基于無人機的古建筑三維重建技術研究

林月鳳 黃家濤 梁慶業(yè) 李偉揚 陳燕奎

摘要：文物資源作為人類文明的寶貴財富，隨著時間的推移不斷遭到破壞，保護文物古跡成為日益重要的問題。近年來，無人機傾斜攝影測量技術的發(fā)展，為文物古跡數(shù)字化保護與傳承發(fā)揚呈現(xiàn)了全新的技術手段和方法。該文將介紹在無人機技術的基礎上，結(jié)合Smart3D、ModelFun和草圖大師對古建筑進行三維模型的構(gòu)建與單體化建模技術的試驗，探索建筑三維化的生產(chǎn)模式及技術流程，并基于輕量級VR進行三維模型的虛擬展示，效果達到預期目標。

關鍵詞：傾斜測量;三維建模;單體化;VR展示

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）23-0209-03

1 序言

隨著計算機及相關技術的迅猛發(fā)展，以數(shù)字近景攝影測量、虛擬現(xiàn)實等為基礎的數(shù)字化與修復技術廣泛運用于古建筑的保護，并扮演著重要的角色。歷史文物資源是國家和民族的精髓，而隨著時間的流逝和人類活動的影響， 古文物不斷遭到破壞。2019年有著760年歷史的巴黎圣母院被大火燒成煉獄，同時這大火也為物質(zhì)文化遺產(chǎn)的安全防護工作敲響了警鐘，也更加凸顯出基于傾斜攝影測量技術的三維實景建模對于文物數(shù)字化保護工作具有不可替代的作用，以及對于以歷史建筑為代表的文物數(shù)字化保護工作的重要性和迫切性。

在此背景下，基于無人機傾斜測量技術[1]，對古文物建筑進行數(shù)字化、單體化、修復和VR技術虛擬現(xiàn)實等操作，實現(xiàn)文物古跡遺產(chǎn)的數(shù)字化發(fā)展及保護手段創(chuàng)新性發(fā)展，再現(xiàn)文化遺產(chǎn)的種種魅力，是對外傳播客家文化、向世界展現(xiàn)梅州客家文化的新方式，也為其他文物古跡遺產(chǎn)數(shù)字化及三維重建[2]提供借鑒。對古建筑進行數(shù)字化處理， 建成基于網(wǎng)絡的數(shù)字化形式，可進一步開拓文物古跡的保護、修復和展示的新領域，增進文化遺產(chǎn)保護和科學研究技術;同時，數(shù)字化技術的實現(xiàn)對于保護資源、共享資源以及傳播珍貴文物資源具有極其重要的現(xiàn)實意義。

2 古建筑三維模型的構(gòu)建技術

2.1 三維建模技術現(xiàn)狀

傾斜攝影測量技術的迅速發(fā)展推動了三維建模技術的進步，利用傾斜影像進行三維建模，使數(shù)據(jù)采集效率和建模速度大大提高，降低時間與費用成本，且建立的三維模型精度高、紋理貼合，能夠詳細反映地物表面的細節(jié)特征，非常適用于場景真實三維建模。

2.2 模型構(gòu)建思路

本文基于各建模軟件三維模型建模效果較佳的基礎上，選擇Smart3D對古建筑進行實景三維建模。結(jié)合Smart3D對采集到的影像數(shù)據(jù)進行自動化處理構(gòu)建三維模型的流程如圖1所示。

1）空中三角測量處理。將獲得的相應影像進行糾正并自動匹配同名點及提取影像特征點，采用多視影像的匹配與密集匹配技術獲取密集的點云，匹配點云數(shù)據(jù)生成測區(qū)的密集點云，進行空三測量經(jīng)過迭代平差得到傾斜影像外方位元素。

2）影像密度匹配?；谕夥轿辉貥?gòu)建立體像對并采用多視影像密集匹配技術，對多視影像進行逐像素級匹配和特征匹配，多視匹配過程中要盡可能減少遮擋等因素產(chǎn)生的影響，可以多采用豐富的信息，解算出多視影像中同名像點的三維坐標，得到高密度的數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)后可以將不同匹配的單元融合得到統(tǒng)一的DSM數(shù)據(jù)[3]。

3）不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建?？杖用芡瓿?，調(diào)整規(guī)格和匹配好影像數(shù)據(jù)確保分辨率一致后對點云數(shù)據(jù)進行不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建，生成白模。

4）紋理映射。將建模的區(qū)域進行分割，匹配好位置與紋理信息進行紋理映射，紋理映射完成接著不斷進行結(jié)構(gòu)和層次的優(yōu)化后可建成三維模型。

5）三維場景模型。完成上述操作得到三維模型;另外，Smart3D軟件生成的三維模型可以引用OSGB、OBJ、Max等多種格式。

依據(jù)流程可以完成從原始數(shù)據(jù)到場景三維模型和與之相關的其他數(shù)字產(chǎn)品的全自動處理。實質(zhì)上，這個三維模型是一個連續(xù)的三角網(wǎng)，并且這個三角網(wǎng)中的每一個三角面片都有對應的真實紋理影像，如圖2所示。

