基于多視角影像的古建筑三維模型重建

陳姝麗 王濤 凌王章

摘?要：多視角影像三維重建技術是計算機視覺領域的一個重要研究內容，它具有操作簡單、建模效率高、建模成本低的特點。本文通過采集古建筑多視角影像，利用Context Capture三維實景建模軟件對文星閣進行三維模型重建，對古建筑的保護和數字化存檔具有重要參考意義。

關鍵詞：古建筑;多視角影像;三維實景模型;Context Capture

中圖分類號：TN957.52文獻標識碼：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，巴黎圣母院發生了嚴重的火災，其標志性尖頂在大火中倒塌，世界各國的人們都感到了震驚和惋惜。幸運的是，美國瓦薩學院藝術部的終身教授安德魯·塔隆先生曾為巴圣母院建立了完整的3D數字檔案，這對巴黎圣母院的重建具有重要意義。隨著文物古建的損壞和逐漸消失，對文物古建的保護和數字化存檔已經迫在眉睫。

多視影像三維重建技術是將二維影像轉換為三維模型的過程，現廣泛運用于數字城市、虛擬現實、醫學研究、文物保護等領域[1]。本文研究采用Context Capture軟件對文星閣進行三維實景建模，為其以后的數字化存檔提供參考。

1 三維模型重建技術與方法

1.1 三維模型重建

三維模型重建是通過深度數據獲取、預處理、點云配準、點云融合、形成表面等手段，對真實場景建立適合計算機表示和處理的數學模型，也是在計算機中建立客觀世界的虛擬現實的關鍵技術[2]。

1.2 三維模型重建的方法

目前運用最多的三維重建方法主要有三種：圖像建模、三維激光掃描建模、三維幾何建模。基于圖像建模是將多幅不同角度的二維影像通過算法運算對其三維信息進行恢復的過程，數據主要通過航空傾斜攝影測量技術、航空相片、數碼相機來獲取，其建模成本不大，操作容易上手等特點使其在未來有很大的發展空間[3]。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，它能提供被掃描物體表面的點云數據，用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型，適用于面積大、表面結構復雜物體的精細建模，精度高，但由于點云數據量大，內業處理困難，需要多種軟件配合使用，建模自動化程度低[4]。幾何建模是通過對點線面體等幾何元素的數學描述，經過算法運算生成三維模型，常用的三維幾何建模軟件主要是3D MAX、MAYA等。

2 多視角影像三維模型重建

2.1 多視角影像三維重建原理

多視角影像三維重建是通過一臺或多臺影像采集設備，對真實場景或三維物體進行影像采集，采集多張相同場景的物體全方位影像，根據成像原理對影像信息及影像間的幾何關系進行逆投影計算恢復其特征，并擬合確定物體三維信息，其原理結構如下圖1所示[5]。

2.2 多視角影像三維重建軟件

常用的多視角影像三維重建軟件主要有Bentley公司的基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件Context Capture;Skyline旗下的傾斜攝影自動批量建模軟件PhotoMesh和Agisoft PhotoScan等，還有基于影像自動生成高質量三維模型的軟件Altizure，3D could[6]。

2.3 Context Capture介紹

本文主要采用 Context Capture進行建模，該軟件的前身是法國Acute3D公司設計的三維建模軟件Smart 3D Capture，但其于2015年被Bentley公司收購，后更名為Context Capture。它是一款集合了數字影像處理、計算機虛擬現實和計算機幾何圖形算法的全自動高分辨率三維實景建模軟件。構建模型真實、數據量小、兼容多種數據格式、操作簡易等方面的特點，代表了目前全球相關技術的最高水準。

3 古建筑三維模型重建

本文研究的古建筑影像采集對象為文星閣，該古建筑坐落于玉溪市紅塔區玉興路街道辦事處小廟街，是玉溪市文廟古建筑群僅存的一部分，于康熙五十二年（公元1713年）建成。經1984年、2005年兩次重新修繕彩繪。其坐東向西，閣樓高16.8米，系兩樓一底木結構建筑，為三層四角攢尖屋頂，各層高度均由下至上逐層收縮，每層四角均有四根紅漆木柱，閣樓四周均有12根紅漆木柱，是市級文物保護單位。本文研究技術路線圖如下圖2所示：

