三維虛擬實(shí)景模型構(gòu)建方法的探討

張文清　杜芳芳

【摘 要】以蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園為研究對(duì)象，探討了三維激光掃描儀、街景技術(shù)、3Ds max、sketchup虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、傾斜攝影測(cè)量等幾種構(gòu)建三維虛擬校園模型方法原理流程及幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合種幾方法的特點(diǎn)，提出了構(gòu)建蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院虛擬校園模型的方案。

【關(guān)鍵詞】蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院；三維虛擬校園模型；方案

中圖分類號(hào)： TN249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）09-0240-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.117

Discussion on the Construction Method of 3D Virtual Reality Model

ZHANG Wen-qing DU Fang-fang

（Department of Surveying and Mapping Engineering，Lanzhou Institute of Resources and Environment，Lanzhou， Gansu 730030，China）

【Abstract】Taking the campus of Lanzhou College of Resources and Environment as an object of study，this paper discusses the principles and methods of constructing a 3D virtual campus model， including 3D laser scanner，streetscape technology， 3Ds max， sketchup virtual reality software， and oblique photogrammetry. The advantages and disadvantages of the method， combined with the characteristics of several methods， proposed a scheme for constructing a virtual campus model of the Lanzhou Institute of Resources and Environment.

【Key words】Lanzhou Institute of Resources and Environment；3D virtual campus model； Scheme

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為當(dāng)今熱門高科技技術(shù)，其應(yīng)用已深入各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，尤其是在數(shù)字城市、數(shù)字礦山、數(shù)字校園等方面，已得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的方法越來越豐富。按照構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的方式可以分為兩大類，一類是運(yùn)用三維激光掃描儀或360°全景相機(jī)實(shí)地采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景信息，或利用傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模手段，運(yùn)用相關(guān)軟件處理實(shí)際采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；一類是運(yùn)用3Ds max、sketchup等制作三維模型軟件，根據(jù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景比例大小，構(gòu)建三維虛擬實(shí)際場(chǎng)景模型。

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院（“簡(jiǎn)稱蘭資環(huán)”），是國(guó)家百所重點(diǎn)建設(shè)骨干高職院校之一，2015年又被評(píng)為國(guó)家試點(diǎn)建設(shè)信息化校園。學(xué)院已于2013年組織先關(guān)技術(shù)人員構(gòu)建三維虛擬校園，利用3Ds max構(gòu)建虛擬校園地物模型，并在SuperMap中構(gòu)建地貌并構(gòu)建了三維校園模型。但受到技術(shù)條件的限制，虛擬校園在位置精度、模型精細(xì)度及交互性上有所欠缺。此次，在建設(shè)信息化校園的大環(huán)境下，及新建現(xiàn)代測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，我們分析了三維激光掃描儀構(gòu)建校園模型，街景技術(shù)構(gòu)建虛擬校園，傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)，3Ds max、sketchup等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件構(gòu)建虛擬校園模型三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合蘭資環(huán)校園地物及地貌特征制訂并驗(yàn)證了構(gòu)建蘭資環(huán)三維虛擬校園模型的新方案。

1 三維掃描儀構(gòu)建校園模型

三維激光掃描技術(shù)（ Light Detection and Ranging， LiDAR） 被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來測(cè)繪領(lǐng)域的又一次革命”[2]。它是利用激光測(cè)距的原理，按照設(shè)定分辨率，采集并記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，利用掃描儀點(diǎn)云處理軟件復(fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型[3]。三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、航道橋梁監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)、地形勘測(cè)、建筑物輪廓建模等領(lǐng)域[4-6]。

