一種基于三維激光掃描技術的快速建模方法

南竣祥，梁 爽，李海泉，周 磊，周曦冰，黨軍勇

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

一種基于三維激光掃描技術的快速建模方法

南竣祥，梁 爽，李海泉，周 磊，周曦冰，黨軍勇

(國家測繪地理信息局第二地形測量隊,陜西 西安 710054)

針對傳統文物三維模型建模方法存在建模時間長、工作量大、經費花費多等問題，提出了利用Z+F 5010C三維激光掃描儀采集點云及全景照片，通過彩色點云直接擬合生成模型的方法。試驗結果表明，該方法制作模型能夠體現紋理細節，其質量與掃描儀距掃描主題距離成反比，且與全景照片質量息息相關。本文提出了在保證點云密度的前提下，通過提高全景照片的方式來提高建模質量的思路，為以后研究提出方向性參考。

三維激光掃描；彩色點云；全景照片；模型擬合；三維模型

三維激光掃描技術(3D laser scanning technology)是采用非接觸式高速激光測量方式，快速地獲取測量對象表面幾何特征的重要技術手段[1]。三維激光掃描技術目前已經在文物保護、國土測繪、建筑BIM模型等許多方面取代了傳統測繪[2]，其數據的全面性精細程度，為許多行業領域研究的發展提供了新的思路和方法。隨著三維激光掃描技術在文物保護領域應用的不斷深入與推廣，其已經成為考古現場科學記錄[3]、文物保護與修復、文物真三維數字檔案建設、真三維文物展示的常規技術手段。在真三維模型制作方面，目前多采用利用點云數據擬合生成文物本體多邊形模型，再利用外業所采集的照片在3ds Max中進行貼圖方式實現[4]，這種方法工作量大，成本高，不適合大量快速建模的需要，尤其是對于特別復雜表面的文物模型建模，該方法更不適用。因此，有必要研究一種在能夠滿足研究需要的情況下，節約時間、成本的快速建模方法。

本文主要采用Z+F 5010C三維激光掃描儀采集某文物遺跡表面點云數據，利用其自帶的I-CAM工業相機采集遺跡表面紋理信息，通過內業處理得到遺跡彩色點云數據，研究其在不同分辨率、不同距離等條件下對生成的多邊形模型的影響，并通過與傳統照片貼圖模型進行對比分析，得出該建模方法在文物真三維模型制作方面的優勢及特點。

1 Z+F三維激光掃描儀簡介

Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀為相位式激光掃描儀，10 m處誤差為0.3 mm(白色80%反射率)，全方位場角360°×320°，有效范圍約180.3 m，掃描時有4種數據質量等級和7種分辨率可以設置，在較遠的距離下也能保持相當高的點密度。

IMAGER 5010C將I-CAM相機集成于設備內部，適用于所有的環境，在各種光線下都能拍出高質量的照片,生成真實的全景影像，經過Z+F的后處理軟件Z+F LaserControl可以將全景影像的R/G/B信息按照實際位置映射到原始黑白點云數據，生成真彩色點云數據，更加直觀全面地反映掃描物件的詳細信息。

2 總體技術路線

本次采用掃描儀在不同距離上獲取遺址表面三維點云數據，再利用Z+F LaserControl軟件進行點云數據處理，制作完成不同距離之上的彩色點云數據，再通過Geomagic Wrap 2013(64 bit)(注：軟件版本可能影響試驗結果)逆向工程建模軟件建模，構建完成Obj彩色網格模型，利用3ds Max對網格模型進行紋理貼圖得到遺址真三維模型[5-7]，通過對比兩種模型結果，得出結論。總體技術路線如圖1所示。

圖1 技術流程

3 試驗方法及結果

由于本次試驗是為了驗證利用彩色點云擬合而成的網格模型與3ds Max精細三維模型之間的差別，而掃描儀自帶相機像素是一定的，因此，隨著掃描距離的增加彩色點云數據質量將會降低[8]，距離太遠對研究結果意義不大，因此，掃描測站均設置在10 m之內：

(1) 表面紋理數據采集：紋理信息數據采集使用Canon EOS 7D單反相機，采集照片達千萬像素。

(2) 三維激光掃描數據獲取：分別在掃描主體10、8、5、3 m的位置上架設測站，采用高質量中等分辨率(10 m處點云分辨率可達1 mm)對同一掃描主體進行數據采集，采集掃描測站全景照片，利用全景照片及點云數據完成彩色點云制作。

(3) OBJ彩色網格模型建模：利用Geomagic Wrap 2013(64 bit)軟件中擬合，構建完成單站OBJ三維格網模型，再通過其他測站布設，補充掃描獲取遺址完整的三維數據，經數據拼接、除噪[9]、輸出，擬合完成遺跡整體三維網格模型，如圖2所示。

(4) 真三維模型建模：在OBJ網格模型的基礎上，對采集的紋理信息進行處理，利用UVLayout v2 Pro配合3ds Max軟件實現傳統三維模型的制作，如圖3所示。

圖2 彩色網格模型

圖3 三維貼圖模型

通過對比，宏觀上兩類模型效果差異不大，彩色網格模型由于掃描儀對全景照片自動處理顯得更光亮一些，其整體色調一致，彩色信息與實地相符。三維貼圖模型是通過實地照片貼圖而成，更加美觀真實，但局部由于照片拉伸，細節紋理位置會產生偏移。

為了突出成果的直觀性，選取“DW-G1東壁”和“⑤C”兩個標識，標識尺寸分別為20 cm×15 cm、15 cm×8 cm，對采集的全景照片、彩色點云數據、單站擬合結果、遺跡整體點云拼接擬合結果及利用真三維模型結果見表1。

