基于投影法的虛擬現實三維建筑模型構建
2024-06-13 00:00:00趙淵
無線互聯科技 2024年9期
摘要：虛擬現實三維建筑模型的制作過程復雜且數據量巨大，傳統建模技術下的模型誤差較大。為此，文章提出了基于投影法的虛擬現實三維建筑模型構建方法，通過采集和預處理實體建筑的點云數據，利用投影法生成初始模型，結合3DMax軟件的紋理庫添加細節信息，增強建筑模型的真實感和逼真度。該方法簡化了虛擬現實三維建筑模型的制作過程，提高了模型的精準度和真實感。實驗結果顯示，建模平面誤差為0.15 m，高程誤差為0.36 m，達到了Ⅰ級建模標準。
關鍵詞：投影法；虛擬現實；三維建筑模型；模型構建
中圖分類號：TP317.4
文獻標志碼：A
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0 引言
隨著國民經濟的迅速發展和結構調整，城市化成為不可逆轉的歷史趨勢。但隨著信息技術的進步，計算機繪圖逐漸取代了手工繪圖，同時也改變了建筑平面圖的呈現方式，計算機可以依據平面圖構建出三維模型，以便更加直觀地呈現建筑特點。
近年來，將二維的平面圖迅速轉化為三維的立體模型成為研究熱點，許多學者對虛擬現實三維建筑模型構建方法進行了研究。例如，黃瑩等［1］在AutodeskRevit平臺上進行鐵路三維模型構建，可以解決建模重復性工作多且組件拼接復雜等問題，從而提升建模的時效性；李梅等［2］針對巷道三維建模數據結構復雜、細節信息量大等特點，設計一種基于BIM和GIS的三維建模技術，可以提高數據的可集成性。但上述方法均存在建模精度低的問題。為解決上述方法存在的問題，本文提出基于投影法的虛擬現實三維建筑模型構建，提供了逼真、沉浸式的體驗，提高了設計效率和決策質量。
1 采集并預處理實體建筑點云數據
在虛擬現實三維建筑模型構建的實際操作中，獲取實體建筑的幾何數據是關鍵也是基礎，本文主要采用三維激光掃描儀進行實體建筑點云數據的采集［3］。三維激光掃描儀是一種通過向目標物體發射激光脈沖并接收反射脈沖的一種測距裝置，測距公式如下：
式中，D表示三維激光掃描儀中心與實體建筑目標點之間的距離；v表示激光脈沖在空氣中傳播的速度；t表示激光脈沖信號發射與接收的時間差。根據式（1）得到掃描儀和實體建筑之間的距離后，再結合掃描儀發射激光束的角度即可獲取實體建筑目標點的坐標數據，表達式如下：
式中，（x0，y0，z0）表示實體建筑待測目標點的三維坐標數據；α、β分別表示三維激光掃描儀向目標點發射脈沖激光束的垂直方向角和水平方向角［4］。結合實體建筑點云數據的特點，本文采用平滑去噪法對原始數據進行預處理，即通過計算局部擬合面的距離均值來取代原始數據點，進而達到去噪效果，確定待處理的點云數據點坐標為（x0，y0，z0）時，根據式（3）計算出該數據點和領域點（x1，y1，z1）之間的距離D′。
然后，根據實體建筑點云數據的實際情況設置一個合理的去噪閾值，將式（3）所求距離和閾值進行對比，如果所求距離小于等于設置閾值，那么需要統計出有效的點云數量，再進行加1操作；反之如果所求距離未超過閾值，需要重復上述過程，直至全部點云數據點遍歷完成后，即可獲取有效數據點的數量。
2 基于投影法構建虛擬現實三維建筑模型
以上述經過預處理的有效點云數據為基礎，建筑立面模型的生成，人字形屋頂和立面連接如圖1所示。
如圖1所示，已知建筑立面的左右2個邊界底部頂點分別為i（Xi，Yi，Zi）、 j（Xj，Yj，Zj），這2個頂點所在直線分別和人字形屋頂左右2個坡面投影直線相交于點r1與r2，橫梁的投影坐標點為r3，人字形屋頂的突出距離為d、坡面傾角為θ。那么在點i、 j已知的情況下，需要根據上述數據分別計算出點r1、r2、r3，計算公式如式（4）—（6）所示。
式中，（Xr1，Yr1，Zr1）表示點r1的三維坐標；（Xr2，Yr2，Zr2）表示點r2的三維坐標；（Xr3，Yr3，Zr3）表示點r3的三維坐標。根據式（4）求出點r1、r2、r3的坐標后，即可生成一個立面多邊形ijr1r2r3，利用該立面多邊形和人字形屋頂進行無縫隙連接，進而生成初始建筑三維模型。
3 實驗
3.1 實驗參數
在完成虛擬現實三維建筑模型的構建后，需要通過對模型精度的評價來進行設計建模技術的驗證。本文采用基于Maya的虛擬現實三維建筑模型構建技術、基于Revit的虛擬現實三維建筑模型構建技術作為設計的基于投影法的虛擬現實三維建筑模型構建技術的對照組，對同一建筑物進行虛擬建模。通過上述3種建模技術分別生成最終的三維建筑模型后，利用Smart3D軟件進行模型量測，量測過程中需要在WGS-84 UTM坐標系下，找到如表1所示的已知控制點。
3.2 實驗指標
在不同的虛擬現實三維建筑模型中，分別找到這10個已知控制點，進行多次量測求取平均值，并將平均值作為最終結果，與表1所示數據進行對比即可判斷虛擬現實三維建筑模型的構建精度。為直觀反映建模精度，本文引入了式（7）所求中誤差作為衡量指標。
