基于多视角影像的古建筑三维模型重建
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摘 要：多视角影像三维重建技术是计算机视觉领域的一个重要研究内容，它具有操作简单、建模效率高、建模成本低的特点。本文通过采集古建筑多视角影像，利用Context Capture三維实景建模软件对文星阁进行三维模型重建，对古建筑的保护和数字化存档具有重要参考意义。
关键词：古建筑;多视角影像;三维实景模型;Context Capture
中图分类号：TN957.52文献标识码：B
Abstract：Multi view image 3D reconstruction technology is an important research content in the field of computer vision.It has the characteristics of simple operation，high modeling efficiency and low modeling cost.In this paper，we use context capture to reconstruct the three-dimensional model of Wenxing Pavilion by collecting multi perspective images of ancient buildings，which is of great significance for the protection and digital archiving of ancient buildings.
Key words：Keywords ancient architecture;multi view image;3D real scene model;Context Capture
2019年4月15日，巴黎圣母院发生了严重的火灾，其标志性尖顶在大火中倒塌，世界各国的人们都感到了震惊和惋惜。幸运的是，美国瓦萨学院艺术部的终身教授安德鲁·塔隆先生曾为巴圣母院建立了完整的3D数字档案，这对巴黎圣母院的重建具有重要意义。随着文物古建的损坏和逐渐消失，对文物古建的保护和数字化存档已经迫在眉睫。
多视影像三维重建技术是将二维影像转换为三维模型的过程，现广泛运用于数字城市、虚拟现实、医学研究、文物保护等领域[1]。本文研究采用Context Capture软件对文星阁进行三维实景建模，为其以后的数字化存档提供参考。
1 三维模型重建技术与方法
1.1 三维模型重建
三维模型重建是通过深度数据获取、预处理、点云配准、点云融合、形成表面等手段，对真实场景建立适合计算机表示和处理的数学模型，也是在计算机中建立客观世界的虚拟现实的关键技术[2]。
1.2 三维模型重建的方法
目前运用最多的三维重建方法主要有三种：图像建模、三维激光扫描建模、三维几何建模。基于图像建模是将多幅不同角度的二维影像通过算法运算对其三维信息进行恢复的过程，数据主要通过航空倾斜摄影测量技术、航空相片、数码相机来获取，其建模成本不大，操作容易上手等特点使其在未来有很大的发展空间[3]。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它能提供被扫描物体表面的点云数据，用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，适用于面积大、表面结构复杂物体的精细建模，精度高，但由于点云数据量大，内业处理困难，需要多种软件配合使用，建模自动化程度低[4]。几何建模是通过对点线面体等几何元素的数学描述，经过算法运算生成三维模型，常用的三维几何建模软件主要是3D MAX、MAYA等。
2 多视角影像三维模型重建
2.1 多视角影像三维重建原理
多视角影像三维重建是通过一台或多台影像采集设备，对真实场景或三维物体进行影像采集，采集多张相同场景的物体全方位影像，根据成像原理对影像信息及影像间的几何关系进行逆投影计算恢复其特征，并拟合确定物体三维信息，其原理结构如下图1所示[5]。
2.2 多视角影像三维重建软件
常用的多视角影像三维重建软件主要有Bentley公司的基于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件Context Capture;Skyline旗下的倾斜摄影自动批量建模软件PhotoMesh和Agisoft PhotoScan等，还有基于影像自动生成高质量三维模型的软件Altizure，3D could[6]。
2.3 Context Capture介绍
