基于多視角影像的古建筑三維模型重建

陳姝麗 王濤 凌王章

摘?要：多視角影像三維重建技術(shù)是計算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個重要研究內(nèi)容，它具有操作簡單、建模效率高、建模成本低的特點。本文通過采集古建筑多視角影像，利用Context Capture三維實景建模軟件對文星閣進(jìn)行三維模型重建，對古建筑的保護(hù)和數(shù)字化存檔具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：古建筑;多視角影像;三維實景模型;Context Capture

中圖分類號：TN957.52文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

Abstract：Multi view image 3D reconstruction technology is an important research content in the field of computer vision.It has the characteristics of simple operation，high modeling efficiency and low modeling cost.In this paper，we use context capture to reconstruct the three-dimensional model of Wenxing Pavilion by collecting multi perspective images of ancient buildings，which is of great significance for the protection and digital archiving of ancient buildings.

Key words：Keywords ancient architecture;multi view image;3D real scene model;Context Capture

2019年4月15日，巴黎圣母院發(fā)生了嚴(yán)重的火災(zāi)，其標(biāo)志性尖頂在大火中倒塌，世界各國的人們都感到了震驚和惋惜。幸運的是，美國瓦薩學(xué)院藝術(shù)部的終身教授安德魯·塔隆先生曾為巴圣母院建立了完整的3D數(shù)字檔案，這對巴黎圣母院的重建具有重要意義。隨著文物古建的損壞和逐漸消失，對文物古建的保護(hù)和數(shù)字化存檔已經(jīng)迫在眉睫。

多視影像三維重建技術(shù)是將二維影像轉(zhuǎn)換為三維模型的過程，現(xiàn)廣泛運用于數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)學(xué)研究、文物保護(hù)等領(lǐng)域[1]。本文研究采用Context Capture軟件對文星閣進(jìn)行三維實景建模，為其以后的數(shù)字化存檔提供參考。

1 三維模型重建技術(shù)與方法

1.1 三維模型重建

三維模型重建是通過深度數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、點云配準(zhǔn)、點云融合、形成表面等手段，對真實場景建立適合計算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，也是在計算機(jī)中建立客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

1.2 三維模型重建的方法

目前運用最多的三維重建方法主要有三種：圖像建模、三維激光掃描建模、三維幾何建模。基于圖像建模是將多幅不同角度的二維影像通過算法運算對其三維信息進(jìn)行恢復(fù)的過程，數(shù)據(jù)主要通過航空傾斜攝影測量技術(shù)、航空相片、數(shù)碼相機(jī)來獲取，其建模成本不大，操作容易上手等特點使其在未來有很大的發(fā)展空間[3]。三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它能提供被掃描物體表面的點云數(shù)據(jù)，用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型，適用于面積大、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜物體的精細(xì)建模，精度高，但由于點云數(shù)據(jù)量大，內(nèi)業(yè)處理困難，需要多種軟件配合使用，建模自動化程度低[4]。幾何建模是通過對點線面體等幾何元素的數(shù)學(xué)描述，經(jīng)過算法運算生成三維模型，常用的三維幾何建模軟件主要是3D MAX、MAYA等。

2 多視角影像三維模型重建

2.1 多視角影像三維重建原理

多視角影像三維重建是通過一臺或多臺影像采集設(shè)備，對真實場景或三維物體進(jìn)行影像采集，采集多張相同場景的物體全方位影像，根據(jù)成像原理對影像信息及影像間的幾何關(guān)系進(jìn)行逆投影計算恢復(fù)其特征，并擬合確定物體三維信息，其原理結(jié)構(gòu)如下圖1所示[5]。

2.2 多視角影像三維重建軟件

常用的多視角影像三維重建軟件主要有Bentley公司的基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件Context Capture;Skyline旗下的傾斜攝影自動批量建模軟件PhotoMesh和Agisoft PhotoScan等，還有基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件Altizure，3D could[6]。

2.3 Context Capture介紹

本文主要采用 Context Capture進(jìn)行建模，該軟件的前身是法國Acute3D公司設(shè)計的三維建模軟件Smart 3D Capture，但其于2015年被Bentley公司收購，后更名為Context Capture。它是一款集合了數(shù)字影像處理、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實和計算機(jī)幾何圖形算法的全自動高分辨率三維實景建模軟件。構(gòu)建模型真實、數(shù)據(jù)量小、兼容多種數(shù)據(jù)格式、操作簡易等方面的特點，代表了目前全球相關(guān)技術(shù)的最高水準(zhǔn)。

