時20分鐘，生成101萬個三角面。以上各步驟得到的結果如圖2所示：

建立紋理：同樣點擊菜單欄Workflow，選擇Build Texture，保留默認選擇即可，耗時約5分鐘，得到的模型結果從各個角度展示如圖3所示。

最后得到的模型還原效果基本滿意，雖然還有一些需要改進的地方，但相比傳統的建模方法，其最大的優點便是節約了時間成本，該軟件還可以一次批量處理多個模型重建，互不影響。

為了驗證建模對象材質對建模結果有一定影響，本次研究進行了第二組測試。第二組測試拍攝對象為雕塑，從各個角度共拍攝了30張照片。各流程截圖及結果如圖4所示：

可見，在照片建模過程中，表面平滑堅硬的材質更容易進行重建，紋理細節還原度越高。經過查閱相關資料和其他數次試驗數據影響建模結果的因素還有很多，如圖像質量、光照等，這里不再進行贅述。

2.2 Trnio

Trnio是一款交互型手機APP，目前僅支持iPhone，它的工作流程和Metashape基本一致，但它采用云處理，用戶只要將照片上傳至云端，即可全自動生成三維模型。Trnio采用三種掃描方式，一種是用手機相機拍攝，拍攝時啟動一種突發模式，360度跟蹤物體周圍的路徑，會自動最多拍攝70張照片。第二種模式是ARKit模式，它使用Apple的ARKit技術來指導用戶掃描，這是最快最簡單的掃描模式。第三種模式是直接從iPhone的相機膠卷中加載（最多80張）照片。在捕獲照片之后，照片將上傳到云端并進行處理，處理時間大概十幾分鐘到幾十分鐘不等。處理完成后可以進行低分辨率預覽。此外，該應用程序具有裁剪功能，通過從模型的頂部和側面視圖進行選擇，可以選擇要保留的部分。

本次測試場景選在室內，光照強，拍攝設備為iPhone 6S Plus，拍攝對象為顏色鮮艷的毛絨玩具，采用第一種掃描方式共獲取51張有效照片。實驗結果如圖5所示。

由于Trnio上的所有內容都在云中，它本身也是一個類似于Instagram的社交網絡APP，可直接從應用程序共享3D掃描，在線導出3D模型到展示網站Sketchfab，在瀏覽器中訪問Sketchfab后，可導出OBJ文件以便后期制作。

結語

無論是利用智能手機或者數碼相機獲取的素材都可在照片建模軟件中進行三維重建，建模精度基本滿足需求。相比于傳統的建模方式，可節約大量的時間人力成本，在經過重拓撲和UV布局等操作之后的模型完全可以運用到影視制作中。隨著計算機技術的不斷發展和照片建模軟件不斷地完善，利用照片建模三維重建的質量將繼續提升，發揮更強大的作用。

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作者簡介：廖無雙，女，漢族，湖南長沙，北京電影學院中國電影高新技術研究院2017級碩士研究生，研究方向：數字電影技術。