基于ContextCapture 的實景建模在化工實驗教學中的應用

賈舒欣，楊麗麗，趙永超*

(1.聊城大學化學化工學院，山東 聊城 252059；2.石河子大學化學化工學院，新疆 石河子 832003)

0 引言

ContextCapture(CC)軟件是國內外普遍使用的一種三維建模軟件，它的主要優點是對影像的要求不高，有一定的相片數量、角度和距離足夠、重疊度足夠就可以快速地建立各個尺寸的模型。用 ContextCapture軟件進行三維實景建模的優點是：自動化程度高、效率高、成本低等。

化工專業實驗和化工實訓實驗等實踐課程是化工專業學習中比較重要的課程，通過實驗學習，可以深入理解對應的理論知識，可以提高動手能力，提高科學研究的素養和能力。在學習的過程中發現，由于實驗設備和場地相對有限，在實驗室練習時間也很有限，加上實驗為小組合作分工模式，平均到個人來說對實驗裝置和設備的了解、熟悉、掌握和應用水平在一定程度上達不到理想的效果。課前預習和課后復習也由于沒有實物的裝置而感到束手無措。

實景建模可解決這個問題。多角度對實驗裝置進行拍照或拍攝視頻，將拍攝的圖片或視頻導入ContextCapture 軟件進行3D 實景建模，得到該實驗裝置的 3D 實景模型文件。該模型可以實現對裝置的百分百實景還原，實現多方位多角度各種距離查看實驗裝置的結構，可以對模型的縮放、旋轉、平移、漫游等，體會到“身臨其境”的感覺，方便課前預習和課后復習，能夠提高學習效率、完善學習效果、激發學習興趣。將實景建模應用到化工實驗教學中，能在學生預習、學生復習和教師實驗講解、成績評定各環節取得很好的效果。

1 實景建模的原理

最近幾年來，三維實景建模技術慢慢走進人們的生活，并且逐漸應用在各個領域中。通過這種技術得到的三維實景模型與真實場景一致，在一定的技術條件下，模型和真實場景的誤差能夠達到毫米級別[1]。應用實景建模軟件，對化工實驗室中的裝置及其管道閥門等附屬設備進行三維實景建模，通過該模型可幫助進行化工實踐課學習。

1.1 實景建模的原理

實景建模的原理是以傾斜攝影測量原理為基礎的[2-3]。傾斜攝影測量基本原理是：通過多角度對對象進行拍攝，可快速而高效地采集三維空間數據，再通過視覺原理自動識別并匹配同名點，結合影像的 POS數據(位置數據 Position 的簡稱，是指傾斜攝影測量中的各種外方位元素，比如，經度、緯度、拍攝的俯仰角等數據)和相對位置關系進行空中三角運算，產生三維點云數據，再結合影像紋理信息，從而生成實景三維模型。攝影測量時，一般是同時拍攝一組正射、四組傾斜和五組不同角度相片[4]。拍攝照片時，相機會自動記錄拍攝高度、平面坐標，并要求相鄰相片之間必須有一定重合度，最后，在專業后處理軟件，如 CC中進行數據處理，生成三維實景模型。

1.2 實景建模軟件

近年來，采用傾斜攝影數據進行三維建模的軟件較多[5]，如 ContextCapture (又名Smart 3D)[6]、Photo Scan、Photo Mesh、Pix 4D、DP-Smart、街景工廠等，其中ContextCapture 應用最廣，效率最高[7]。ContextCapture軟件支持多種數據，比如說，無人機、數碼相機、手機攝像頭以及拍攝的視頻等形式的數據都可以被作為數據源；經過一系列運算，得到多種格式的三維模型、正攝影像(digital orthophoto map, DOM)、數字地表模型(digital surface model，DSM)等。

2 實景建模的實驗過程

2.1 拍攝對象和拍攝設備

2.1.1 建模小試

在正式拍攝實驗設備之前，由于對 ContextCapture能識別的照片條件(如大小、清晰度、焦距、裝置顏色、拍攝環境以及干擾物品等客觀條件)不是很確定，所以決定用小物件進行小試。