3 傾斜攝影數(shù)據(jù)三維模型重建與修復的關鍵技術

3.1 三維模型修復

采用ContextCapture將無人機外業(yè)獲取的影像生成的三維模型，經(jīng)過多重檢測與建模后，模型仍然存在很多缺陷，如建筑物和植被等地物細節(jié)部位出現(xiàn)了變形，不能做到完全還原現(xiàn)實物體，因此必須使用相應的三維模型軟件進行修復，還原地物的真實信息，保證其高精度和實用性。

3.2 基于ModelFun對古建筑的修復

下文將基于模方（ModelFun）軟件[4]對古建筑三維模型進行修復研究。模方可以對分瓦塊的obj、osgb模型進行道路置平、水面修整、里面置平、標牌修補、孔洞填補、紋理編輯、測區(qū)裁切等操作，實現(xiàn)對傾斜數(shù)據(jù)的更新、新建、刪除、編輯等操作，專為實景三維模型編輯的工作流進行優(yōu)化。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3.2.1 結(jié)構(gòu)處理

1）除碎片。種子點選擇：地面上進行均勻點選，至少選取5個種且以同一水平面上進行種子點的選取，避開房屋建筑等，可對三維模型周邊多余的碎片進行刪除，使整個模型更加精準。

2）測區(qū)邊緣裁切。繪制裁切線（第一個點位必須在瓦片上進行點選，確認模型位置，后續(xù)點位選擇可按需求進行）;導入裁切范圍文件，調(diào)出選擇框，可選擇“刪內(nèi)”“刪外”兩種選擇，對裁切線進行編輯，提煉出需要處理的區(qū)域，更加精確獲取目標三維場景模型，刪除多余模型數(shù)據(jù)，從而減輕處理的負荷，加快速度、提升效率。

3）道路置平。通過繪制多邊形對obj進行編輯，將數(shù)據(jù)道路進行置平處理，且可以自動附上紋理。將編輯模型視圖中的模型還原至圖像，并自動聯(lián)動至ps，進行表面修整和渲染，可以清除無關地物對目標三維模型造成的影響，更加形象地還原古建筑三維場景模型。

4）刪除小物件。對于懸浮在空中無法修改且造成模型質(zhì)量下降的立體碎片，可以逐個選取漂浮物進行刪除，除去小物件。

5）置平（/補洞）。針對模型中幾何凹凸不平的問題，可將模型幾何立面部分自動置平。在原有PS聯(lián)動修復紋理的操作方式的同時提供自動添加紋理功能，自動為模型貼上原片紋理。

6）立面修整。模型生產(chǎn)中，不能對建筑內(nèi)的修飾如文字、掛相等進行100%的復制還原，清晰度也會降低，因此需要采用高精度照片黏貼在相應的位置上，通過選取處理位置并進行微調(diào)，后選擇相應的處理模式。

3.2.2 紋理處理

1）空三映射。在相應范圍進行繪制，繪制完成后挑選出合適影像進行映射。

2）空白區(qū)域自動映射。針對已處理結(jié)構(gòu)瓦片，不對原工程數(shù)據(jù)進行更新處理時，可直接在ModelFun 軟件中進行空白區(qū)域自動映射，對瓦片賦予紋理。賦予紋理后可在ModelFun 中直接對瓦片進行紋理處理。對 obj 進行處理后，產(chǎn)生新的三角面，這些三角面系統(tǒng)顯示為灰色狀態(tài)是為無UV信息即空白區(qū)域。

3.2.3 模型整體評定

1）基于ModelFun 軟件對模型中出現(xiàn)的多余碎片、道路不平整、墻面“漏洞”等現(xiàn)象進行精細化修復，使得古建筑紋理更加顯著、結(jié)構(gòu)清晰及特征明顯，三維模型整體效果更真實精準，最終修復后的三維模型如圖4所示。

2）實踐證實在實景三維模型精修領域，模方突破原有三維模型后處理技術瓶頸，將三維數(shù)據(jù)的后處理技術上升到一個新的臺階，極大提高處理效率，實現(xiàn)快速達成高質(zhì)量三維數(shù)據(jù)標準，為后面三維模型進行單體化提供更有力完美的支持，極大縮短了項目周期，節(jié)約項目的資金投入與時間成本。

3.3 傾斜攝影三維模型單體化

傾斜測量技術所構(gòu)建的模型是一個連續(xù)的整體，無法對單個目標進行管理和操作，而實現(xiàn)單體化對建筑物三維模型管理及三維GIS應用等方面均有重要意義，可以為建筑的精細化與智能化管理提供經(jīng)驗參考和技術指導。

下面基于SketchUp實現(xiàn)對古建筑三維模型進行單體化研究，采取從外到內(nèi)，從整體到局部的建模方式進行模型單體化的建立;其基本的原理是利用傾斜攝影建立的精細模型進行數(shù)據(jù)的獲取，結(jié)合獲取的數(shù)據(jù)對建筑物進行重建和紋理重采樣，以實現(xiàn)對古建筑三維模型的單體化效果，減少到目的地采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，提高單體化的效率。實現(xiàn)單體化技術流程圖如圖5所示。