3.1 影像采集

由于實驗區域周圍環境相對復雜，有建筑和樹木等遮擋，所以本文影像采集和數據處理設備參數如下表所示：

影像采集時，使用同一高度對文星閣進行360度全方位拍攝，每兩個拍攝點到被攝物體中心之間的夾角為6°，以保證影像之間有足夠的重疊度。影像采集完后手動剔除不合格的影像，如曝光過度、虛焦等，并檢查影像是否有漏拍，對影像缺失的地方進行補拍。

3.2 空中三角測量

在Context Capture軟件中，新建一個新的項目，導入篩選過的影像，設置相應參數，進行空中三角測量計算，提取影像特征點，對同名特征點進行匹配，推算出拍攝對象的位置等環節，先生成稀疏點云，如下圖3所示：

3.3 三維模型重建

重建三維模型，軟件可根據稀疏點云生成密集點云，并進行TIN模型構建。由于影像建模對電腦配置要求較高，當密集點云量較大時，需要對其進行切塊處理，分割為若干瓦片，瓦片大小可以根據電腦性能來進行調整。本文研究將點云分割為9個瓦片，如下圖4所示。根據分割好的瓦片，重新提交新的生產任務，構建TIN模型，如下圖5所示。最后自動對TIN模型進行紋理映射，生成文星閣三維實景模型，如下圖6所示。

3.4 三維模型導出與展示

Context Capture支持不同格式的模型導出，包括3MX、S3C、OSGB、OBJ等，不同的格式可以導入相應的軟件進行后期瀏覽和處理。模型保存后，通過Acute3D Viewer打開模型，可以進行精確測量。三維實景模型的精度大大依賴于拍攝設備的像素和影像處理的算法，像素越高，算法誤差越小，所構建的模型真實。

4 總結

本文通過研究，和其他三維重建方法相比，基于多視角影像的三維重建操作簡單，建模速度快、效率高，自動化程度高，設備成本低廉，模型效果逼真，對于研究人員的專業技術要求不高，應用前景廣闊。但是它也存在一些弊端，在本次實驗中，由于文星閣周圍環境復雜，四周建筑物、樹木較多，拍攝難度較大，導致模型有部分孔洞。在我國，大部分古建筑其實不高，無人機環繞拍攝效果更好，在建模對象周圍環境較為復雜時，結合數碼相機采集影像所建成的模型效果將會更好，在今后的研究中，將探討無人機傾斜影像與數碼影像的點云融合建模應用。

參考文獻：

[1]宋雪蓮，阮璽睿，馬茹菲，張文，張威，丁磊磊，雷霞，謝彩云，陳偉，王志偉，葉美金.基于ContextCapture的無人機傾斜攝影測量三維建模[J].科技經濟導刊，2018，26（21）：7-8+12.

[2]張福友.基于大疆無人機的Context Capture三維實景建模探討[J].廣東水利水電，2017（08）：88-91+103.

[3]李偉哲.基于ContextCapture實景建模及應用[J].西北水電，2018（03）：27-31.

[4]喬恩懋.基于三維實景建模技術的古建筑測繪[A].長沙市人民政府、中國民族建筑研究會.中國民族建筑研究會第二十一屆學術年會論文特輯[C].長沙市人民政府、中國民族建筑研究會，2018：9.

[5]林曉鴻，陳順和.基于多視角影像的三維重建技術在室內陳設設計中的應用——以家居擺件品為例[J].家具與室內裝飾，2016（10）：79-81.

[6]趙旭.多視圖三維重建技術和不確定問題[A].中國運籌學會不確定系統分會.第八屆中國不確定系統年會論文集[C].中國運籌學會不確定系統分會：清華大學數學科學系，2010：8.

項目：國家級大學生創新創業訓練（201811390002）、云南省高校測繪與地理空間信息技術重點實驗室（2014061）資助

作者簡介：陳姝麗（1998-），女，漢族，云南玉溪人，本科，研究方向：土地資源管理。

通訊作者：王濤（1987-），男，漢族，陜西西安人，碩士，助教，研究方向：三維激光點云及影像處理。