式中，ε1表示虛擬現實三維建筑模型的平面中誤差；ε2表示虛擬現實三維建筑模型的高程中誤差；Δx、Δy、Δz分別表示三維建筑模型上控制點X、Y、Z坐標的實際數據和量測數據之間差值；N表示控制點的數量。
3.3 實驗結果分析
將已知控制點的實際坐標和各模型上控制點的量測坐標代入式（7），即可計算出各虛擬現實三維建筑模型的構建誤差，具體結果如圖2所示。
基于圖2所示各建模技術下模型的中誤差數據，再結合我國《三維地理信息模型數據產品規范》，對虛擬現實三維建筑模型的構建精度進行評定，如表3所示。
從表3的實驗結果中可以看出，在實驗組技術與對照組技術所構建的虛擬現實三維建筑模型中，實驗組模型的精度最高。其中，Maya建模技術下三維虛擬模型的平面中誤差為0.48 m、高程中誤差為0.72 m，滿足Ⅱ級建模精度標準；Revit建模技術下三維虛擬模型的平面中誤差為0.43 m、高程中誤差為0.69 m，滿足Ⅱ級建模精度標準；投影法建模技術下三維虛擬模型的平面中誤差為0.15 m、高程中誤差為0.36 m，滿足Ⅰ級建模精度標準。由此可以說明，本文研究的基于投影法的虛擬現實三維建筑模型構建技術是有效且正確的，而且所構建的模型精度較高。
4 結語
綜上所述，通過投影法，虛擬現實三維建筑模型能夠讓用戶在體驗中感受真實世界的視角、距離和比例，增強模型的逼真度。此外，結合虛擬現實技術，基于投影法構建的建筑模型還可以提供沉浸式的體驗，讓用戶身臨其境地感受建筑空間的氛圍、光照和紋理等細節，為設計師、規劃師和決策者提供了直觀、可交互的設計和決策支持工具，促進了更準確和高效的決策過程。虛擬現實三維建筑模型構建方法的實時交互和反饋功能使得用戶能夠靈活調整和修改設計方案，以滿足特定需求。
參考文獻
［1］黃瑩，李雷，蔣明軒，等.基于Revit的鐵路構件三維建模方法研究與應用［J］.鐵道科學與工程學報，2021（7）：1732-1739.
［2］李梅，康濟童，劉暉，等.基于BIM與GIS的礦山巷道參數化三維建模技術研究［J］.煤炭科學技術，2022（7）：25-35.
［3］郭中遠，徐鋒，王貴洋，等.基于虛擬現實的移動機器人真實環境三維建模系統［J］.激光與光電子學進展，2023（2）：450-456.
［4］姚強，王志興，杜旭，等.基于激光掃描視覺三維建模的井筒可視化檢測技術［J］.西安石油大學學報（自然科學版），2022（1）：37-142.
（編輯 王雪芬）
Construction of virtual reality 3D building model based on projection method
Zhao" Yuan
（Tongren Polytechnic College， Tongren 554300， China）Abstract： The production process of virtual reality 3D building models is complex and involves a huge amount of data， resulting in significant model errors under traditional modeling techniques. To this end， a virtual reality 3D building model construction method based on projection method is proposed. By collecting and preprocessing point cloud data of physical buildings， the initial model is generated using projection method， and detailed information is added to the texture library of 3DMax software to enhance the realism and realism of the building model. This method simplifies the production process of virtual reality 3D building models， improves the accuracy and realism of the models. The experimental results show that the modeling plane error is 0.15 m and the elevation error is 0.36 m， meeting the level I modeling standard.
Key words：projection method; virtual reality; 3D building model; model construction