1）數(shù)據(jù)獲取。在Smart3D軟件完成模型構(gòu)建后獲取該模型數(shù)據(jù)到SketchUp中進行處理。

2）三維數(shù)據(jù)量取、計算與拼接。對外墻模型進行構(gòu)建，根據(jù)在Smart3D中獲取的墻體幾何數(shù)據(jù)，在SketchUp中進行底圖繪制，拉伸細致處理墻體，并對門窗位置進行鏤空處理，如圖6所示。同理完成窗戶等其他部分部件的構(gòu)建。

3）紋理映射。紋理映射在建模中有重要性，既可更好的還原建筑物的本身，又增強了模型的可觀賞性，在大面積的紋理映射需要使用到包裹貼圖，而在范圍比較準確明顯的平面進行貼圖則使用普通貼圖即可。

4）精細部件重建。對梁、柱、地板、瓦片等一些精細的模型，先建立“部件”，再把部件添加到建筑整體上。在“部件”的建模中，獲取的數(shù)據(jù)準確性很重要，因“部件”獲取的數(shù)據(jù)不夠準確會導致“部件”無法與整體模型整合到一起。

在單體化建模中幾何數(shù)據(jù)的準確性非常重要，精細化在古建筑的單體化建模中是模型價值的體現(xiàn)，確保這兩樣技術同時體現(xiàn)出來，可以先對建筑物進行分解，準確獲取每個“部件”的幾何數(shù)據(jù)后進行單體化建模。這種方式解決了以往建模獲取幾何數(shù)據(jù)難、煩瑣的問題，提高了單體化的效率。檢查到錯誤可以對其“部件”進行修改，更便于對模型的修改和減輕對計算機硬件要求。對建筑瑕疵進行合理的修復，使模型更加美觀逼真、符合真實建筑?；诰毣瘍A斜攝影模型，結(jié)合SketchUp經(jīng)過測量、對比、拼接搭建處理，最終構(gòu)建形成的古建筑三維模型單體化的成果如圖7所示。

4 VR瀏覽技術

4.1 VR技術

三維模型在VR中的展示方法主要有借助第三方平臺/插件[5]和基于游戲引擎[6]編輯完成瀏覽體驗兩種。其中基于Sketchup開發(fā)的插件——Dsketch，可以極大簡化VR設計到展示的流程，使設計師能夠沉浸在三維空間中，有效輔助設計之初推敲空間尺度的合理性，從而對設計成果進行有效反饋[7]。

4.2 三維模型展示體驗

本文采用第三方平臺/插件的方式實現(xiàn)建模軟件導出和快速VR瀏覽體驗。以古建筑三維模型為例，搭建一座連接傳統(tǒng)設計工具與VR虛擬世界的“橋”，通過這座橋，將Sketchup模型導入，配合Dsketch插件直接轉(zhuǎn)換生成VR虛擬場景，通過配戴VR頭顯設備（與移動端連接），完成在移動端上，對設計模型漫游的效果。該方法不需要依靠游戲引擎這種復雜的渲染方式來達到虛擬場景的生成，在向客戶或外界宣傳時也能大大節(jié)省人力、時間成本，簡化流程，提高展示效率，古建筑三維模型瀏覽最終效果圖如圖8所示。

5 結(jié)語

本文針對基于無人機傾斜攝影測量實現(xiàn)古建筑三維重建的技術進行研究。先到野外勘測采集古建筑影像數(shù)據(jù)，在Smart3D中進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對古建筑三維模型的構(gòu)建，并借助Mode1Fun進行模型修復技術研究，完成三維模型的精細化，接著基于SketchUp對古建筑三維精細化模型的單體化技術流程進行實現(xiàn)，最后完成三維模型的VR技術的探索與展示瀏覽體驗。保護和修繕文物古跡非常重要的方法就是實現(xiàn)三維實景模型的構(gòu)建，采用無人機技術可以完整、快速構(gòu)建三維模型，節(jié)省人力物力，增強工作效率;同時，實現(xiàn)三維模型的單體化和VR展示技術，對于我國文物古跡的保護與傳承更是提供了全新的技術路線和方法措施（如：建立文物古跡數(shù)據(jù)庫保存不同的文物古跡數(shù)字化模型等。），也為今后建筑模型的管理和應用、三維GIS的應用等方面提供寶貴的技術經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 高哲.探討無人機傾斜攝影測量的關鍵技術及應用領域[J].工程建設與設計，2020（2）：255-256.

[2] 陳嘉琦，張寅，王淑晴.基于Smart3D的傾斜影像三維建模研究[J].河南科技，2018（25）：16-19.

[3] 蔡香玉.基于無人機傾斜攝影場景建模的建筑物單體化方法[D].南京：南京師范大學，2018.

[4] Copyright? 2019 by 大勢智慧. All Rights Reserved.模方（ModelFun）軟件用戶手冊.

[5] 多維坍縮.VR開發(fā)[Z].CSDN，2017-07-29.

[6] 張鑫.Small Dots - 知乎專欄[Z].知乎，2017-03-12.

[7] 柏淋.SketchUp裸模全景制作插件[Z].活力網(wǎng)，2019-02-16.

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