三維激光掃描儀構(gòu)建三維虛擬校園模型流程如下：首先明確目標(biāo)任務(wù)，根據(jù)實(shí)地場(chǎng)景及測(cè)量精度要求，合理規(guī)劃布設(shè)測(cè)站控制點(diǎn)（每站不少于3個(gè)控制點(diǎn)）并對(duì)測(cè)站控制點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，合理規(guī)劃測(cè)站點(diǎn)位置及采集順序；然后，依次在測(cè)站點(diǎn)上架設(shè)三維激光掃描，并根據(jù)實(shí)際條件設(shè)置采樣間隔、掃描范圍等測(cè)量參數(shù)，分段采集建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)及紋理圖片信息，并將全站儀架設(shè)在測(cè)站附近測(cè)站控制點(diǎn)上，采集三維激光掃描儀測(cè)站坐標(biāo)信息；最后，利用點(diǎn)云處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校核、降噪、添加坐標(biāo)信息、拼接、剔除冗余數(shù)據(jù)、著色、模型重建并輸出。

三維激光掃描儀構(gòu)建三維校園模型，具有以下特點(diǎn)。a.虛擬模型的結(jié)構(gòu)比例及位置完全與現(xiàn)實(shí)建筑一致；b.虛擬模型表面結(jié)構(gòu)精細(xì)，紋理逼真；c.數(shù)據(jù)采集效率較高，建模方便；d.可以穿透植被到達(dá)地表，同時(shí)獲取植被和地表高程信息；e.由于虛擬模型由大量帶有實(shí)際坐標(biāo)的點(diǎn)云構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理較繁瑣，對(duì)軟硬件要求較高。

2 街景技術(shù)構(gòu)建虛擬校園

街景的出現(xiàn)使得人們足不出戶就可以游覽世界的每一個(gè)角落，隨著街景技術(shù)的成熟，應(yīng)用范圍越來越廣[7]。街景的制作是在獲取全景圖像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在街景地圖中，如同身臨其境，全方位觀察周圍景象，有很強(qiáng)的沉浸感。全景的獲取是通過360°全景相機(jī)實(shí)現(xiàn)的，360°全景相機(jī)通常由水平方位6個(gè)間隔60°的相機(jī)外加頂?shù)變蓚€(gè)魚眼相機(jī)組成，在一個(gè)點(diǎn)上同時(shí)拍攝八張照片，經(jīng)拼接處理可以得到三維全景模型[8]。

街景技術(shù)構(gòu)建三維虛擬模型的流程如下：首先，根據(jù)目標(biāo)任務(wù)，制定采集全景圖像方案，規(guī)劃采集路線；然后利用全景相機(jī)沿著規(guī)劃路線采集實(shí)地景物，利用DGPS獲取全景相機(jī)實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息；最后，對(duì)帶有坐標(biāo)信息的全景像片進(jìn)行圖像輸入、圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取、圖像配準(zhǔn)、統(tǒng)一坐標(biāo)變換、圖像融合、輸出全景圖像等處理進(jìn)行圖像拼接，再進(jìn)行切圖處理提高街景漫游的流暢度和相關(guān)屬性信息提取，并存儲(chǔ)于服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)街景地圖的制作。

街景技術(shù)構(gòu)建三維虛擬校園模型的特點(diǎn)如下：a.數(shù)據(jù)采集方便、速度快、效率高；b.全方位采集校園實(shí)際場(chǎng)景，沉浸感、立體感強(qiáng)；c.模型已實(shí)際場(chǎng)景情況顯示，更逼真；d.無法精確確定模型中每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

3 傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)構(gòu)建虛擬校園模型

近年來，傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)得到飛速發(fā)展，尤其隨著無人機(jī)技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用和實(shí)景三維建模軟件的發(fā)展成熟，傾斜攝影測(cè)量正逐漸成為大范圍實(shí)景建模的最佳選擇技術(shù)手段。

傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)流程如下：無人機(jī)航線規(guī)劃設(shè)計(jì)，利用五鏡頭傾斜攝影測(cè)量相機(jī)采集傾斜影像數(shù)據(jù)，采集像控點(diǎn)坐標(biāo)，影像預(yù)處理，空三加密解算，添加控制點(diǎn)坐標(biāo)，再次空三加密結(jié)算，構(gòu)建三維模型。

傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)特點(diǎn)如下：a.建模效率高，適用于大面積快速建模；b.模型無需紋理貼圖，自帶紋理，效果逼真；c.高反射地物，如玻璃、水面，建模中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤；d.對(duì)于植被茂盛地區(qū)，無法獲取地面高程信息。