3 古建筑三維模型重建

本文研究的古建筑影像采集對象為文星閣，該古建筑坐落于玉溪市紅塔區(qū)玉興路街道辦事處小廟街，是玉溪市文廟古建筑群僅存的一部分，于康熙五十二年（公元1713年）建成。經(jīng)1984年、2005年兩次重新修繕彩繪。其坐東向西，閣樓高16.8米，系兩樓一底木結(jié)構(gòu)建筑，為三層四角攢尖屋頂，各層高度均由下至上逐層收縮，每層四角均有四根紅漆木柱，閣樓四周均有12根紅漆木柱，是市級文物保護(hù)單位。本文研究技術(shù)路線圖如下圖2所示：

3.1 影像采集

由于實驗區(qū)域周圍環(huán)境相對復(fù)雜，有建筑和樹木等遮擋，所以本文影像采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)備參數(shù)如下表所示：

影像采集時，使用同一高度對文星閣進(jìn)行360度全方位拍攝，每兩個拍攝點到被攝物體中心之間的夾角為6°，以保證影像之間有足夠的重疊度。影像采集完后手動剔除不合格的影像，如曝光過度、虛焦等，并檢查影像是否有漏拍，對影像缺失的地方進(jìn)行補(bǔ)拍。

3.2 空中三角測量

在Context Capture軟件中，新建一個新的項目，導(dǎo)入篩選過的影像，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，進(jìn)行空中三角測量計算，提取影像特征點，對同名特征點進(jìn)行匹配，推算出拍攝對象的位置等環(huán)節(jié)，先生成稀疏點云，如下圖3所示：

3.3 三維模型重建

重建三維模型，軟件可根據(jù)稀疏點云生成密集點云，并進(jìn)行TIN模型構(gòu)建。由于影像建模對電腦配置要求較高，當(dāng)密集點云量較大時，需要對其進(jìn)行切塊處理，分割為若干瓦片，瓦片大小可以根據(jù)電腦性能來進(jìn)行調(diào)整。本文研究將點云分割為9個瓦片，如下圖4所示。根據(jù)分割好的瓦片，重新提交新的生產(chǎn)任務(wù)，構(gòu)建TIN模型，如下圖5所示。最后自動對TIN模型進(jìn)行紋理映射，生成文星閣三維實景模型，如下圖6所示。

3.4 三維模型導(dǎo)出與展示

Context Capture支持不同格式的模型導(dǎo)出，包括3MX、S3C、OSGB、OBJ等，不同的格式可以導(dǎo)入相應(yīng)的軟件進(jìn)行后期瀏覽和處理。模型保存后，通過Acute3D Viewer打開模型，可以進(jìn)行精確測量。三維實景模型的精度大大依賴于拍攝設(shè)備的像素和影像處理的算法，像素越高，算法誤差越小，所構(gòu)建的模型真實。

4 總結(jié)

本文通過研究，和其他三維重建方法相比，基于多視角影像的三維重建操作簡單，建模速度快、效率高，自動化程度高，設(shè)備成本低廉，模型效果逼真，對于研究人員的專業(yè)技術(shù)要求不高，應(yīng)用前景廣闊。但是它也存在一些弊端，在本次實驗中，由于文星閣周圍環(huán)境復(fù)雜，四周建筑物、樹木較多，拍攝難度較大，導(dǎo)致模型有部分孔洞。在我國，大部分古建筑其實不高，無人機(jī)環(huán)繞拍攝效果更好，在建模對象周圍環(huán)境較為復(fù)雜時，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)采集影像所建成的模型效果將會更好，在今后的研究中，將探討無人機(jī)傾斜影像與數(shù)碼影像的點云融合建模應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練（201811390002）、云南省高校測繪與地理空間信息技術(shù)重點實驗室（2014061）資助

作者簡介：陳姝麗（1998-），女，漢族，云南玉溪人，本科，研究方向：土地資源管理。

通訊作者：王濤（1987-），男，漢族，陜西西安人，碩士，助教，研究方向：三維激光點云及影像處理。