巖礦石標(biāo)本三維重建技術(shù)優(yōu)化

李 銳， 張 婭， 陳志軍

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院a.理學(xué)院；b.大數(shù)據(jù)研究中心，廣西桂林541004；2.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，武漢430070）

0 引 言

巖礦石手標(biāo)本具有原始性、客觀性、唯一性與不可再生性。地質(zhì)過程中地質(zhì)標(biāo)本獲取成本高，管理難度大，服務(wù)利用條件復(fù)雜。以巖芯標(biāo)本為例，巖芯標(biāo)本的獲得需要花費(fèi)大量的人力物力，且常因采樣、風(fēng)化等因素造成巖芯錯(cuò)亂、缺失和破壞。需要建立龐大的實(shí)體巖芯庫來存放巖芯，但也會(huì)因?yàn)轱L(fēng)化的影響致使巖芯質(zhì)量變差。結(jié)合地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，礦床學(xué)手標(biāo)本數(shù)量有限，學(xué)習(xí)人數(shù)多且實(shí)驗(yàn)室空間局限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程安排緊張，致使學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間縮短，不能深入研究地質(zhì)現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)多家地質(zhì)類高校、科研所的教育信息化工作正如火如荼地開展。由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、中國(guó)地質(zhì)博物館等7 家以上國(guó)家級(jí)巖礦化石標(biāo)本資源保存單位共同創(chuàng)建“巖礦化化石資源共享平臺(tái)”［1］。該平臺(tái)從2003 年創(chuàng)建至今，以二維圖像的形式完成4.1 萬件巖礦化石標(biāo)本資源的數(shù)字化，完成古生物化石群專題2 個(gè)，中國(guó)典型礦床專題10 個(gè)，珠寶玉石手機(jī)版電子書19 部，建立了巖石學(xué)專題——中國(guó)榴輝巖專題，并建立了含1 200 張精美圖片的礦物晶體專題圖片庫［1］。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源實(shí)物地質(zhì)資料中心組織實(shí)施全國(guó)實(shí)物地質(zhì)資料摸底調(diào)查，初步掌握實(shí)物地質(zhì)資料管理現(xiàn)狀，截止2017年2 月底，已經(jīng)擁有或者正在建設(shè)中的實(shí)物地質(zhì)資料資源庫有20 個(gè)省份，占全國(guó)65%［2］。該中心按照典型性、代表性、特殊性、系統(tǒng)性原則接收和采集611 份實(shí)物地質(zhì)資料、954 個(gè)鉆孔、485 083 m巖芯、26 017 塊普通標(biāo)本、314 個(gè)大型礦石標(biāo)本、46 261 片光薄片，初步形成了以典型礦山巖芯和區(qū)調(diào)標(biāo)本為主體、以大陸科鉆巖芯巖屑和“金釘子”標(biāo)本等為精品的國(guó)家實(shí)物資料館庫藏體系［3］。上述的兩大平臺(tái)收集整理數(shù)量龐大的地質(zhì)標(biāo)本，并借以圖像、視頻等可視化方式進(jìn)行傳播，在地質(zhì)標(biāo)本數(shù)字化方面踏出重要一步。

但是結(jié)合當(dāng)今大數(shù)據(jù)技術(shù)、云技術(shù)、可視化技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)的三維模型如雨后春筍一般涌現(xiàn)。新的傳播方式相比圖像、視頻更具吸引力。運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成整合數(shù)字化巖礦石、巖芯、礦石光片等實(shí)物地質(zhì)資料，實(shí)現(xiàn)礦床學(xué)實(shí)物地質(zhì)資料三維交互演示、在線提供服務(wù)［4］。優(yōu)化巖礦石手標(biāo)本三維建模技術(shù)，獲得紋理更加清晰的三維模型。為將來的多種礦床學(xué)實(shí)物地質(zhì)資料三維建模提供保障，為“互聯(lián)網(wǎng)＋地質(zhì)教育”提供技術(shù)支撐。

1 三維重建技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)視覺發(fā)展，虛擬仿真現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行各業(yè)都受到了廣泛關(guān)注。三維重建技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)性技術(shù)也趨向多樣化。目前常用的三維建模技術(shù)分為3 類，①基于幾何模型建模技術(shù)［5-6］，該技術(shù)僅適結(jié)構(gòu)、紋理簡(jiǎn)單的地質(zhì)標(biāo)本，如色澤較暗的巖石標(biāo)本［7］。缺點(diǎn)是不能很好地適用于種類繁多、紋理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巖礦石標(biāo)本。②激光掃描法［8-9］，該技術(shù)可瞬時(shí)得到空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可快速構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紋理清晰的三維模型［10］。該技術(shù)精度高、省時(shí)省力，但成本相對(duì)較高，適合一些價(jià)值較高的實(shí)物標(biāo)本建模。③多視圖圖像三維建模技術(shù)［11-13］。該技術(shù)已應(yīng)用在文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)研究、城建、軍事等諸多方面［14-16］。具有低廉，實(shí)用能力強(qiáng)、模型質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，很好地適用于數(shù)量眾多的巖礦石標(biāo)本。

