点云数据实现三维实体建模方法探索

赵 吉 潘永刚 陈佳慧

(新疆大学建筑工程学院,新疆 乌鲁木齐 830000)



·计算机技术及应用·

点云数据实现三维实体建模方法探索

赵 吉 潘永刚 陈佳慧

(新疆大学建筑工程学院,新疆 乌鲁木齐 830000)

介绍了三维激光扫描技术的特点，以奇台县半截沟镇镇大门为研究对象，阐述了基于三维激光扫描数据的镇大门三维建模流程与方法，指出利用该技术创建的模型精度符合测量要求。

三维激光扫描，点云数据，三维建模，纹理贴图

0 引言

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它是测绘技术领域内继GPS技术之后的又一次技术革命。它不同于传统的单次单点测绘方法，而是使用激光束进行整条线上的扫描，一次获取目标物上一整条的数据信息，具有效率高、精度高的特点。利用这种线式的高速扫描测量方法，结合激光扫描仪自身配备的CDD专业相机，可以在很大范围内快速获取对象表面具有高分辨率的点云数据，这种新的结合模式为外业测绘提供了一种全新的技术手段。

近年来，国内外学者将地面三维激光扫描系统用于物质文化遗产的研究、保护和文化旅游综合服务中。Pesci等[1]对将三维激光扫描技术应用于比萨斜塔的研究之中； Teza等[2]利用点云数据监测了意大利倾斜钟楼情况；Hinzen等[3]利用点云数据分析了古罗马大剧场看台石阶的倾斜特征。在国内，赵煦等[4]在研究云冈石窟时使用了三维激光扫描技术；李德仁等研究的敦煌石窟项目，采用双目立体相机与激光扫描相结合进行三维建模[5]；王茹[6]采用三维激光扫描结合人工作业和照片的形式完成古建筑3D模型重建。

1 点云数据三维建模基本流程

通过野外现场数据采集过程得到了镇大门建筑表面的原始点云数据。要对原始的多站点数据进行配准拼接、去噪简化等处理，才能获得完整的镇大门点云数据。然后进行镇大门的三维实体重建，具体包括基本几何体创建、平面创建和纹理贴图三个部分(见图1)。三维实体重建利用3ds Max建模软件，对镇大门的所有部分进行建模。

本文着重讲解建筑物基本几何体的创建、平面创建和纹理贴图部分。对于点云数据的处理，包括配准拼接和去噪简化不加以介绍。

2 点云数据的三维实体建模过程

2.1 点云数据导入

我们所使用的建模软件版本是Autodesk 3ds Max 2017，在新版本中，创建面板增加了对点云系统的支持。通过三维激光扫描仪扫描出来的点云数据生成格式为.rcs的数据库文件，将该种格式的文件导入到3ds Max中进行建模。

在界面右上方呈“十”字形的“创建”面板中点击 “几何体”按钮，在下拉栏中点击 “加载点云”按钮。 在弹出的对话框中找到镇大门点云文件并将其打开。在max任意视窗中创建点云对象。

2.2 模型三维实体重建

本文以奇台县某镇的镇大门为例，经过实地调研以及使用三维激光扫描仪扫描测量后。得到了该大门格式为.rcs的点云数据文件(见图2)。

点云数据只包含物体表面测点的空间坐标信息，经过对点云数据的处理后，便可对镇大门进行三维实体重建，使其具有实体三维造型。三维重建包括基本几何体创建、平面创建和纹理贴图三个步骤。

2.2.1 基本几何体创建

由实地调研可知，该大门的主要构成部分可分为下部左右两边的梯形台、4根长立柱、若干横长柱以及大门上部的斗拱和房顶等。

首先，我们可以看到大门下部主体为左右两个大致对称的梯形台，在max中没有可以直接使用的标准几何体，所以我们选择先建立一个长方体，然后对长方体使用修改器列表中的FFD 2×2×2工具。选中建立的长方体体块，点击右侧命令面板FFD 2×2×2工具下的控制点按钮。我们会发现长方体的8个顶点处于可移动的状态，接下来分别将各个顶点移动至对应位置，在移动的过程中要将捕捉开关打开，方便选取点云顶点。对该长方体的顶点进行位置变化后，便得到了我们所需要的梯形台。这里需要注意的是，我们每建立一个新的体块，都要统一它们的参考坐标系为局部，方便后续的对齐操作。

在下部的梯形台上我们可以看到还设有一个小门，我们可以另外建立一个大小合适的长方体体块，将其附加在对应的位置上，然后使用布尔运算对其进行操作，得到该处门洞(见图3)。同理，得到镇大门另一侧墙体。

