基于傾斜攝影的實景三維建模技術研究與實踐

高曉林 張輝

基金項目：本論文為2020年度國家藝術基金（一般項目）傳播交流推廣項目“唐十八陵雕塑藝術的新媒介傳播平臺建設”研究成果，項目編號：2020-A-04-（084）-360

摘要：目的：隨著無人機技術的飛速發展，無人機傾斜攝影技術被廣泛應用于智慧園區、數字工廠、歷史文化保護等領域。運用無人機傾斜攝影技術，能夠快速、高效地獲取具有真實紋理的地面實景三維模型數據，具有建模速度快、真實紋理強、生產成本低、模型精度高等特點，現已成為主流的實景三維模型生成方式，通過傾斜攝影技術對大遺址文化進行三維重建的方式逐漸被廣泛接受。方法：文章以唐橋陵為實景三維建模研究對象，介紹傾斜攝影技術在前期各工作環節的應用步驟和方法，探討傾斜攝影技術在實景三維平臺建設中的應用。結果：通過數字化三維重建，優化處理產出的唐橋陵實景三維模型，再將其與Unity 3D平臺結合，通過一定的信息可視化和交互設計，設計進入神道、導游模式、面積測量、光影變化、720°全景展示等交互功能，幫助用戶快速了解唐陵的地理概況、陵園構造和三維模型信息，為唐陵文化的宣傳提供新思路和新方法。結論：通過搭建唐橋陵實景三維平臺，對唐陵進行了數字化保護，填補了唐代帝陵在實景三維領域的空白，為其他文化遺產建模研究及數字化保護工作提供了實例和一定的參考。

關鍵詞：傾斜攝影；實景三維；交互設計

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）02-00-03

0 引言

隨著數字技術的不斷發展，傾斜攝影這種現代化的三維建模方式成為實景三維建模的重要手段之一。傾斜攝影是一種通過傾斜角度相機拍攝來獲取地表物體的立體影像信息的技術，其優勢在于可以快速、高精度地獲取大面積地表物體的幾何信息，同時能夠記錄地表物體的紋理、色彩等特征，提供更真實、更具細節的模型。通過傾斜攝影技術，可以創建高度逼真的三維模型，將文物、古跡、建筑等實物呈現在數字環境中，為用戶提供一個便捷的觀測、學習和保護的平臺［1］。本研究使用大疆Mavic 3無人機采集數據，結合Context Capture實景三維建模軟件生成三維模型，再通過Maya、Model Fun等軟件優化三維模型，最終將模型導入Unity 3D中實現一定的交互設計。

1 傾斜攝影建模方案設計

1.1 航測范圍確定

攝區位于中國陜西省渭南市蒲城縣城西北15千米處的唐橋陵，是唐睿宗李旦的陵寢。唐橋陵陵園略呈長方形，東西長約2871米，南北長約2836米，總面積約為852萬平方米。陵寢西側有5座山峰，分別高達780米、769.2米、736.7米、690.5米、637.1米。而北側則是一個以高程806米的主峰為中心，環列多座山峰的山區，其山形雄偉壯觀，氣勢磅礴。確定航測范圍后對攝區進行傾斜攝影和正射影像采集，采集面積約8平方千米。

1.2 數據采集方法

首先對傾斜攝影建模對象進行建模實驗，在前期工作中對唐建陵、唐崇陵、唐乾陵等多座唐代帝陵進行傾斜攝影三維建模的嘗試，筆者發現在100米或120米的高度進行傾斜攝影三維建模的效果并不理想，難以獲得較為清晰的神道石刻建模成果，建模的精細度有待提高。經過多次實驗對比，結合對相關理論知識的研究學習，最終得出結論：在對唐陵陵園進行傾斜攝影三維建模時，除陵園整體的三維建模外，還要對陵園神道進行精細化建模，通過多層航線拍攝，可以獲得較為清晰的神道石刻建模效果。對于非神道區域，建模的精度要求可以適當降低，在不影響觀感的前提下盡量壓縮模型的體積，以減少后續的模型處理工作量。

1.3 航測路線設計

在開始唐橋陵航測之前，必須先進行現場調查和儀器檢查，以確保航測路線的正確性和可靠性。為獲得高質量的影像，必須精心設計航測方案，確定拍攝日期，并且采用南北方向飛行，共設計了89條航線，其中航向重疊度不低于80%，旁向重疊度不低于70%，地面分辨率達到3cm，應根據實際情況和條件調整具體的飛行計劃和飛行高度，以確保順利完成航測［2］。

