基于照片建模技術的無人機航攝三維建模

許豪杰， 史洛陽， 盧美琪， 劉文博， 張安卓

(1 長春建筑學院 電氣信息學院， 長春 130600； 2 長春建筑學院 城建學院， 長春 130600)

0 引 言

目前，市場上廣泛應用于建模領域的技術有4種：傳統(tǒng)手工建模、三維激光掃描建模、數(shù)字近景攝影測量建模和傾斜攝影測量建模。傳統(tǒng)手工建模是指使用3dsmax等建模軟件，通過觀察CAD圖紙或者是建模物體的照片了解建筑物的大致輪廓后進行建模，該方式在模型結構上相較于其他方式更美觀，但精度較低，對勞動力的需求較大，生產(chǎn)周期長，復雜模型的建模對建模人員的技術水平要求較高，不易于大范圍模型的建立。

三維激光掃描技術是GPS空間定位系統(tǒng)之后測繪技術的又一新突破。三維激光掃描技術通過非接觸激光、攝影和白光對三維物體進行掃描，獲得大量的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過自動對點云信息進行匹配、降噪等操作，構建三角部分模型和曲面模型，最后通過人工手動將紋理信息映射到三維模型表面。三維激光掃描技術支持快速、連續(xù)的掃描方式獲得物體表面三維點云數(shù)據(jù)，精度較高、操作方便，適用于小規(guī)模精細模型的構建。但也有一些缺點：

(1)掃描對象的空間大小有一定的限制，大型物體掃描困難；

(2)激光掃描設備制造難度極大，由于零部件制作成本高，激光掃描設備的價格非常昂貴，不利于該技術的發(fā)展和普及；

(3)無法獲取被測物體的顏色和紋理，后期仍需人工處理。

數(shù)字近景攝影測量技術是指對近景圖像經(jīng)過自動匹配、空三運算、生成點云、紋理映射等操作后構建物體的三維模型，該方法所使用素材的照片往往是在100 m范圍內(nèi)獲得的近距離圖像，建立的模型精度高，效果好，但由于照片的拍攝往往存在死角，所以在建筑模型的建立上會遇到許多困難。此外，在獲取素材時也需要工作人員現(xiàn)場測量，大比例尺測量將消耗大量人力物力，只可用于小比例尺建模。

目前無人機行業(yè)發(fā)展迅速，誕生了大疆等科技巨頭，無人機傾斜攝影技術也隨之飛速發(fā)展。通過在無人機平臺上安裝云臺相機，可以同時采集垂直和傾斜的多角度影像，相較于數(shù)字近景攝影測量建?？梢垣@得更完整、更準確的物體信息，這些傾斜圖像可以通過軟件處理來生成三維模型?；趦A斜攝影技術的三維建模方式具有操作范圍廣、成本低、效率高等優(yōu)點。傾斜攝影數(shù)據(jù)處理對計算機硬件配置的要求較低，可以實現(xiàn)計算機集群處理，更適合大規(guī)模三維模型的構建，但這種方法也存在建筑物側面和底部信息收集不完整的缺點。

作為當前計算機圖形學領域一個非常熱門的研究領域，照片建模的主要目的是通過二維圖像中的各項信息建立物體的三維模型，在智慧城市、3D打印、影視制作等領域有廣泛的應用。照片建模的方式成本低、操作簡單、智能化程度高，所建立的模型真實感強、紋理和色彩逼真。本文以長春建筑學院圖書館三維模型為例，利用大疆Mini2無人機對圖書館穹頂進行拍照獲取數(shù)據(jù)，并利用真實感捕捉對照片進行建模，獲得精細模型。

1 照片建模流程

照片建模技術不僅提高了大范圍三維建模的效率，還能準確的反映拍攝物體的表面真實情況，推動了智慧城市的發(fā)展。通過傾斜攝影技術等方式，多角度、多層次對物體進行拍攝，獲得一組重復率較高的圖像，然后對圖像的特征信息進行提取分析，計算出圖像對應的三維位置信息并密集匹配，獲得物體的稀疏點云，但通常包含許多無效點。為了消除冗余信息，需要對點云進行篩選，以提高模型計算的速度和精度，經(jīng)過貼圖和建立紋理即可快速建立一個三維的城市模型，具體工作流程如圖1所示。

傾斜圖像由具有一定傾斜角度的傾斜相機獲得，同一物體可以從多個視點和視角獲取圖像，從而獲得更詳細、更大、多分辨率的側面信息，最終產(chǎn)品是通過記錄高度、速度、航線重疊、側面重疊和坐標等參數(shù)形成的。

