三維視野下的古建筑室內外點云配準及建模方法探究

崔曉磊 楊曉波 李登科

摘要：我國古代建筑文化遺產有著悠久的歷史、豐富的內涵和矚目的成就，為防止自然災害和現代化進程的破壞，數字化保護是古建筑保護和修復的好辦法。以咸陽鐘樓的數字化過程作為案例，利用三維激光掃描儀對其進行實體掃描，通過去噪、配準、切割等方法得到鐘樓完整的室內外三維點云，獲得其完整準確的的三維數據信息，并在此基礎上進行三維建模和貼圖，探索了古建筑室內外三維數據收集和三維建模數字化保護方法，為古建筑數據留存、保護、修復及展示提供了一些借鑒。

關鍵詞：三維激光掃描；古建筑；點云配準；三維模型

中圖分類號：TP319文獻標志碼：A

基金項目：西藏民大教學團隊項目“數字媒體設計與創新教學團隊”；西藏高校教改項目“數字媒體技術專業特色實踐教學體系構建研究”。

0引言

古建筑是欣賞一個國家傳統文化魅力的窗口，是探索一個國家古代科學技術成就的重要渠道。我國古代建筑文化遺產有著悠久的歷史、豐富的內涵和矚目的成就，但因大多數已經歷上百上千年自然災害的侵害，加之現代化城市建設的發展使得現存很多古建筑的保存情況令人擔憂，古建筑的保護工作便顯得尤為重要。

如何避免巴黎圣母院事件再次發生，以及在災難和事故發生后如何將對古建筑文物造成的損失降到最小，科技的發展使人們將目光投向了數字化技術。過去人工測量繪制記錄的傳統修復方法不僅完成精度低，且過程耗時費力，更可能會因為過度接觸而造成古建筑“二次傷害”。而作為測繪領域的新技術，三維激光掃描技術具有速度快、精度高、非接觸等特點，通過發射激光即可快速獲取建筑物體的三維數據，在古建筑數字化保護方面具有極大的優越性。出于對古建筑的保護的立足點，本論述以鐘樓建筑為案例，利用三維激光掃描技術，精確記錄其建筑的三維數字信息，并通過掃描生成的三維點云數據與現場拍攝的照片，為鐘樓建筑全景及內外部結構建立了三維模型，為古建筑數據留存、保護、修復及展示提供了一種可行性方案。

1技術原理及數字化流程

三維激光掃描技術又稱“實景復制技術”，它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢，通過高速激光掃描測量的方法得到三維點云。原理為三維激光掃描儀發射激光經由自然物表面反射進行測距，配合掃描的水平和垂直方向角，得到每個掃描點的三維坐標，快速建立物體的三維影像模型。

而利用三維激光掃描技術進行古建筑三維數字化主要包括：圖像點云數據采集、點云數據處理、三維模型創建三大流程。其中建筑點云數據通過Trimble TX5三維激光掃描儀進行掃描采集，之后通過與之配套的Trimble RealWorks軟件對數據進行處理，再通過3ds Max、SketchUp等建模軟件對古建進行三維構建，最后進行貼圖完成古建筑三維模型，技術流程如圖1所示。

2點云數據獲取及處理

2.1點云數據獲取

咸陽鐘樓始建于明萬歷年間，清道光中期重修，三層主體，下方有通道，基座四門，重檐二層。類似于鐘樓的古建筑大多建設年代久遠，多為木制所建，經過多年風吹雨淋，多處墻體和房屋斑駁損落。本次建筑的三維數據掃描采用Trimble TX5三維激光掃描儀，它以976 000 dpi/s和最佳120 m的測程進行測量，系統集成，通過千百萬次測量可得到七千萬像素照片級精細三維彩色點云影像。同時搭配數碼相機對咸陽鐘樓各個角度進行拍攝，后期用來對模型進行紋理貼圖。

按照建筑空間尺寸規劃架設測站，通過多站掃描來實現對歷史建筑的全方位數據采集，共設置十五個測站形成閉合環型控制網，分為室內測站和室外測站兩部分，且每相鄰兩測站間保證不低于10%的掃描重合度，但掃描站點注意不能過近，否則點云太密數據過大，同時也會增加掃描站數拖長外業操作時間，根據Trimble TX5三維激光掃描儀在無遮擋情況下有效距離 120 m內，保證站與站在有效重疊率情況下合理架站，具體測站布設如圖2所示。同時由于該建筑是旅游觀賞對象，故掃描時間應選擇在游客密度相對較少，遮擋相對小的時候進行。

2.2點云數據處理

在對建筑三維數字化時，使用點云數據可真實地表現建筑的空間坐標、外部及內部具體形體特征，但三維激光掃描多站式的掃描方式使得每一站的數據都有自己獨立的坐標系統，因此還需要對數據進行處理。利用Trimble RealWorks軟件對點云數據進行預處理，完成數據的導入、配準、整體切割等過程。