2 實景三維模型生成與優化

需要借助專業的三維建模軟件生成傾斜攝影三維模型，當前市面上的選擇有很多，如Context Capture、Pix4D、Reality Capture等軟件，對比分析實際的建模效果之后，筆者最終選擇以Context Capture軟件生成實景模型，通過該軟件可以得到質量較高的三維模型。

傾斜攝影模型普遍存在體積過大和加載慢的問題，這主要是因為傾斜攝影模型通常包含大量的三維點云數據和紋理信息，數據量較大，同時需要進行復雜的渲染和處理操作，導致加載速度變慢［3］，優化產出的實景三維模型成為重中之重。經過大量的嘗試和不斷試驗，筆者最終確定使用Autodesk旗下的Maya軟件進行模型的面數優化。

2.1 基于Context Capture生成唐橋陵三維模型

Context Capture是一款高性能的三維建模軟件，它簡單易用，數據兼容性強，人機交互界面友好。該軟件可以滿足各種復雜的建模需求且運行速度較快。該軟件在運算性能和硬件配置兼容性方面表現優秀，是目前全球最先進的三維建模軟件之一［4］。

Context Capture作為一種先進的三維自動建模系統，能夠根據用戶需求，提供多樣化的圖像數據和多種附加信息［5］，如GPS坐標、INS坐標、控制點坐標等。通過調整輸入的參數，可以創造出具有逼真紋理的高清三角網格模型，它可以清晰地展示出建筑物的外觀、結構和細微差別。通過獲取更高的影像分辨率和精度，可以創建更加精細的三維模型，從而提高模型的細節精準度。

2.2 三維模型的優化處理

得到三維模型后，需要對其進行優化處理，以達到項目使用要求。模型處理主要涉及兩個部分：第一個部分是模型修飾，在生成傾斜攝影實景三維模型時，通常會遇到模型缺陷問題，為得到更高精度和更好細節的三維模型，需要進行模型修飾；第二個部分是模型減面，減面是為了縮小模型體積，促使實景三維模型流暢加載。

2.2.1 優化缺陷——模型修飾

模型修飾是對生成的三維模型進行調整、修改和優化，使其更符合實際需求和應用場景。常見的修模軟件有DP-Modeler、Model Fun、3DS Max，筆者在本項目中選擇武漢大勢智慧科技有限公司研發的模方（Model Fun）作為實景三維模型編輯修復工具，該軟件可以幫助用戶快速、準確地修復實景三維，提供了多種便捷的模型修復模式，具有立面修補、刪除底部碎片等多種功能，可以滿足用戶的多種需求［6］。

2.2.2 優化數據——模型減面

減面是一種優化、提升三維模型性能和效率的技術手段，在進行減少面數處理的同時，需要保證模型的細節和準確性不受影響［7］。因此，要采用一些特殊的算法來優化減少面數處理的效果，以盡可能保證模型的細節和精度。筆者經過大量的實驗對比研究，發現相較于Unity 3D自帶的減面插件，相同面數下，Maya軟件生成的模型更佳，故選擇該軟件進行模型的減面優化。

在唐橋陵傾斜攝影建模案例中，模型體積巨大且面數很多，初始面數有1.2億面，過大的模型體量導致加載過慢，本項目將模型分成10份依次導入Maya中進行減面，使面數降到了700萬面，在保證原始貼圖的同時極大地提高了模型的加載效率，從而使唐橋陵實景三維平臺的搭建和發布更加順利。

3 實景三維平臺設計實踐

Unity 3D是一種跨平臺的游戲引擎，被廣泛應用于游戲、建筑、醫療等領域，它提供了強大的3D圖形渲染和物理模擬功能，可以為用戶呈現高度逼真的場景和效果。在唐橋陵實景三維平臺中，交互功能設計是至關重要的一環，該平臺的交互功能設計包括多種交互方式，如導游模式、光影變化、語音播放、測量功能等，以提供多樣化的用戶體驗。同時充分考慮用戶的操作習慣和使用場景，提供符合用戶需求的交互方式［8］。唐橋陵實景三維平臺將唐橋陵傾斜攝影模型導入Unity 3D引擎中，通過一定的交互設計，為用戶提供更加真實的感覺和交互體驗。該平臺還可以幫助用戶更加深入地了解唐代歷史和文化，增強用戶的參與感和學習效果。

3.1 簡潔清楚的界面設計

在唐橋陵實景三維平臺設計中，首先需要明確唐橋陵實景三維平臺要向用戶展示哪些內容，要使用戶能夠通過清晰的頁面布局快速找到所需信息［9］。筆者使用層次分明的頁面結構，使用大標題、子標題、段落、圖表等來組織信息，同時清晰地展示唐橋陵的位置信息及是否被盜等信息。此頁面盡量確保各個元素的設計風格一致，包括字體、顏色、圖標等，以提高、優化用戶的使用效率和體驗，使用戶更容易理解頁面中的信息。簡潔明了的語言文字可以幫助用戶更好地理解頁面中的信息。在設計過程中，筆者選擇更簡單易懂的語言來完成信息展示，方便大多數用戶使用和觀看。

