基于无人机的古建筑三维重建技术研究

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　　摘要：文物资源作为人类文明的宝贵财富，随着时间的推移不断遭到破坏，保护文物古迹成为日益重要的问题。近年来，无人机倾斜摄影测量技术的发展，为文物古迹数字化保护与传承发扬呈现了全新的技术手段和方法。该文将介绍在无人机技术的基础上，结合Smart3D、ModelFun和草图大师对古建筑进行三维模型的构建与单体化建模技术的试验，探索建筑三维化的生产模式及技术流程，并基于轻量级VR进行三维模型的虚拟展示，效果达到预期目标。
　　关键词：倾斜测量;三维建模;单体化;VR展示
　　中图分类号：TP3        文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）23-0209-03
　　1 序言
　　随着计算机及相关技术的迅猛发展，以数字近景摄影测量、虚拟现实等为基础的数字化与修复技术广泛运用于古建筑的保护，并扮演着重要的角色。历史文物资源是国家和民族的精髓，而随着时间的流逝和人类活动的影响， 古文物不断遭到破坏。2019年有着760年历史的巴黎圣母院被大火烧成炼狱，同时这大火也为物质文化遗产的安全防护工作敲响了警钟，也更加凸显出基于倾斜摄影测量技术的三维实景建模对于文物数字化保护工作具有不可替代的作用，以及对于以历史建筑为代表的文物数字化保护工作的重要性和迫切性。
　　在此背景下，基于无人机倾斜测量技术[1]，对古文物建筑进行数字化、单体化、修复和VR技术虚拟现实等操作，实现文物古迹遗产的数字化发展及保护手段创新性发展，再现文化遗产的种种魅力，是对外传播客家文化、向世界展现梅州客家文化的新方式，也为其他文物古迹遗产数字化及三维重建[2]提供借鉴。对古建筑进行数字化处理， 建成基于网络的数字化形式，可进一步开拓文物古迹的保护、修复和展示的新领域，增进文化遗产保护和科学研究技术;同时，数字化技术的实现对于保护资源、共享资源以及传播珍贵文物资源具有极其重要的现实意义。
　　2 古建筑三维模型的构建技术
　　2.1 三维建模技术现状
　　倾斜摄影测量技术的迅速发展推动了三维建模技术的进步，利用倾斜影像进行三维建模，使数据采集效率和建模速度大大提高，降低时间与费用成本，且建立的三维模型精度高、纹理贴合，能够详细反映地物表面的细节特征，非常适用于场景真实三维建模。
　　2.2 模型构建思路
　　本文基于各建模软件三维模型建模效果较佳的基础上，选择Smart3D对古建筑进行实景三维建模。结合Smart3D对采集到的影像数据进行自动化处理构建三维模型的流程如图1所示。
　　1）空中三角测量处理。将获得的相应影像进行纠正并自动匹配同名点及提取影像特征点，采用多视影像的匹配与密集匹配技术获取密集的点云，匹配点云数据生成测区的密集点云，进行空三测量经过迭代平差得到倾斜影像外方位元素。
　　2）影像密度匹配。基于外方位元素构建立体像对并采用多视影像密集匹配技术，对多视影像进行逐像素级匹配和特征匹配，多视匹配过程中要尽可能减少遮挡等因素产生的影响，可以多采用丰富的信息，解算出多视影像中同名像点的三维坐标，得到高密度的数字表面模型数据后可以将不同匹配的单元融合得到统一的DSM数据[3]。
　　3）不规则三角网构建。空三加密完成，调整規格和匹配好影像数据确保分辨率一致后对点云数据进行不规则三角网的构建，生成白模。
　　4）纹理映射。将建模的区域进行分割，匹配好位置与纹理信息进行纹理映射，纹理映射完成接着不断进行结构和层次的优化后可建成三维模型。
　　5）三维场景模型。完成上述操作得到三维模型;另外，Smart3D软件生成的三维模型可以引用OSGB、OBJ、Max等多种格式。
　　依据流程可以完成从原始数据到场景三维模型和与之相关的其他数字产品的全自动处理。实质上，这个三维模型是一个连续的三角网，并且这个三角网中的每一个三角面片都有对应的真实纹理影像，如图2所示。
　　3 倾斜摄影数据三维模型重建与修复的关键技术
　　3.1 三维模型修复