圖1 工作流程圖

1.1 基于照片建模的三維建模軟件

Reality Capture是一款功能強大的照片三維建模軟件，可以幫助用戶將復雜的3D模型變簡單，更簡易的模型制作方法，傻瓜式的操作，軟件壓縮包小，相比其它的照片三維建模軟件要簡單的多。已經(jīng)成功用于智慧城市、影視、3D 打印等諸多領域。

1.1.1 獲取素材

為了建立一個高質量的三維模型，照片的獲取是重中之重，模型的質量主要取決于所使用的照片的質量。獲取高分辨率、高重疊度、高清晰度和良好的照明條件的照片是三維建模的必要要求。本文采用大疆Mini2自帶的三軸 4K 機械增穩(wěn)相機，其三軸機械增穩(wěn)系統(tǒng)，不論是定點懸停，還是高速飛行，都可以保證畫面穩(wěn)定流暢，1 200萬像素航拍相機最高可錄制 4 K/30 fps 視頻。為了獲得更好的照片效果，采用手動對焦。此外，為減少噪點的產(chǎn)生，在拍攝過程中隨著無人機位置的改變，ISO值也會隨之調(diào)整。為了獲得充足的進光量，光圈值應該足夠高，降低光圈大小以產(chǎn)生足夠的景深，保持背景清晰。由于氣流的影響，圖像因為抖動產(chǎn)生模糊，快門速度不應該過慢。鑒于圖書館體積較大，呈方形坐落于校區(qū)中部，并且周圍有其他建筑物遮擋，航拍采用環(huán)形路線，即圍繞建筑物環(huán)繞飛行360°建模建筑進行拍攝，環(huán)形航線如圖2所示。該方式適用于單體建筑的拍攝，通過較少的照片即可建立模型，耗時短、工作量小且建模效果良好。

圖2 環(huán)形航線

本次起飛區(qū)選在圖書館正前方，抵達指定高度后，按照要求將設置圖像軌跡重疊度>80%，橫向重疊度>50%，無人機每飛行8°，進行一次照片的環(huán)繞式拍攝。為了保證建模的質量，采用多層次拍攝，以獲得更多的建筑信息。初始設置的參數(shù)適用于對高度較低的物體拍攝，隨著樓層高度的增加，頂部的影像重疊度會隨之降低，頂部照片的重疊度不足會導致所建模型有漏洞，影響整體效果。需要根據(jù)實際需要重新計算了重疊度。

已知：H為航攝飛行高度；h為樓房高度；α為像幅角；S為建模建筑實際長寬；W1為飛行設定的重疊度；W2為樓頂處的重疊度；W3為地面重疊度；S1為拍攝點與建筑物的距離；L為樓頂處建筑物長(寬)。所需建模建筑的實際長(寬)，公式(1)：

S=2Htanα

(1)

飛機設定的重疊度，公式(2)：

(2)

則樓頂處的重疊度，公式(3)：

(3)

若要保證航攝區(qū)域內(nèi)所有地物的重疊度達到實際需求(算法理論建議值是 66.7%)，則地面重疊度W3，公式(4)：

(4)

重疊度計算示意圖如圖3所示[1]。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集流程如下：

(1)飛行準備工作：包括觀測當前天氣狀況，確保不會遇到雨雪天氣，風力≤4級(8 m/s)能見度≥5 km；查詢當前區(qū)域是否為禁飛區(qū)與限飛區(qū)等；

(2)起飛：選定一塊空曠區(qū)域為起飛區(qū)，通過軟件控制無人機進行飛行作業(yè)；

(3)航路飛行：無人機爬升到指定高度后，根據(jù)周圍實際情況選擇拍攝航線，減少遮擋避免與周圍建筑的碰撞；

(4)航拍任務完成后，將航拍圖像數(shù)據(jù)導出并檢查，主要檢查航拍任務是否與設置一致，導航定位定向系統(tǒng)數(shù)據(jù)簡稱POS，實時動態(tài)載波相位差分數(shù)據(jù)簡稱RTK，是否正常，照片是否產(chǎn)生過曝、模糊抖動等問題，判斷是否需要二次拍攝。

圖3 重疊度計算示意圖[1]