選取了玩具模型(顏色比較鮮艷)、鼠標(立體感比較強)、深色保溫杯(圓柱體有利于拍攝)、展開的書本(有密密麻麻的小字) 作為試驗建模物品，按照流程，首先攝影測量、環繞拍攝，然后將照片或視頻導入ContextCapture 軟件中，經歷軟件的空中三角運算，重建項目運算之后，均得到了物品的3D 模型。

2.1.2 選取實驗裝置

學校實踐課程有實驗、實訓、實習三大類裝置，實驗、實訓、實習的裝置和實驗流程復雜程度逐漸增加。實驗課程的裝置相對來說比較簡單，一般只有孤立的一個單元操作設備，并且體積比較小，管路布置比較簡單，如精餾實驗、流化床干燥實驗、恒壓過濾實驗等；實訓課程的裝置復雜程度居中，設備體積居中，一般為兩層；實習車間的設備最為復雜，一般有多個工段、占地面積大而且大多布局二層或多層，管道布置極其復雜，閥門眾多。

由于拍攝設備和個人電腦運算能力的局限性，只能選擇實驗課程的裝置進行拍攝。拍攝選取了單釜三釜停留時間分布的測定實驗裝置，而且該裝置的特征比較符合小試里總結出的照片拍攝特征；通過嘗試建模，單釜三釜實驗裝置建模基本生成；建模結果生成之后又選取了實習車間的一個隔膜泵進行拍攝建模進一步驗證。

2.1.3 拍攝設備說明

根據選取的設備特征(設備體積不大，管路較簡單等)和拍攝環境(實驗室內、基本沒有光線天氣等因素的影響)以及建模效果要求(清晰地看清楚設備和管路閥門即可，不需要太細致地紋理)，綜合考慮現有的設備及情況，選擇了手機相機作為拍攝設備。

手機拍攝時只使用后置攝像頭，參數如下：4800萬像素主攝像頭；攝像頭的型號：SONY IMX 586；感光面積為 1/2.0；光圈為 f/1.7，鏡頭為 6P 鏡頭；視頻功能：1080P 高清視頻拍攝，60 fps/30 fps；慢動作視頻拍攝，支持1080P，120 fps； EIS 視頻圖像防抖功能。

2.2 拍攝實驗裝置

2.2.1 拍攝準備

單釜及三釜停留時間分布的測定的實驗裝置優點是背靠白色墻面、周圍干擾物品較少、靠窗、光線比較好、管路比較簡單。發現反應釜是透明塑料材質的，一定程度上很像玻璃鏡面，ContextCapture 軟件可能無法識別。為了避免這個因素帶來的干擾，盡量保證實景建模的效果，選取幾張顏色鮮明的彩紙對透明的反應釜進行包裝，釜體、攪拌器、閥門等采用不同的顏色的彩紙包裝以形成對比。

經過第一次建模嘗試，發現設備周圍一些物品會入鏡并干擾軟件生成模型，于是采用幾塊白布和白紙對周圍物品進行遮擋。由于實驗裝置比人身高要高，拍時要站在高處拍攝，以獲得從設備上方觀測時的影像。

2.2.2 視頻拍攝

通過查閱文獻以及觀看視頻資料可得，拍攝短視頻并導入軟件效果更好。拍攝短視頻時，首先站到高處垂直拍攝整體裝置，接著斜向下拍攝，緩慢移動，環繞一周。根據 ContextCapture 的識別功能，視頻可以自動被截圖成眾多照片，并且重合度比直接插入圖片好。拍攝得到1 分16 秒的視頻，達到了傾斜拍攝的要求，可導入 CC 軟件進行實景建模。圖1 是拍攝的視頻的截圖。

2.3 導入視頻

2.3.1 打開并新建工程

ContextCapture 軟件包括 ContextCapture Master、ContextCapture Viewer 和 ContextCapture Engine 等一系列軟件，ContextCapture Master 相當于一個組織管理者，由它創建并且管理建模任務，所有的操作通過它進行；ContextCapture Viewer 相當于一個查看者，可預覽查看生成的三維模型；ContextCapture Engine 的作用是負責計算及建模，并能詳細地顯示各個步驟運算地過程，最后將運算的結果呈送給ContextCapture Master。圖2 為 ContextCapture 軟件包含的三個圖標。