點云配準是指將多站數據拼接，建立統一的坐標系統這一過程。作為三維建模前的基礎工作，點云的配準精確度決定了三維重建的坐標系和尺度精度。通過Trimble RealWorks軟件利用兩側站的公共靶點（即兩個測站在重疊區域）對目標進行配準，本次掃描測站數共計十五個，若想得到全方位的整體點云，就必須將十五站有相當重疊度點云數據進行配準成一個整體。

配準的前提是要將點云數據導入與掃描儀配套的軟件Trimble RealWorks軟件中，按照掃描測站順序將多站數據導入。未配準前站點散亂，空間坐標系并未統一。將數據導入軟件后，選擇“基于點云的配準模式”，每連續相隔兩站作為配準對象，在兩測站中選擇3對對應的公共靶點，并加以公共點、公共面為約束條件，系統將根據所選擇公共靶點自動識別完成點云配準，最終將站間配準精度控制在4 mm以內，點云拼接結果如圖3所示。

2.3古建筑點云數據的室內外配準

建筑模型構建大多為室內和室外兩部分整體獨立建模，這種情況下室內模型在位置、坐標上不容易和室外整體建筑對應，這樣的建筑模型并不是一個整體完整的模型，特別是對室內的三維點云數據造成了極大的浪費，將室內外點云配準后可加以應用。

在本次布設測站階段時，已將室內和室外一起設站。為了方便后期室內外點云配準，要為室內外設置好能夠掃描的共同靶點，門窗作為連接室內外的區域通常可作為共同的靶點選擇。同室外點云配準一樣，室內外數據配準時，要將2個測站的重疊點云配準成一個整體數據。選擇室內和室外兩站點云作為配準對象，選擇“基于點云的配準模式”，選擇門窗部區域作為配準靶點，并把門窗外同一欄桿加為約束條件，完成點云配準，如圖4所示。兩站配準后俯視圖、正視圖、側視圖如圖5所示，室內外兩站點云樓頂對角線橫梁配準后在一條直線上，說明配準完成且準確。

2.4點云整體切割

在點云數據采集階段，由于三維激光掃描儀范圍大，將咸陽鐘樓建筑廣場上的游客、樹木花草，以及周圍商鋪建筑整體掃描，導致點云數據過大，且多是無用冗余數據。這需要對點云進行整體切割，只切割留下鐘樓為本身的正方體點云，導出后以方便后期模型的制作。

3三維模型創建

三維模型的創建常用的有兩種方式，一種是根據點云數據繪制出二維圖紙，再根據圖紙信息進行建模，這種方式利用是將點云數據信息導入CAD中，再從CAD的繪圖功能中提取出相關的建筑特征線，進而得到古建的三維建模；另一種是直接根據點云數據信息建立三維模型，將點云數據直接導入建模軟件，再由建模軟件直接建模，建模軟件可利用3dsMax、Sketch Up等。根據鐘樓建筑的特點，建筑結構較為簡單，且點云數據掃描處理十分精細，故本次采用第二種三維建模方法。

首先通過Trimble RealWorks、AUTODESK RECAP軟件對點云數據格式進行轉換。使其能夠導入到建模軟件中。將點云數據由“asc”格式通過索引掃描、啟動項目等步驟經過“xyz”格式逐步導出為“rcs”、“rcp”格式。將處理完成后的數據導入3ds Max軟件，根據計算機圖形處理能力和個人需要選擇顯示的點云數，點云數顯示越多則點云對象越清晰。

然后根據所導入點云數據制作三維模型。導入的點云數據已經給出了相應的位置和比例尺信息，在3ds Max軟件中按照點云輪廓制作古建筑模型，就不會出現比例尺、坐標不統一的情況，模型構建如圖6所示。對三維模型進行紋理貼圖。為了使構建的古建筑三維模型具有真實感，需要給古建筑模型面片進行紋理貼圖，將所拍攝的照片貼圖在完成的模型上，同時可以通過圖像處理軟件Photoshop中對貼圖圖片處理修改，使模型表現效果更真實。

4結語

我國古代建筑文化遺產在多種因素威脅下，其保存現狀令人擔憂，古建筑的展示、修復、保護的數字化工作極其重要。三維激光掃描技術憑借著速度快、精度高、不需接觸目標的優勢，現已廣泛用于古建筑保護、修復等方面。本論述以Trimble TX5掃描儀為依托，以掃描咸陽鐘樓建筑為案例，通過對點云數據進行轉換、配準、分割等處理，提供了一種精確高效的古建筑的室內外點云配準和三維模型構建方案，為古建筑三維數字化提供了一種難度小、要求低、速度快的實現方法。

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