3.2 融合元素的圖標設計

融合唐陵元素的圖標設計要將唐陵文化的元素與圖標設計相結合，以體現唐陵文化的特色和價值［10］。在本項目中，筆者制作文本界面背景時，選擇唐橋陵石獅和瑞獸云紋作為視覺元素，將其融合到圖標中，還需要注意唐陵元素與其他元素之間的平衡和協調，以確保整體設計和諧美觀。

3.3 基于GIS的地圖制作

利用GIS地圖技術能夠有效整合多個不同的數據類型，包括地理位置信息、地形、氣象等，從而全面、準確地分析地理空間［11］。通過GIS技術，可以將各種數據信息與地理位置關聯起來，進行整合和分析。本項目以GIS技術為基礎，以唐橋陵實景數據為底圖，通過電子地圖下載器中的百度地圖，下載最高層級的15級的衛星圖，將圖片合成為實景三維背景地圖。

3.4 第一人稱的漫游體驗

第一人稱的漫游體驗是虛擬現實技術的一種應用，指用戶在虛擬環境中以自身視角進行探索和互動的一種體驗。相較于傳統的虛擬現實技術，第一人稱漫游體驗具有高度的沉浸感和身臨其境的感覺，這種體驗方式使用戶能夠更加深入地融入虛擬世界中，并與其中的元素進行深度交互。

在Unity 3D游戲引擎中，角色控制器組件（Char-acters）是一個強大的工具，可以利用它實現對虛擬物體的多種操作。在Import Package中添加該組件，就可以控制物體的位置、速度、加速度等參數，用戶可以通過W、S、A、D這四個按鈕來操縱物體的上下、左右、前后移動，從而實現第一人稱的漫游體驗。用戶可以通過點擊第一人稱按鈕自由地游覽各個角落，也可以自主選擇行動路線。在漫游的過程中，用戶可以欣賞唐陵的建筑物和景觀細節，沉浸式體驗唐陵文化。

4 結語

通過本文的研究，筆者將傾斜攝影技術應用到唐代帝陵遺址的數字化保護中，并建立起一個數字化保護新平臺。通過跨學科研究，找到一種新的唐陵文化傳播方案，即采用最先進的傾斜攝影技術，進行唐陵陵園的實景三維建模，再通過實景三維平臺的開發，使用戶在線上即可欣賞唐陵，從而打破了野外大型文化遺址的時空場域限制，優化了用戶的視覺體驗，有助于更好地保護和傳承唐陵的歷史文化。本文以跨學科的研究為基礎，使用傾斜攝影技術、三維建模技術、計算機圖形處理技術、虛擬現實技術為唐橋陵找到了一種適應當今時代的傳播方案與方法。通過傾斜攝影實景三維建模技術研究，唐橋陵文化遺址得以深入開發，可以增加人們對實景三維技術的認知，也有利于保護和傳承唐陵文化。

參考文獻：

［1］ 周成虎.實景三維應用與發展［M］.北京：中國電力出版社，2023：33-34.

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［3］ 繆玉周.消費級無人機傾斜攝影測量技術在構建城市真三維模型中的應用研究［D］.南昌：東華理工大學，2018.

［4］ 崔毅.基于數字攝影測量系統的三維量測與應用［D］.北京：北京建筑工程學院，2011.

［5］ 韓東升.古建筑三維重建與虛擬展示應用研究［D］.鞍山：遼寧科技大學，2021.

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［7］ 宗平，朱洪波，黃剛.智慧校園設計方法的研究［J］.南京郵電大學學報（自然科學版），2010，30（4）：15-19.

［8］ 師悅.從表現到體驗：技術背景下信息可視化設計的多樣呈現［J］.藝術百家，2019，35（5）：206-209.

［9］ 楊祥民，張靳.南朝石刻藝術的數字化保護與設計［J］.裝飾，2020（2）：130-131.

［10］ 覃京燕.文化遺產保護中的信息可視化設計方法研究［D］.北京：清華大學，2006.

［11］ 胡祎.地理信息系統（GIS）發展史及前景展望［D］.北京：中國地質大學，2011.

作者簡介：高曉林（1997—），男，山東東營人，碩士在讀，系本文通訊作者，研究方向：影像藝術與信息設計。

張輝（1970—），男，陜西西安人，碩士，教授，研究方

向：影像藝術與信息設計。