首先打開 ContextCapture Engine 軟件，并且要一直運行。圖3 為 CC Engine 運行的實時畫面。

圖3 CC Engine 運行實時畫面

接著打開軟件 ContextCapture Master，新建一個工程，名字要求用英文或者字母格式，選取需要保存的文件夾的位置。

2.3.2 導入視頻的過程

CC 軟件可以自動對導入的視頻進行截圖并保存下來，從而使導入視頻的效果和插入圖片的效果相同；導入視頻的優勢在于截圖數量較多，重合度較好，有利于以后的空三運算和重建項目。

打開并新建工程之后，選擇影像選項卡，選擇導入視頻，并對導入視頻的方式進行設置。通過設置視頻的開始時間和結束時間，可以剪輯出需要的清晰度較高的視頻；通過設置截圖的時間間隔，可以決定進行空三運算的圖片數量。圖4、圖5、圖6 是空三運算操作界面截圖。

圖4 導入視頻設置對話框

圖5 CC 軟件自動截圖畫面

圖6 導入視頻完成界面

2.4 空中三角測量

空中三角測量是在立體攝影測量中，設備上的某點和相機拍攝該點時的不同位置構成一個立體的三角構型，然后求得該點的相對高度和平面位置的測量方法。類似于一個人用兩只眼睛看一個物體來確定物體的位置。

在CC 軟件中，由于插入的圖片重疊度不夠或者影像信息有所缺失，可以通過空中三角測量對圖像進行完善，在三維坐標系中形成一系列的實物坐標點。

圖7是空中三角測量的操作界面。圖8 是空中三角測量計算結果。

圖7 空中三角測量計算運行界面

圖8 空中三角測量計算結果界面

2.5 重建項目

2.5.1 新建重建項目

“以器官系統為中心”（organ system-centered，OSC）的課程模式是以人體器官系統為中心，重組醫學各門學科知識，使基礎和臨床課程之間銜接更系統化和完整化，已成為國內醫學院校課程改革的重點[1]。目前我國的整合改革主要集中在基礎課程之間的水平整合及基礎與臨床課程之間的垂直整合，而在臨床學科間開展橫向整合的較少，可借鑒的經驗也較為有限。因此，我院臨床醫學系積極開展OSC臨床課程間橫向整合改革，在血液與腫瘤疾病教學過程中，積極引入CBL（case-based learning）以案例為基礎的教學方法，取得了良好的教學效果。

新建重建項目是對上一步空中三角測量的細化，空中三角測量的結果可以認為是一個草圖，通過重建項目可以進一步渲染，得到逼真的模型。軟件顯示可進行生產之后可以得到成功的模型，如果發生錯誤則得不到。

點擊重建項目檢驗是否可以進行重建項目，操作界面如圖9 所示。

圖9 新建重建項目界面

可進行生產界面如圖10 所示。

圖10 可進行生產界面

2.5.2 空間結構框架裁剪

提交新的重建項目之前，在空間框架選項卡里，出現了用實物顏色的點代表實物分布點的三維坐標圖，3D 實景模型實物點已經初步形成，其中連成曲線的系列白點代表拍攝設備的移動軌跡。圖11 是初步的空間框架圖。

圖11 初步空間框架圖

由于周圍一些其他無關物品的入鏡，導致這些干擾物品的實物點也參與了空中三角測量，并且實物點出現在空間框架中，非常影響接下來重建項目的計算，計算量增大而且提高了模型變形的可能性，所以要對圖11 中的三維模型實物點進行裁剪。

裁剪的方法是：按下剪輯指令按鈕，用鼠標左鍵即可拖動立方體(代表實物點范圍)的各個面，立方體內部空間代表了接下來重建項目的范圍。裁剪時要注意盡量刪去分布不集中的點，只留下集中的點方便重建。圖12 是裁剪完成后的操作畫面。

圖12 裁剪后結果圖

裁剪完成后，返回概要選項卡處，點擊提交重建項目，軟件開始搭建3D 模型，這時候需要經過漫長的等待，同時可以通過查看CC Engine 查看構建模型的進度，如果失敗，CC Engine 的計算欄目不再進行；圖13 為構建模型的操作界面。