根據表1、表2可以看出：

(1) 距離3～10 m，掃描儀自帶相機生成的全景照片均能夠完全識別標識上的字跡，但隨著距離的增加，標識上面的文字線條逐漸加粗，由于掃描站點環境的不同，全景照片的色調發生了變化。

(2) 彩色點云數據的彩色信息與全景照片完全相同，即彩色點云的色彩完全取決于全景照片。

(3) 單站點云生成的彩色網格模型，標識上面的字跡均完全可以分辨，但數據拼接之后彩色網格模型只能分辨外輪廓，表1中標識內部“DW-G1東壁”中英文字母已不能辨別，漢字已模糊難辨，而表2標識內部“⑤C”字跡已完全無法辨別。

表1 DW-G1東壁試驗詳細情況

試驗結果表明：

(1) 單站彩色點云數據、全景照片質量、擬合形成的模型效果基本相同。結果表明：在點云分辨率1 mm之內時，能夠通過點云數據操作直接實現模型制作，其擬合結果與全景照片息息相關，由于掃描儀自帶的全景照片像素有限(大約4千萬)，距離越近，效果越好，可以通過減小距離或提高全景照片分辨率的方式提高模型質量[10]。

(2) 多站點拼接之后擬合形成的模型，其標識大小還能夠分辨，但內部字跡變得模糊，“DW-G1東壁”與“⑤C”中“東壁”二字還能判別，其他數字英文無法辨別，結果證明線條越細通過該方法建模就更容易丟失細節。究其原因：由于遺跡是個幾何體，需要多站點掃描才能獲取全部的遺跡信息，而不同測站的點云數據拼接之后存在誤差[11]，且不同站點的全景照片也存在色調差異，這些誤差和色調差異使得在后續擬合過程中紋理細節丟失。

4 結 語

隨著三維激光掃描技術的快速發展，產生了大量文物數字化成果便于永久保存及展示，而在復雜文物模型建模方面，傳統工藝需要花費大量的時間及金錢，使得大量、大范圍的文物數據化工作無法開展。本次試驗探索了利用掃描儀外業采集數據，直接通過數據處理獲取三維模型，節省了大量人力及時間成本。

與傳統三維貼圖模型效果對比，其成果還存在很大差距，但通過試驗發現，對于表面紋理不精細、細節不突出的遺址，其真三維模型可以通過該方法實現。但對于對細節要求較高的遺址，可通過提高影像質量、點云數據拼接質量來提高建模效果，需要在以后的工作中繼續研究與探索。

[1] 崔磊, 張鳳錄, 錢林. 三維激光掃描支持下的復雜異型建筑物測量[J]. 測繪通報, 2017(1): 112-114.

[2] 宗文鵬, 李廣云, 王力. 低成本三維激光掃描儀的設計與實現[J]. 測繪通報, 2016(11): 31-34.

[3] 趙昆，馬生濤．用數字傳承文明——激光三維數字建模技術在秦俑遺址保護管理中的應用[J]．四川文物，2007(1)：91-93．

[4] 喬杰，郭雋菡，蘭天亮．利用照片建模技術重建文物的三維數據模型[J]．文物保護與考古科學，2011，22(1)：68-71．

[5] 王婷．文物真三維數字建模技術在秦始皇兵馬俑博物館中的應用——以一號坑陶俑為例[J]．文物保護與考古科學，2012，24(4)：103-107．

[6] HORN F．缺失彩繪的虛擬三維重建——秦俑彩繪[J]．文博，2009(6)：26-35．

[7] 霍笑游，孟中元，楊琦．虛擬現實——秦兵馬俑遺址與文物的數字化保護與展示[J]．東南文化，2009(4)：98-102．

[8] 徐壽志, 程鵬飛, 張玉, 等. 地面三維激光掃描儀的檢校與測量精度評定[J]. 測繪通報, 2016(2): 79-83.

[9] 李明磊, 李廣云, 宗文鵬. 激光掃描點云準確快速去噪方法[J]. 測繪通報, 2015(12): 27-29.

[10] 呂楠, 茍永剛, 龍川, 等. 多相機圖像拼接勻色算法[J]. 測繪通報, 2016(7): 44-47.

[11] 徐辛超, 徐愛功, 于丹. 地面三維激光掃描點云拼接影響因素分析[J]. 測繪通報, 2017(2): 14-18.

AFastModellingMethodBasedon3DLaserScanningTechnology

NAN Junxiang,LIANG Shuang,LI Haiquan,ZHOU Lei,ZHOU Xibing,DANG Junyong
(The Second Topographic Surveying Brigade of National Administration of Surveying, mapping and Geoinformation，Xi’an 710054，China)

According to the fact that traditional cultural relics 3D modeling method causes many problems, such as， long time, big workload and large expenditure. This paper puts forward to use Z+F 5010C 3D laser scanner patch cloud and panoramic photos, through the color point cloud to accrete directly into a method of the model. The experimental results show that the method making model can reflect the texture details, its quality and scanner is inversely proportional to the distance from scanning the theme, and is closely related to panoramic picture quality. Is presented under the premise of guarantee the point cloud density, by raising the panoramic photos of ways to improve the quality of modeling idea, put forward the direction for further research references.

3D laser scanning; color point cloud; distant view photograph; model fitting;3D model

南竣祥，梁爽，李海泉,等.一種基于三維激光掃描技術的快速建模方法[J].測繪通報，2017(10)：137-139.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0332.

2017-03-23;

2017-05-08

石窟寺文物本體測繪技術與方法研究(陜測科-04)

南竣祥(1985—)，男，碩士，主要研究方向為三維激光掃描技術應用。E-mail:16819371@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)10-0137-03