　　采用ContextCapture将无人机外业获取的影像生成的三维模型，经过多重检测与建模后，模型仍然存在很多缺陷，如建筑物和植被等地物细节部位出现了变形，不能做到完全还原现实物体，因此必须使用相应的三维模型软件进行修复，还原地物的真实信息，保证其高精度和实用性。
　　3.2 基于ModelFun对古建筑的修复
　　下文将基于模方（ModelFun）软件[4]对古建筑三维模型进行修复研究。模方可以对分瓦块的obj、osgb模型进行道路置平、水面修整、里面置平、标牌修补、孔洞填补、纹理编辑、测区裁切等操作，实现对倾斜数据的更新、新建、删除、编辑等操作，专为实景三维模型编辑的工作流进行优化。数据处理流程如图3所示。
　　3.2.1 结构处理
　　1）除碎片。种子点选择：地面上进行均匀点选，至少选取5个种且以同一水平面上进行种子点的选取，避开房屋建筑等，可对三维模型周边多余的碎片进行删除，使整个模型更加精准。
　　2）测区边缘裁切。绘制裁切线（第一个点位必须在瓦片上进行点选，确认模型位置，后续点位选择可按需求进行）;导入裁切范围文件，调出选择框，可选择“删内”“删外”两种选择，对裁切线进行编辑，提炼出需要处理的区域，更加精确获取目标三维场景模型，删除多余模型数据，从而减轻处理的负荷，加快速度、提升效率。
　　3）道路置平。通过绘制多边形对obj进行编辑，将数据道路进行置平处理，且可以自动附上纹理。将编辑模型视图中的模型还原至图像，并自动联动至ps，进行表面修整和渲染，可以清除无关地物对目标三维模型造成的影响，更加形象地还原古建筑三维场景模型。
　　4）删除小物件。对于悬浮在空中无法修改且造成模型质量下降的立体碎片，可以逐个选取漂浮物进行删除，除去小物件。 　　5）置平（/补洞）。针对模型中几何凹凸不平的问题，可将模型几何立面部分自动置平。在原有PS联动修复纹理的操作方式的同时提供自动添加纹理功能，自动为模型贴上原片纹理。
　　6）立面修整。模型生产中，不能对建筑内的修饰如文字、挂相等进行100%的复制还原，清晰度也会降低，因此需要采用高精度照片黏贴在相应的位置上，通过选取处理位置并进行微调，后选择相应的处理模式。
　　3.2.2 纹理处理
　　1）空三映射。在相应范围进行绘制，绘制完成后挑选出合适影像进行映射。
　　2）空白区域自动映射。针对已处理结构瓦片，不对原工程数据进行更新处理时，可直接在ModelFun 软件中进行空白区域自动映射，对瓦片赋予纹理。赋予纹理后可在ModelFun 中直接对瓦片进行纹理处理。对 obj 进行处理后，产生新的三角面，这些三角面系统显示为灰色状态是为无UV信息即空白区域。
　　3.2.3 模型整体评定
　　1）基于ModelFun 软件对模型中出现的多余碎片、道路不平整、墙面“漏洞”等现象进行精细化修复，使得古建筑纹理更加显著、结构清晰及特征明显，三维模型整体效果更真实精准，最终修复后的三维模型如图4所示。
　　2）实践证实在实景三维模型精修领域，模方突破原有三维模型后处理技术瓶颈，将三维数据的后处理技术上升到一个新的台阶，极大提高处理效率，实现快速达成高质量三维数据标准，为后面三维模型进行单体化提供更有力完美的支持，极大缩短了项目周期，节约项目的资金投入与时间成本。
　　3.3 倾斜摄影三维模型单体化
　　倾斜测量技术所构建的模型是一个连续的整体，无法对单个目标进行管理和操作，而实现单体化对建筑物三维模型管理及三维GIS应用等方面均有重要意义，可以为建筑的精细化与智能化管理提供经验参考和技术指导。
　　下面基于SketchUp实现对古建筑三维模型进行单体化研究，采取从外到内，从整体到局部的建模方式进行模型单体化的建立;其基本的原理是利用倾斜摄影建立的精细模型进行数据的获取，结合获取的数据对建筑物进行重建和纹理重采样，以实现对古建筑三维模型的单体化效果，减少到目的地采集数据的次数，提高单体化的效率。实现单体化技术流程图如图5所示。
　　1）数据获取。在Smart3D软件完成模型构建后获取该模型数据到SketchUp中进行处理。
　　2）三维数据量取、计算与拼接。对外墙模型进行构建，根据在Smart3D中获取的墙体几何数据，在SketchUp中进行底图绘制，拉伸细致处理墙体，并对门窗位置进行镂空处理，如图6所示。同理完成窗户等其他部分部件的构建。