圖13 構建模型的操作界面

圖14為實景建模的最終結果。該結果由于手機拍攝不夠專業，特別是電腦運算能力的限制，模型清晰程度一般，但模型與實物總體一致，模型可以通過鼠標或者鍵盤進行旋轉，平移放大從上下左右各個方向進行查看，與看實物情況一致。

圖14 單釜三釜停留時間分布實驗裝置建模結果截圖

2.6 實習車間內隔膜泵實景建模結果

在完成單釜三釜裝置的實景建模之后，決定進一步驗證，同時多獲取一個素材，對車間一個進料隔膜泵實景建模，建模過程和單釜三釜實驗裝置一樣，圖15為建模的結果圖。可實現對該設備的上下左右多角度觀察，與在現場看一致。

圖15 隔膜泵建模結果截圖

3 結果分析與討論

3.1 建模過程中的問題與解決

從建模小試以來直到單釜三釜實驗裝置建模完成的過程，出現了很多問題，導致建模過程多次失敗，出現一些奇奇怪怪的模型，甚至沒有模型。現總結如下：

(1)首先設備比較高，拍攝時需要站在高處拍攝頂部，拍攝者移動位置時鏡頭有很大晃動，導致鏡頭模糊不清，軟件無法正常識別，于是建模失敗。解決方法：①鏡頭移動時盡量保持鏡頭穩定，保證畫面的清晰度；②導入視頻時及時對截圖進行預覽，刪去模糊不清的圖片；③加入控制點和連接點，這個較復雜，待以后學習。

(2)在保證所有圖片清晰度沒有問題的情況下導入 CC 軟件進行建模，發現在新建重建項目的步驟里，由于周圍干擾物品太多(例如窗戶、黑板、桌椅以及靠近的實驗儀器)找不到集中分布的實物點，無法找到裁剪的合適范圍；重建項目完成之后，模型雖然生成，但是“形如怪獸”，模型與實物相差巨大。解決方法：選擇空曠的地點或者干擾物品少的拍攝環境進行拍攝，突出主要裝置，減少其他實驗儀器的入鏡，適當增加照片的重合度。

(3)選擇化工專業實驗室內單釜及三釜停留時間分布的實驗裝置進行拍攝，并且把四周用白布和白紙遮擋避免其他物品干擾，但是建模之后在 CC Engine界面顯示失敗，無論是改變照片數量還是改變建模范圍都無法得到成功的結果；仔細分析原因后發現，四個反應釜全是由塑料做成的圓柱形罐，結合文獻知，ContextCapture 軟件不能識別水面和玻璃鏡面，猜測是軟件不能識別透明的有機玻璃反應釜，導致建模失敗。解決方法：用彩色紙把反應釜透明釜體以及周圍透明管路和閥門進行包裝，便于軟件識別避免誤認為玻璃鏡面這個問題的發生。

3.2 建模過程的總結

用 ContextCapture 軟件對化工實驗裝置進行實景建模的過程并不復雜，但是對素材圖片的采集要求較高，無論是拍攝環境還是拍攝對象的要求，這就意味著要用科學嚴謹的態度對待每一次建模，考慮問題要盡量做到全面和周到。

用 ContextCapture 軟件對化工實驗裝置進行實景建模的大致的流程如圖16 所示[1]。

圖16 建模基本流程圖

4 實景建模在化工實驗教學中的應用優勢

4.1 激發學習興趣，實現創新實驗教學

化工實驗由于自身的復雜性，比如錯綜復雜的管線、眾多的閥門、體積較大的實驗裝置以及各種各樣的操作注意事項，有時弄明白流程是一件比較費氣力的工作，會導致對化工實驗的興趣和熱情并不高，甚至在做實驗的時候有些畏難情緒。當看到實驗室內復雜的實驗裝置被做成“活靈活現”“色彩鮮艷”的模型，這些可視化的學習模型可以使學習的過程變繁為簡，容易思考、容易弄懂，一定程度上提高了對實驗的興趣和熱情[8]，提高了獨立思考能力以及創新機會。