4 虛擬現(xiàn)實(shí)軟件構(gòu)建虛擬校園模型

目前，市場(chǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)軟件有很多，比較流行的傾斜攝影測(cè)量有3Ds max、sketchup等。虛擬現(xiàn)實(shí)軟件主要用來制作三維虛擬模型，通過貼圖等相關(guān)處理，得到逼真的實(shí)物虛擬模型。但，若要完成整個(gè)虛擬校園場(chǎng)景的漫游、交互功能，需要將制作出的模型導(dǎo)入supermap、unity3D等平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)處理。

虛擬現(xiàn)實(shí)軟件制作虛擬校園模型流程如下：首先，利用全站儀或GPS校園地物與地貌的特征點(diǎn)，并利用南方cass繪制校園地形圖，用相機(jī)采集各建筑物各方位紋理相片；然后根據(jù)地物的輪廓，利用3Ds max或sketchup等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，繪制地物和地貌三維虛擬模型，并進(jìn)行貼圖渲染，輸出各建筑物模型和地貌場(chǎng)景模型；最后，數(shù)字地形圖，地物和地貌三維虛擬模型分別導(dǎo)入supermap或unity3D等平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際位置關(guān)系，進(jìn)行校園模型的組建，并添加交互漫游等功能。

虛擬建模軟件建模特點(diǎn)：a.建模精細(xì)，通過對(duì)模型渲染、貼圖等處理，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)建模，模型更逼真；b.由于模型精細(xì)，占據(jù)存儲(chǔ)空間較大，處理時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高；c.制作模型工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；d.軟件可以輸出多種格式，被CAD、supermap、Unity3D等軟件兼容；e：軟件帶漫游功能，可以輸出漫游動(dòng)畫。

5 蘭資環(huán)三維虛擬校園模型構(gòu)建方案

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院校本部建于蘭州市東郊竇家山上，校園地貌高低起伏較大，部分地表植被茂盛，建筑結(jié)構(gòu)各異，有些建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有些建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜精細(xì)。因此，在建立蘭資環(huán)三維虛擬校園模型時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際地物地貌特征，制定專門方案。

為快速建模，我們采用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景建模技術(shù)，建立學(xué)院整體模型。但根據(jù)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)，植被實(shí)景模型和建筑窗戶玻璃模型效果較差，有些建筑底層數(shù)據(jù)丟失，模型出現(xiàn)變形，為提高模型精度，采用三維激光掃描儀對(duì)各類植被和缺失底層數(shù)據(jù)建筑分別掃描進(jìn)行單體建模，并根據(jù)植被實(shí)際分布替換質(zhì)量差的植被模型，對(duì)缺失底層模型數(shù)據(jù)建筑進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)建筑窗戶玻璃采用虛擬仿真軟件建模，對(duì)實(shí)景模型進(jìn)行修補(bǔ)。

具體構(gòu)建方案流程如下圖：

6 結(jié)論

本文分析了構(gòu)建三維虛擬校園模型的四種常用方案，結(jié)合蘭資環(huán)實(shí)際地物地貌特征，制定了一個(gè)能夠高效率制作精細(xì)蘭資環(huán)三維虛擬校園模型的方案。既是，首先利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建模技術(shù)建立蘭資環(huán)整體三維虛擬校園模型，再利用三維激光掃描儀補(bǔ)測(cè)各類植被三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和缺失底部模型數(shù)據(jù)的建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)模型植被和缺失建筑底部模型進(jìn)行修補(bǔ)；利用虛擬建模軟件，建立建筑玻璃三維紋理模型，對(duì)傾斜攝影測(cè)量玻璃模型進(jìn)行修；最后在supermap中完成虛擬校園的組建及系統(tǒng)的漫游、查詢等交互功能。該方案，可以在保證模型精細(xì)度的情況下，大大提高建模的效率，節(jié)省大量建模工作量，為蘭資環(huán)的信息化校園建設(shè)提供了校園基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支撐。

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