复杂三维建筑模型建模及虚拟显示

赵竞雄　朱文增

[摘要]详细介绍如果对一个现有建筑模型进行快速建模并进行虚拟显示的处理过程。首先使用徕卡三维激光扫描测量系统实现对现有建筑模型的测量，然后使用徕卡Cyclone软件实现点云数据的导出处理，接下来使用CAD或Imageware软件对点云数据进行简化处理得到相应的模型，最后将模型导入到虚拟现实系统中实现对模型的虚拟显示。最后给出虚拟显示的例子，并进行简单分析。

[关键词]三维扫描技术 点云数据 建模 虚拟现实

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0310011－01

一、引言

近年来，计算机图形学得到了迅速发展。随着计算机图形学的发展，一些先进技术相继出现或在原有基础上有了更大领域的延伸。虚拟现实、数字城市、数字博物馆、逆向工程等新技术相继出现并进入实用阶段。但这些技术都不可或缺的需要进行三维几何建模，而传统的AutoCAD、3DMax、MAYA等建模工具已经逐渐不能满足人们对复杂模型的建模需要，由此三维激光扫描技术应运而生。

不同于传统的建模手段，三维激光扫描仪采用非接触的测量方法，直接得到真实物体表面的采样点，即点云数据，利用点云数据即可以重构出任意复杂的实体模型。这种方法不受模型的复杂度影响，而且模型的重构精度取决于模型表面数据采样的密度，因此三维扫描及相关数据处理、建模技术近年来发展迅速。

随着计算机软件、硬件技术的不断进步，现代的虚拟现实系统的开发正朝向更高深的方向发展。虚拟现实技术已经在军事、医学、海洋探测、博物馆珍品展示、虚拟样机制造、建筑等领域得到了广泛的应用。

二、三维激光扫描技术

三维扫描技术能获得物体表面点的三维坐标信息，它属于一种立体测量技术。与传统测量技术如坐标测量机（CMM）相比，它能完成对复杂物体的测量，特点是非接触、精度高、速度快，能大幅节约时间和成本，并且其测量数据通用性比较强。这些优势使三维扫描技术在文物保护、虚拟现实、影视特技、工业生产、刑事侦查、三维传真和雕塑制作等领域得到了广泛的应用。

某些特殊场合，三维扫描仪还具有独特的、不可替代的作用。比如测量比较柔软的物体，用传统的接触测量方法，很可能在测量时使物体变形，从而使测量结果不精确；而许多非接触式的三维扫描仪以激光为测量媒质，不会引起物体表面的变形和损伤。

三、数据处理及建模

一般情况下使用三维扫描仪扫描的时候我们希望扫描精度越高越好，这样采样点更多更精确，可以更准确地捕捉被扫描对象的细节，但是在建模以及存储传输的时候点云规模越大建模时间越长，数据量越大，越不利于存储和传输，因此需要在不同的场合选用适当精度的数据，这就需要对扫描得到的原始数据进行一定程度的简化。

对点云数据的简化，虽然可以减少建立网格模型的计算量，但是为了保证重建后网格模型的精度对点云数据不宜进行过度简化。网格模型生成后，根据不同的需要还可以继续对网格模型进行简化。

对于得到的点云数据可以使用CAD或Imageware软件进行模型数据的处理，利用数据点可以缝合成面，再对面进行处理就可以得到整个实体模型。由于在三坐标扫描过程中没有记录颜色信息，所以如果需要对模型进行纹理或贴图处理可以在3DMAX或MAYA中进行模型的后续处理。

四、虚拟现实

采用基于Open Inventor实现的VRML虚拟技术，设计并实现了虚拟显示系统，取得了不错的效果。虚拟显示系统使用TGS的Open Inventor组件开发，开发环境为VC 6.0，可以实现模型的真实显示，并可以通过方向键进行漫游。图1为天津市金汤桥的一个虚拟显示。

五、结论

三维激光扫描技术为复杂对象的快速建模奠定了技术基础，通过数据处理使简化后的模型可以满足显示的要求，虚拟现实技术为复杂模型的展示提供了可能。因此使用本文介绍的方法可以快速的对现有的建筑进行虚拟模型展示，从而加快数字城市建设。

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