1.1.2 處理分析

照片數(shù)據(jù)處理的關鍵是把握整體，保證每張照片的清晰度、亮度和色差都較高，曝光一致。應充分照明，尤其是凹面和中空部分，避免產(chǎn)生黑色區(qū)域。相鄰照片的重疊率大于60%，航線彎曲度小于3%，像片旋角小于6°。在每張照片中，必須確保所有要拍攝的對象都在圖片中，并且要拍攝的對象應該約占圖片面積的80%。由于拍攝物體周圍環(huán)境復雜，所拍攝照片質量參差不齊，需要對照片進行編輯和預處理，預處理后的圖像效果直接影響模型的紋理效果。部分圖像POS數(shù)據(jù)見表1。

表1 POS數(shù)據(jù)

1.1.3 匹配照片以生成密集點云、生成模型

(1)導入照片：導入圖像盡量選擇目標對象在圖像中覆蓋率60%以上的，可以減少組件斷開，增加對齊速度；另外，選擇無損壓縮的照片格式可以獲得更精細的模型，因此可以在拍攝時使用RAW模式，通過圖片處理工具將照片格式轉化為.tiff格式。雖然官方說明中可以使用任意的照片進行建模，照片越多精度越高，但通過實際測試發(fā)現(xiàn)，受到相機配置等硬件因素的限制，過多的照片沒有任何意義，根據(jù)物體復雜程度，本次建模采用了143張照片。

(2)對齊照片：為了縮小查找范圍以減輕后續(xù)的匹配算法的計算量，需要對照片進行對齊。在對齊之前需要設置建模參數(shù)。首先，指定相機先驗的精度，當計算的位置和先驗在該精度范圍內(nèi)，則認為計算和先驗是一樣的；其次，通過添加控制點等方式減少組件斷開、圖像對齊；最后，通過軟件計算生成重建后的點云數(shù)據(jù)。對齊照片耗時大約20分鐘，得到的密集點云如圖4所示。

圖4 稀疏點云模型圖

(3)建立密集點云：現(xiàn)實場景中物體的形態(tài)各異，其對應的點云數(shù)據(jù)的空間屬性也各不相同。點云按照特征點的密度可分為“稀疏點云”和“密集點云”兩種。密集點云中特征點的數(shù)量較多，往往能夠精細的表示物體的形狀和外觀，可以實現(xiàn)三維場景或物體的全貌構建。但稠密點云的數(shù)據(jù)相對冗余，處理時需要耗費較大的計算量。本文通過計算獲得稀疏點云信息，再通過人工篩選，刪去其中不需要的場景點云信息，縮小建模范圍，減少獲得稠密點云數(shù)據(jù)所需的計算量，密集點云模型圖如圖5所示。

圖5 密集點云模型圖

(4)處理冗余信息：大規(guī)模范圍的重建得到的模型占用硬盤的容量會非常巨大，無論是導出還是后期的展示和使用都非常不便，對模型進行優(yōu)化會生成一個新的簡化后的模型。

(5)貼圖、建立紋理：給網(wǎng)格上色、建立紋理后生成的紋理是非常細碎的碎片，拼成了模型的表面，最后導出模型，最終產(chǎn)品的多角度展示如圖6所示。

圖6 最終產(chǎn)品的多角度展示

與其他建模方法相比，最終的模型在顏色和細節(jié)顯示方面基本滿足了顯示的需要。此外，在本次建模實驗發(fā)現(xiàn)以下拍攝環(huán)境有利于模型的建立。

(1)不透明、不反光的物體，例如地面、草地等；對于輕微反光的物體可以選擇使用柔光燈后在陰天進行拍攝，減少高亮點；

(2)景內(nèi)物體保持靜止也有利于模型的建立；

(3)光滑的、結構簡單的平面更易于模型的建立。雖然該方式在許多細節(jié)上擁有較大的改進空間，但與其他建模方式相比，照片建模技術極大的減少了時間、經(jīng)濟和勞動力成本，縮短了工程周期，提高了建模效率[1]。

2 結束語

相比于低效率、高成本的傳統(tǒng)手工建模和三維激光掃描建模等方式，本文所研究的基于照片建模技術的無人機航攝三維建模具有成本低廉，真實感強，自動化程度高等優(yōu)點，使用者可以以低成本、高效率的方式獲得清晰的三維模型，因而在3D打印、影視制作等領域具有廣泛的應用前景。在未來，隨著計算機硬件的發(fā)展，計算機算力的提高以及照片建模技術的不斷完善優(yōu)化，該技術在智慧城市的建設和發(fā)展中的影響力將越來越強大。