在化工類專業的實驗教學過程中，演示實驗是實驗過程中的比較關鍵部分，同樣也是實驗教學過程最為有效的方式手段。傳統的演示實驗教學，一個老師帶著好多學生圍著一個實驗裝置進行實物講解，老師梳理管路和講解閥門操作的時候不能照顧到每一個同學，這就導致部分學生的學習積極性喪失。如果把實景建模應用到教學中，老師就可以通過在實景建模的操作界面錄制講解視頻，對實驗儀器旋轉、翻轉、上下左右移動，做到對實驗儀器的全方位講解，每個學生都可以清晰的看到、聽到，學生也可以在自己的電腦或手機上自行全方位的查看模型，從而更透徹的了解儀器設備。

4.2 方便學生對實驗進行預習和復習

由于學校實驗設備和場地相對有限，在實驗室練習時間也很有限，加上小組合作分工之后，平均到個人來說對實驗裝置和設備的了解、熟悉、掌握和應用水平在一定程度上達不到理想的效果[9]，課前預習和課后復習也由于沒有實物的裝置而感到束手無措。雖然可以拍攝照片和錄視頻，但照片和視頻都不方便前后左右及上下查看實驗設備。

如果有了實景建模，可以看到和實驗室的裝置一摸一樣的3D 裝置模型。該 3D 模型可以通過鼠標的左鍵和滑輪實現放大、縮小、旋轉、翻轉，可以360 度對模型查看，大到整體輪廓，小到細小的閥門管道。由于個人拍攝設備以及電腦處理能力的局限性，模型的精細度達不到很高的水平，如果聘請專業人員或者專業機構進行處理，應該能得到基本于實景設備一模一樣的模型，能夠實現“身臨其境”的真實感。

有了模型之后學生在預習時可以細致地查看實驗裝置，也能找到自己在預習過程中的問題和疑惑，上課時仔細聽老師講解，可提高學習效率和學習效果；有了模型之后課后復習時也能實現對實驗裝置的“情景再現”，便于回憶實驗流程和實驗細節，加強了對知識的鞏固和理解。

4.3 使化工仿真實驗更加符合實際情況

實景建模可以為化工仿真軟件提供基礎操作界面，有利于化工仿真模擬的學習。目前化工仿真軟件中的模型有時與實際操作的設備不一致，甚至有明顯的不合理的地方。如果將實景建模的模型應用在化工仿真軟件中，這樣仿真軟件的模型可以與實體設備達到一致，使仿真操作更加接近實際。

4.4 優化實驗成績評定

實驗課程成績評定可以分為有操作考試和沒有操作考試兩類。第一種，進行實驗操作考試。實驗操作考試組織比較復雜，而且實驗操作考試監考一般不同。學生分組由不同的教師監考并由該老師評分，雖然各位監考老師按照統一的標準評分，但實際情況是個體差異還是存在的，同一個學生在不同的老師處考試分數可能有較大的差別；第二種，沒有實驗操作考試，由指導教師根據學生的在實驗課上的表現和實驗報告來評定成績，但實驗報告抄襲現象嚴重，同時由于學生人數較多，一則學生不能都有展示操作技能的機會，二則教師不可能對每一位學生在實驗中的表現都有較客觀的記錄和評價，導致成績偏高，普遍90 分以上，有的95 分甚至滿分，因此成績不夠科學。

可以讓學生提交結合模型講解的實驗視頻，優化該課程的成績評定。要求講解工藝流程以及設備的操作，比如，需要開關某一個閥門時讓學生在模型中翻轉到相應的位置；梳理管線時讓學生結合模型對應的位置和管線的走向進行講解，提高對實驗的認識和學生的語言表達能力[10]。視頻可以由多人打分進行評定，這樣的過程會促進學生學習，成績更能體現學生對知識的掌握情況。

5 總結與展望

利用 ContextCapture 軟件對實驗裝置進行實景建模，可以幫助學生對實驗進行預習和復習、激發學習興趣、改善化工仿真界面；通過拖動鼠標對模型多角度查看，更加方便了對實驗裝置結構組成和工藝流程的熟悉，更加細致地了解各個閥門的位置和作用，給實際操作提供了很多幫助。隨著建模軟件和計算機技術的發展以及人們對實景建模的熟知，實景建模將在化工教育方面有更廣的應用前景。