本文主要采用 Context Capture进行建模，该软件的前身是法国Acute3D公司设计的三维建模软件Smart 3D Capture，但其于2015年被Bentley公司收购，后更名为Context Capture。它是一款集合了数字影像处理、计算机虚拟现实和计算机几何图形算法的全自动高分辨率三维实景建模软件。构建模型真实、数据量小、兼容多种数据格式、操作简易等方面的特点，代表了目前全球相关技术的最高水准。
3 古建筑三维模型重建
本文研究的古建筑影像采集对象为文星阁，该古建筑坐落于玉溪市红塔区玉兴路街道办事处小庙街，是玉溪市文庙古建筑群仅存的一部分，于康熙五十二年（公元1713年）建成。经1984年、2005年两次重新修缮彩绘。其坐东向西，阁楼高16.8米，系两楼一底木结构建筑，为三层四角攒尖屋顶，各层高度均由下至上逐层收缩，每层四角均有四根红漆木柱，阁楼四周均有12根红漆木柱，是市级文物保护单位。本文研究技术路线图如下图2所示：
3.1 影像采集
由于实验区域周围环境相对复杂，有建筑和树木等遮挡，所以本文影像采集和数据处理设备参数如下表所示：
影像采集时，使用同一高度对文星阁进行360度全方位拍摄，每两个拍摄点到被摄物体中心之间的夹角为6°，以保证影像之间有足够的重叠度。影像采集完后手动剔除不合格的影像，如曝光过度、虚焦等，并检查影像是否有漏拍，对影像缺失的地方进行补拍。 3.2 空中三角测量
在Context Capture软件中，新建一个新的项目，导入筛选过的影像，设置相应参数，进行空中三角测量计算，提取影像特征点，对同名特征点进行匹配，推算出拍摄对象的位置等环节，先生成稀疏点云，如下图3所示：
3.3 三维模型重建
重建三维模型，软件可根据稀疏点云生成密集点云，并进行TIN模型构建。由于影像建模对电脑配置要求较高，当密集点云量较大时，需要对其进行切块处理，分割为若干瓦片，瓦片大小可以根据电脑性能来进行调整。本文研究将点云分割为9个瓦片，如下图4所示。根据分割好的瓦片，重新提交新的生产任务，构建TIN模型，如下图5所示。最后自动对TIN模型进行纹理映射，生成文星阁三维实景模型，如下图6所示。
3.4 三维模型导出与展示
Context Capture支持不同格式的模型导出，包括3MX、S3C、OSGB、OBJ等，不同的格式可以导入相应的软件进行后期浏览和处理。模型保存后，通过Acute3D Viewer打开模型，可以进行精确测量。三维实景模型的精度大大依赖于拍摄设备的像素和影像处理的算法，像素越高，算法误差越小，所构建的模型真实。
4 总结
本文通过研究，和其他三维重建方法相比，基于多视角影像的三维重建操作简单，建模速度快、效率高，自动化程度高，设备成本低廉，模型效果逼真，对于研究人员的专业技术要求不高，应用前景广阔。但是它也存在一些弊端，在本次实验中，由于文星阁周围环境复杂，四周建筑物、树木较多，拍摄难度较大，导致模型有部分孔洞。在我国，大部分古建筑其实不高，无人机环绕拍摄效果更好，在建模对象周围环境较为复杂时，结合数码相机采集影像所建成的模型效果将会更好，在今后的研究中，将探讨无人机倾斜影像与数码影像的点云融合建模应用。
参考文献：
[1]宋雪莲，阮玺睿，马茹菲，张文，张威，丁磊磊，雷霞，谢彩云，陈伟，王志伟，叶美金.基于ContextCapture的无人机倾斜摄影测量三维建模[J].科技经济导刊，2018，26（21）：7-8+12.
[2]张福友.基于大疆无人机的Context Capture三维实景建模探讨[J].广东水利水电，2017（08）：88-91+103.
[3]李伟哲.基于ContextCapture實景建模及应用[J].西北水电，2018（03）：27-31.
[4]乔恩懋.基于三维实景建模技术的古建筑测绘[A].长沙市人民政府、中国民族建筑研究会.中国民族建筑研究会第二十一届学术年会论文特辑[C].长沙市人民政府、中国民族建筑研究会，2018：9.
[5]林晓鸿，陈顺和.基于多视角影像的三维重建技术在室内陈设设计中的应用——以家居摆件品为例[J].家具与室内装饰，2016（10）：79-81.
[6]赵旭.多视图三维重建技术和不确定问题[A].中国运筹学会不确定系统分会.第八届中国不确定系统年会论文集[C].中国运筹学会不确定系统分会：清华大学数学科学系，2010：8.
项目：国家级大学生创新创业训练（201811390002）、云南省高校测绘与地理空间信息技术重点实验室（2014061）资助
作者简介：陈姝丽（1998-），女，汉族，云南玉溪人，本科，研究方向：土地资源管理。
通讯作者：王涛（1987-），男，汉族，陕西西安人，硕士，助教，研究方向：三维激光点云及影像处理。
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