特別是近些年，無人機(jī)航飛高質(zhì)量照片的快速獲取，使得基于多視圖三維重建技術(shù)開展較大場(chǎng)景的三維建模應(yīng)用［17］。隨著相機(jī)鏡頭的成像質(zhì)量和分辨率的大幅度提高，以及數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)的高性價(jià)比，使得基于較小尺度場(chǎng)景的三維建模有了更廣闊的發(fā)展空間。在地質(zhì)標(biāo)本的三維模型構(gòu)建中，陳志軍及其研究團(tuán)隊(duì)［18-19］在國(guó)內(nèi)率先開展了巖礦石、巖芯標(biāo)本的三維建模及其虛擬展示研究，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得了同行的高度關(guān)注。

2 三維重建軟件優(yōu)選

多視圖圖像三維重建方法，催生了一些相對(duì)成熟的三維重建軟件。本文選取Autodesk ReCap photo、3DF Zephyr、PhotoScan 線上、線下兩種類型軟件。以巖芯樣品為例，分別構(gòu)建了三維模型（見圖1）。從圖中可見，3DF Zephyr軟件重建出的巖芯三維模型，形態(tài)完整，紋理相對(duì)其他兩個(gè)軟件的模型更為清晰，PhotoScan軟件構(gòu)建的巖芯三維模型形狀完整、紋理較為清晰，Autodesk ReCap photo軟件構(gòu)建的三維模型形狀也完整，紋理較為清晰。綜合從建模平均時(shí)間、建模質(zhì)量、模型可編輯性方面綜合比較3 個(gè)軟件對(duì)地質(zhì)標(biāo)本的三維重建的性能（見表1）。從建模質(zhì)量上看，3DF Zephyr 建模軟件比其他兩個(gè)軟件稍好。此外，PhotoScan軟件提供了更多的實(shí)用工具，可以對(duì)三維模型進(jìn)行提取、測(cè)量等編輯工作。因此，本文選擇PhotoScan軟件作為建模工具開展研究，下面介紹基于PhotoScan軟件優(yōu)化建模過程，以此獲得高質(zhì)量的三維模型。

表1 不同軟件建模性能比較

圖1 不同軟件三維模型效果比較

3 基于PhotoScan軟件的建模優(yōu)化

3.1 優(yōu)化原始圖像質(zhì)量

原始序列圖像是虛擬三維模型的基礎(chǔ)，圖像質(zhì)量直接決定最終建模效果，影響照片質(zhì)量的關(guān)鍵因素有：分辨率、景深大小、感光強(qiáng)度，焦距等。提升圖像分辨率可在一定程度上提高模型整體質(zhì)量，尤其是模型放大時(shí)的紋理精度。但提升圖像分辨率同樣需要考慮建模運(yùn)行成本，經(jīng)驗(yàn)分辨率為6 096 ×4 096，本次圖像紋理分辨率為6 096 ×4 096。光圈值大小決定進(jìn)光量，小光圈（大F 值）會(huì)減少進(jìn)光量。相反，大光圈（小F值）會(huì)增加進(jìn)光量。與此同時(shí)，光圈值的大小對(duì)景深也有影響。小光圈大景深，大光圈小景深，圖2 展示了光圈值對(duì)景深以及特征點(diǎn)數(shù)量的影響。使用攝相機(jī)對(duì)同一位置建模物體拍攝不同光圈值圖像，考慮到小光圈（大F值）會(huì)減少進(jìn)光量，拍攝時(shí)降低快門速度或提高感光度來保證兩張照片有相似的曝光強(qiáng)度。使用Visual SFM軟件提取了兩張圖像的特征點(diǎn)，結(jié)果表明，大景深能夠獲得被攝物體前后更大的距離范圍，也保證圖像更多特征點(diǎn)被提取出來，提高圖像匹配精度，進(jìn)而提高模型質(zhì)量。感光強(qiáng)度理論上而言，拍攝環(huán)境光線充足情況下感光強(qiáng)度越低圖像質(zhì)量越高，相反，圖像質(zhì)量就越低。但是實(shí)際上要綜合考慮各個(gè)參數(shù)的綜合設(shè)置，不能一味的設(shè)置低的感光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明感光度低于100，在保證圖像清晰的情況下降低快門速度，減小光圈值得到的圖像光線偏暗，推薦拍攝時(shí)ISO 值范圍為200 ～640，與此搭配的快門速度為100，光圈值F11 ～F13。針對(duì)不同表色的標(biāo)本，ISO 在這個(gè)范圍隨機(jī)而變，且不同大小的標(biāo)本，光圈值也隨之改變。拍攝圖像是焦距適中，與光圈值結(jié)合設(shè)置，得到優(yōu)質(zhì)標(biāo)本圖像。總而言之，不同的假設(shè)和改變目的都是為了能真實(shí)反映標(biāo)本的特征系列圖像，最終獲得紋理清晰、模型完整的虛擬仿真三維模型。