　　3）纹理映射。纹理映射在建模中有重要性，既可更好的还原建筑物的本身，又增强了模型的可观赏性，在大面积的纹理映射需要使用到包裹贴图，而在范围比较准确明显的平面进行贴图则使用普通贴图即可。
　　4）精细部件重建。对梁、柱、地板、瓦片等一些精细的模型，先建立“部件”，再把部件添加到建筑整体上。在“部件”的建模中，获取的数据准确性很重要，因“部件”获取的数据不够准确会导致“部件”无法与整体模型整合到一起。
　　在单体化建模中几何数据的准确性非常重要，精细化在古建筑的单体化建模中是模型价值的体现，确保这两样技术同时体现出来，可以先对建筑物进行分解，准确获取每个“部件”的几何数据后进行单体化建模。这种方式解决了以往建模获取几何数据难、烦琐的问题，提高了单体化的效率。检查到错误可以对其“部件”进行修改，更便于对模型的修改和减轻对计算机硬件要求。对建筑瑕疵进行合理的修复，使模型更加美观逼真、符合真实建筑。基于精细化倾斜摄影模型，结合SketchUp经过测量、对比、拼接搭建处理，最终构建形成的古建筑三维模型单体化的成果如图7所示。
　　4 VR浏览技术
　　4.1 VR技术
　　三维模型在VR中的展示方法主要有借助第三方平台/插件[5]和基于游戏引擎[6]编辑完成浏览体验两种。其中基于Sketchup开发的插件——Dsketch，可以极大简化VR设计到展示的流程，使设计师能够沉浸在三维空间中，有效辅助设计之初推敲空间尺度的合理性，从而对设计成果进行有效反馈[7]。
　　4.2 三维模型展示体验
　　本文采用第三方平台/插件的方式实现建模软件导出和快速VR浏览体验。以古建筑三维模型为例，搭建一座连接传统设计工具与VR虚拟世界的“桥”，通过这座桥，将Sketchup模型导入，配合Dsketch插件直接转换生成VR虚拟场景，通过配戴VR头显设备（与移动端连接），完成在移动端上，对设计模型漫游的效果。该方法不需要依靠游戏引擎这种复杂的渲染方式来达到虚拟场景的生成，在向客户或外界宣传时也能大大节省人力、时间成本，简化流程，提高展示效率，古建筑三维模型浏览最终效果图如图8所示。
　　5 结语
　　本文针对基于无人机倾斜摄影测量实现古建筑三维重建的技术进行研究。先到野外勘测采集古建筑影像数据，在Smart3D中进行数据处理，实现对古建筑三维模型的构建，并借助Mode1Fun进行模型修复技术研究，完成三维模型的精细化，接着基于SketchUp对古建筑三维精细化模型的单体化技术流程进行实现，最后完成三维模型的VR技术的探索与展示浏览体验。保护和修缮文物古迹非常重要的方法就是实现三维实景模型的构建，采用无人机技术可以完整、快速构建三维模型，节省人力物力，增强工作效率;同时，实现三维模型的单体化和VR展示技术，对于我国文物古迹的保护与传承更是提供了全新的技术路线和方法措施（如：建立文物古迹数据库保存不同的文物古迹数字化模型等。），也为今后建筑模型的管理和应用、三维GIS的应用等方面提供宝贵的技术经验。
　　参考文献：
　　[1] 高哲.探讨无人机倾斜摄影测量的关键技术及应用领域[J].工程建设与设计，2020（2）：255-256.
　　[2] 陈嘉琦，张寅，王淑晴.基于Smart3D的倾斜影像三维建模研究[J].河南科技，2018（25）：16-19.
　　[3] 蔡香玉.基于无人机倾斜摄影场景建模的建筑物单体化方法[D].南京：南京师范大学，2018.
　　[4] Copyright  2019 by 大勢智慧. All Rights Reserved.模方（ModelFun）软件用户手册.
　　[5] 多维坍缩.VR开发[Z].CSDN，2017-07-29.
　　[6] 张鑫.Small Dots - 知乎专栏[Z].知乎，2017-03-12.
　　[7] 柏淋.SketchUp裸模全景制作插件[Z].活力网，2019-02-16.
　　【通联编辑：代影】
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