三维场景建模技术和方法探究

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1、三维场景建模技术和方法探究　　【摘要】三维模型已成为对象表达的一种新的数据媒介，三维建模技术能对现实世界中的对象逼真建模和模拟再现。本文详细探讨了目前发展较为成熟的几种三维建模方法，并对基于人机交互式建模、基于摄影测量原理和三维激光扫描点云的几何建模方法进行实验、对比分析，总结了这三种建模方法的优缺点及适用场合。【关键词】三维建模；三维空间模型；人机交互；摄影测量；三维点云1、引言随着数字采集技术的不断发展以及“数字地球”、“数字城市”概念的不断深化，人们已不再满足于传统二维手段描述的三维信息，目前三维模型已成为继图像、声音和视频之后的第四种多媒体数据类型[1]，物体

2、的表现形式也逐渐从二维表示向三维自动化建模的方向过渡。目前实现三维建模的方法大致有以下几种：一是直接利用三维建模软件，如计算机辅助设计软件（AutoCAD）、三维动画渲染和制作软件（3DStudio8Max）等工具人机交互式三维建模；二是直接利用GIS的二维数据和高度信息建立三维模型，但这种方法只局限于规则对象的建模；三是基于数字摄影测量原理对物体快速建模。随着数据采集技术的不断发展和自动化，根据三维激光点云数据自动构建三维模型正成为研究的热点。本文对现今常用的地物建模方法进行比较分析，总结出了各种建模方法的特点。2、三维建模方法本文以校园中建筑物为建模对象，分别通过

3、以下3种常用的建模方法进行三维模型重建：基于AutoCAD的人机交互式建模、基于扫描点云的建模、基于近景摄影测量的建模。2.1基于AutoCAD的人机交互式建模对于几何形体相对规则的建筑，常规使用免棱镜电子全站仪对建筑物构件的三维特征点进行散点式数据采集。本文采集数据同时采用“四位编码法”对特征点编码[2]，并按建筑构件分类分层存储。绘图时根据特征点编码结合测绘顺序在CAD中编写LISP程序对建筑物实现自动展点和自动连线生成线框图。以同济大学某学生宿舍为例，在CAD中连线后的线框图见图1（a），图中3个蓝点为门上3个特征点，这些点不同时位于门所确定的竖直面内。可见三维

4、绘图不是实测点位的简单连线或修补，需以实测点位为基础，综合考虑建筑的施工、形变和测量误差及建筑特性，采用拟合的方法对线框图进行局部处理，最后构建三维实体，如图1（b）所示。（a）门窗的4个图元不共面（b）构建后的实体效果8图1绘制步骤及效果此外，游天[3]等人利用对象三视图为底图在三维制作软件中直接建模，并将三面图对模型进行纹理映射提高模型的真实度。本文也以学校校门为例对此方法进行了验证，实验证明该方法构建的三维实体模型精度也能满足一般要求。2.2基于扫描点云的建模对于不规则物体，全站仪则显得无能为力了。三维激光扫描技术克服了传统数据采集方式的不足，应运而生的模型自动

5、化重建技术愈来愈受到重视。目前基于扫描点云的建模一般流程可概括为点云的获取、表面重建、点云的处理与建模三个阶段。以校园某建筑为例具体实验步骤如下：（1）点云数据获取。本实验采用LeicaC10对某楼进行扫描测量，根据该楼的轮廓特征和实际扫描范围等影响因子，本次测量共设16站。（2）点云数据预处理为了给建模阶段提供较理想的点云数据，需对原始点云数据进行点云拼接、去噪、采样等预处理。点云数据预处理既可通过算法[4][5][6][7][8][9]实现，也可以通过扫描仪配套软件如Cyclone、FaroScene等完成。这一步操作十分重要，是决定后续数据质量好坏和执行效率的关

6、键。（3）点云数据建模8目前，对建筑物点云数据模型重建的研究多数从两个方面展开：一方面提取建筑物的边界特征，以特征为约束构建三维实体模型；另一方面是直接对点云数据网格化，建立拓扑关系，进行表面重建和优化。本实验采用点云数据分割、曲面拟合以及交互组合的方法来实现建筑物对象的三维建模。建模步骤大致可分类以下三大步：a）海量散乱点云数据分割点云分割是为下阶段精细建模做准备。本文根据空间点的邻域关系估算点与点间的拓扑关系，将建筑模型分割为平整墙面、屋顶和附件几大区域。b）分割部分精细建模自动识别提取点云数据特征，并以此特征为约束迭代拟合模型，在此基础上构建三角网格。c）模型拼

7、接根据模型间的特征及法矢拼接相邻模型，对拼接后的两模型公共区域部分的三角网进行裁剪、检查以及模型修补和优化。综合以上步骤，基于点云数据建成的三维模型效果如图2所示。图2文远楼三维模型2.3基于近景摄影测量的建模本实验摄影采用的是非量测型相机，以同济大学某8建筑正门为例，根据近景摄影测量原理构建三维模型的流程步骤如下：（1）影像采集。以多摄站正直环绕摄影方式用普通相机对大礼堂进行摄影，共布设8个摄站。图3为正门前的观测示意图，其中S1、S2为两个观测站，J1～J4分别为正门前4根柱子上粘贴的4个人工标志。图3现场观测图（2）坐标解算。考虑到非量测数码相