圖2 不同景深大小對(duì)特征點(diǎn)個(gè)數(shù)的影響

3.2 優(yōu)化建模操作

利用PhotoScan 常規(guī)建模過程對(duì)齊照片—生成密集點(diǎn)云—對(duì)齊堆塊與合并堆塊—生成網(wǎng)格與生成紋理。常規(guī)建模操作在對(duì)齊照片，合并堆塊兩步常會(huì)出現(xiàn)照片不能對(duì)齊，堆塊不能合并等問題。優(yōu)化建模操作包括兩點(diǎn)，①建模部分圖像增加蒙版；②建模過程中生成稀疏點(diǎn)云與生成密集點(diǎn)云切換。

（1）添加圖像蒙版。添加圖像蒙版提高模型重建成功率。該操作幫助軟件不再剔除蒙版內(nèi)的特征點(diǎn)，盡可能提取描繪標(biāo)本本身的特征點(diǎn)，提高對(duì)齊照片成功率（見圖3）。從圖像中能夠看出沒有添加蒙版的圖像容易受到周圍環(huán)境的影響，嚴(yán)重干擾特征點(diǎn)提取。如圖3（a）所示，礦石上有效特征點(diǎn)數(shù)量少，周圍環(huán)境有效特征點(diǎn)數(shù)量多，這種情形最終導(dǎo)致對(duì)齊照片失敗。與此同時(shí)，添加蒙版的圖像特征點(diǎn)有效地集中在礦石上，如圖3（b）所示。在實(shí)際操作中，圖像添加蒙版數(shù)量是不定的。如果少量的蒙版數(shù)量不能支持成功對(duì)齊照片，則需要添加更多的圖像蒙版，以及擴(kuò)大蒙版范圍。一般情況下，50 張照片推薦蒙版數(shù)量10 張。

圖3 添加蒙版對(duì)圖像特征點(diǎn)提取的影響

（2）切換生成稀疏點(diǎn)云與生成密集點(diǎn)云步驟。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)顏色單一且形態(tài)規(guī)則的標(biāo)本（如方盒子）建模時(shí)，在生成稀疏點(diǎn)云之后，必須生成密集點(diǎn)云。如圖4 所示，利用裝著標(biāo)本的長(zhǎng)方體盒子生成密集點(diǎn)云后的模型與生成稀疏點(diǎn)云后的模型。圖4（a）所示為稀疏點(diǎn)云生成的標(biāo)本模型，盒子長(zhǎng)邊、寬邊凹凸不平。圖4（b）所示為稀疏點(diǎn)云生成模型的網(wǎng)格，網(wǎng)格曲線不緊密，長(zhǎng)寬邊網(wǎng)格線條扭曲。圖4（c）所示為生成密集點(diǎn)云后的標(biāo)本模型，整體展現(xiàn)出長(zhǎng)方體盒子的棱角。圖4（d）所示為密集點(diǎn)云生成模型的網(wǎng)格，網(wǎng)格線緊密且很好地勾勒出長(zhǎng)方體的形狀。從圖4 可見，稀疏、密集點(diǎn)云生成模型的差異十分明顯。生成密集點(diǎn)云后的模型能完整的展示出長(zhǎng)方體盒子的形狀，有棱有角，符合實(shí)體標(biāo)本的形狀。生成稀疏點(diǎn)云的模型沒有棱角，扭扭曲曲的形狀不符合實(shí)體標(biāo)本的形狀。因此，顏色單一且形態(tài)規(guī)則的實(shí)物標(biāo)本建模應(yīng)嚴(yán)格上述建模流程。