其次，较为明显的便是镇大门靠中间部位的四根立柱，其大小长度基本相似，我们可以画出其中一根，对其余三根进行复制粘贴。创建方法与梯形台创建基本一致。需要注意的是，我们肉眼看起来立柱是竖直的，但是可能由于承重等原因，立柱会有轻微倾斜。对此，我们应当视具体情况进行适当调整。

接下来，则是构建镇大门的若干横柱，遵循的创建原则与方法和梯形台相同。

最后，是镇大门的斗拱与房顶部分。由于此次扫描的细部不够精确，我们无法使用点云数据进行斗拱和房顶的构建。在此，我们可以导入已有的房顶建筑模型来加以代替，达到外观上的相似。

2.2.2 多边形创建

在完成基本几何体创建后，我们所需要的三维实体模型已经基本完成。之所以要对其进行多边形创建，是为了方便下一步的纹理贴图。我们知道，如果对一个体模块进行贴图，那么它的所有面都会被贴上我们附加的纹理。而该镇大门有部分体块的面纹理是不同的，所以在这里，我们要将该体块转变为平面构件。

在空间上任意创建一个平面，对其使用FFD 2×2×2工具，将其4个顶点拉至体模块其中一个面的4个顶点处。相同方法，对它的其余表面进行处理。

在该镇大门模型中，需要进行这项处理的是下部梯形台上方的长横柱。因为其正面是有特殊纹理的，而其余表面均为红色面。

2.2.3 纹理贴图

纹理贴图是基于点云数据构建三维模型的最后一步，它的工作是对模型进行材质赋予，使三维模型看起来更为真实。对面模块进行纹理材质的赋予时，首先使用photoshop软件对照片进行简单处理，将图片在软件中打开之后先运用裁剪工具对其进行尺寸大小的调整，为了获得更好的视图效果，可以对图片进行角度的变换等操作；在拍照片时可能会有干扰点的出现，在软件中使用仿章工具或者橡皮工具对其进行擦除、删除；为了使图片的光亮效果尽可能的接近真实环境，可以对照片的色彩平衡度做适当调整。完成对照片素材的加工之后，可以将其贴至三维模型上，完成三维建模的最后一步工作，得到最终的三维模型(见图4)。

3 结语

本章以奇台县半截沟镇镇大门为研究对象，利用三维激光扫描技术开展了对镇大门的真实建模的应用研究。在文中对测量工作的一系列步骤进行详细介绍，包括扫描仪采集点云数据的工作，有关点云数据处理的内业工作以及利用点云数据进行三维建模的详细步骤。在建模过程中，对模型的具体操作过程均进行完整介绍，特别对其中基本几何体创建、平面创建和纹理贴图等步骤进行了详细论述。模型的精度符合了测量的要求，这表明三维激光扫描技术在小范围内的高精度测量是具有一定优势的。

[1] Pesci A, Cssula G, Boschi E. Laser Scanning the Garisenda and Asinelli Towers in Bologna(Italy): Detailed Deformation Patterns of Two Ancient Leaning Buildings[J]. Journal of Cultural Heritage,2011,12(2):117-127.

[2] Teza G, Pesci A. Geometric Characterization of a Cylinder shaped Structure from Laser Scanner Data: Development of an Analysis Tool and Its Use on a Leaning Bell Tower [J]. Journal of Cultural Heritage,2013,14(5):411-423.

[3] Hinzen K G, Schreiber S, Rsdellen S.A High Resolution Laser Scanning Model of the Roman Theater in Pinara, Turkey comparison to Previous Measurements and Search for the Causes of Damage[J]. Journal of Cultural Heritage,2013,14(5):424-430.

[4] 赵 煦，周克勤，闫 利．基于激光点云的大型文物景观三维重建方法[J].武汉大学学报(信息科学版)，2008，33(7)：684-687.

[5] 常永敏，张 帆，黄先锋．基于激光扫描和高精度数字影像的敦煌石窟第196窟、285窟球幕图像制作[J]．敦煌研究，2011(6):96-101.

[6] 王 茹．古建筑数字化及三维建模关键技术研究[D]．西安：西北大学，2010．

Exploration on the method of point cloud data promotion of 3D laser scanner

Zhao Ji Pan Yonggang Chen Jiahui

(CollegeofArchitectureandEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830000,China)

This paper introduced the characteristics of 3D laser scanning technology, taking the gate in Qitai county Banjiegou town as the research object, described the 3D modeling process and method of town gate based on 3D laser scanning data, pointed out that the model accuracy created using this technology meet the measurement requirements.

3D laser scanning, point cloud data, 3D modeling, texture mapping

1009-6825(2017)15-0257-02

2017-03-13

赵 吉(1991- )，男，在读硕士； 潘永刚(1966- )，男，硕士生导师，副教授; 陈佳慧(1992- )，女，在读硕士

TP319

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