圖4 兩種點(diǎn)云對(duì)長(zhǎng)方體盒建模的影響

此外，經(jīng)過多次試驗(yàn)、對(duì)比發(fā)現(xiàn)，巖芯、巖礦石等顏色紋理復(fù)雜，形態(tài)不規(guī)則的實(shí)物標(biāo)本，生成密集點(diǎn)云后的模型與生成稀疏點(diǎn)云后的模型在紋理方面幾乎沒有任何差別，如圖5 所示。圖5（a）、（c）分別是稀疏點(diǎn)云與密集點(diǎn)云生成的模型，兩者在紋理、形狀結(jié)構(gòu)等方面幾乎沒有差別。圖5（b）、（d）是稀疏模型、密集模型對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。如此一來，對(duì)于大多數(shù)巖礦石和巖芯建模步驟則可省去生成密集點(diǎn)云這一步，極大地減少了建模時(shí)間，提高建模效率。

圖5 兩種點(diǎn)云對(duì)巖礦石建模的影響

3.3 優(yōu)化模型尺寸

三維模型是仿真實(shí)物標(biāo)本。實(shí)物標(biāo)本自帶的屬性特征，三維模型也需要盡最大可能去展現(xiàn)。屬性特征分為外在特征與內(nèi)在屬性。外在特征包括顏色、紋理、形狀等，內(nèi)在屬性包括尺寸、密度、結(jié)構(gòu)等。外在特征是模型重建成功的首要標(biāo)志，只有三維模型在顏色、紋理、形狀等方面和實(shí)物標(biāo)本類似，三維模型才算重建成功，主要與圖像質(zhì)量與建模步驟有關(guān)。三維模型內(nèi)在屬性要求服務(wù)于三維模型科學(xué)研究。如三維模型尺寸的優(yōu)化。尺寸優(yōu)化以輸入空間點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為主要手段。圖6 展示尺寸優(yōu)化前后模型上相同兩點(diǎn)間的距離差異。初始獲得的模型沒有尺寸優(yōu)化，圖6（a）所示的兩點(diǎn)間的距離為9.59 cm，與實(shí)際距離7.5 cm相差甚遠(yuǎn)。為將三維模型的測(cè)量大小與物理尺寸一致，需要進(jìn)行模型大小的校正。如圖6（b）所示，以模型上刷漆標(biāo)本編號(hào)作為參照物，賦予點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3 恰當(dāng)?shù)目臻g位置，如點(diǎn)1（0，0，－0.7）、點(diǎn)2（0，0，0）、點(diǎn)（1.2，0，0），測(cè)得兩點(diǎn)距離為7.5 cm，為實(shí)際距離。為進(jìn)一步證明優(yōu)化模型尺寸方法的有效性，選擇多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，比較三維模型上兩標(biāo)記點(diǎn)的距離（模型值）與實(shí)物標(biāo)本兩點(diǎn)間距離（實(shí)測(cè)值）如表2 所示。經(jīng)多次擬合，得到y(tǒng) ＝0.981 97x ＋0.018 431 的線性回歸方程（見圖7），且判定系數(shù)R2＝0.998 69，具有較好的擬合優(yōu)度。說明通過模型尺寸優(yōu)化可以得到實(shí)際比例的仿真三維模型。

圖6 以標(biāo)本號(hào)為參照進(jìn)行模型尺寸優(yōu)化

表2 標(biāo)記點(diǎn)之間模型值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

圖7 三維模型與實(shí)物標(biāo)本兩點(diǎn)之間的距離比較

4 結(jié) 語

三維模型是一種更具力度的傳播媒介，更具個(gè)性的學(xué)習(xí)方式。巖礦石虛擬仿真三維模型在一定程度上解決了巖礦石手標(biāo)本不易存放、易損壞、難共享的教育現(xiàn)狀。結(jié)合巖礦石手標(biāo)本數(shù)量大，訴求多等特性，選擇多視圖圖像技術(shù)進(jìn)行三維重建，并對(duì)巖礦石手標(biāo)本三維模型重建方法進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)驗(yàn)證該套方法具有很好的魯棒性，可以遷移應(yīng)用于其他小尺度物體的三維模型優(yōu)化，為將來的多種礦床學(xué)實(shí)物地質(zhì)資料三維建模和“互聯(lián)網(wǎng)＋地質(zhì)教育”提供技術(shù)支撐和保障。

就巖礦石手標(biāo)本三維模型而言，主要提供顏色、紋理、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等特性。尚未疊加更多手標(biāo)本的特征信息。并且?guī)r礦石手標(biāo)本三維模型主要用來瀏覽，巖礦石標(biāo)本三維模型在科學(xué)研究方面的利用還比較淺薄，模型統(tǒng)計(jì)變量以及通過三維模型得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與地質(zhì)成礦成巖環(huán)境，成礦成巖過程的聯(lián)系還需要繼續(xù)探究。旨在能從三維模型角度出發(fā)，提出定量化地質(zhì)條件變化證據(jù)，提供簡(jiǎn)單地質(zhì)分析結(jié)果。