基于Cyclone的三维建模研究

2015-12-11姚顽强

测绘通报 2015年5期

樊琦，姚顽强，陈鹏，2

(1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西西安710054;2.大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北武汉430077)

一、引言

三维激光扫描技术的诞生和发展被称为“继GPS技术之后测绘领域的又一次技术革命”［1］。与传统的测绘技术不同，该技术获取的是物体表面的大量点云数据，因此运用点云数据进行三维建模成为了近年来研究的热点之一。

近年来很多学者都对三维建模的方法及软件进行了研究。王潇潇以凉亭为扫描对象，对扫描得到的数据进行模型重建，并利用半自动提取出的特征线与轮廓线，完成该建筑各图件的绘制，其试验结果表明，与传统测绘方法相比，地面三维激光扫描技术在测量的速度与精度方面有很大优势，在建筑物测绘领域有着广泛的应用前景［2］;刘丽惠等以大连英雄纪念碑“一滴血”为例，探讨其在雕塑重建工程中的应用，通过介绍三维激光扫描仪及数据获取方法，提出一个可行方案［3］;孙德鸿结合三维激光扫描系统在将军崖岩画的扫描实例，重点介绍三维激光扫描技术的数据采集、处理和建模的过程和方法［4］;王田磊等根据获取的建筑物点云数据，探讨了点云处理和建模实现的关键技术，并提出了一套行之有效的建筑物三维模型快速重建方法［5］;陆益红等利用三维激光扫描仪对徐州狮子山楚王陵墓道及周围建筑进行扫描，对激光点云进行三维重建，制作出完整模型及其线划图［6］。

但是以上文献中都只是将Cyclone作为一种点云数据预处理软件，在该软件中所做的工作仅仅是点云的拼接、去噪、点云统一等基本处理，建模的工作都是在其他建模软件(如Geomagic Studio、Polyworks等)中进行的。而实际上作为一款与徕卡三维扫描系统配套的专业数据处理平台［7］，Cyclone操作简便、功能强大，在建模方面也有着自己的优势。

本文以西安科技大学临潼校区的行政楼为例，获取该建筑的点云数据，通过使用Cyclone进行模型创建，针对该软件提出建模方法并证实该方法的可用性。

二、点云数据获取及预处理

采集数据对象为西安科技大学临潼校区的行政楼，所用仪器为Leica ScanStation C10，该扫描仪的具体参数见用户手册。根据实际情况，整个行政楼的数据采集共布设6个测站，布设图如图1所示，图中黑点表示测站的布设位置。

图1 测站的布设

在进行数据采集时，依据经验使用高分辨率、窗扫描方式预先扫描标靶，然后使用中等分辨率、全景扫描方式对其余场景进行扫描。这样既可以增加标靶表面的点云密度，提高点云配准的精度，又减少了一定的数据量，提高了工作效率。

扫描完成后，将点云数据导入Cyclone软件中，经过点云配准、点云统一、数据缩减、点云去噪等基本处理后，就可进行三维建模。在Cyclone软件中，点云配准在register模块中进行。可用unify clouds进行点云统一，同时可选择合适的采样距离，以缩减数据。点云噪声的去除需要手动操作，根据噪声点位置，调整好视角及limit box的大小后，选择噪声点的范围并删除噪声。经过以上基本处理后的行政楼如图2所示。

图2 经过基本处理的点云图

三、三维建模

一个模型可看作是多个简单的几何模型的“组合”，只要逐个完成所有“拆分”的简单几何模型的建模工作，那么整个实体模型就可成功重建。

1.规则几何模型的创建

与其他建模软件相比，Cyclone 软件的特点之一在于它拥有一个三维模型组件库。不过库里的组件都是规则的几何模型，分别为 patch、cylinder、sphere、corner、box、cone、elbow、reducing elbow、steel section、line segment、blind flange、concentric reducer、eccentric reducer、valve、tee、torus。

(1)墙体、长方体柱子和台阶的创建

墙体的创建有两种方式:一种是用多个patch来“组合”，然后用extend(延伸)和corner命令使墙角、墙角间没有缝隙;另一种就是直接做一个box模型，延伸模型使其紧贴点云，然后打散box即可。前者适合多种建筑的墙体，后者只适合规则的长方体建筑，该实例采用的是后者。

由于行政楼模型的墙体外形不是一个简单的长方体，因此需要多个打散的box来组合。需要注意的是，相邻两个box连接部位打散后是两个面，需要删掉从外边看不见的面。可使用slice切割多余的面，但要保证尽量减少碎面的产生。

长方体柱子和台阶都是用box创建的，根据点云先将其6个面延伸到合适的位置，再用copy at offset或copy at angle来做其他的同类型模型，最后将这些box打散，切割并删去多余的面即可。需要注意的是，在复制前一定要测量好距离或角度，复制成功后要与实际点云作比较，查看是否刚好使点云与模型重合。创建完成的墙体、部分长方体柱子和台阶如图3、图4所示。

图3 墙体模型

图4 部分长方体柱子和台阶模型

(2)围栏的创建

围栏模型是用cylinder创建的，在创建模型时最好选取一块质量最好的点云来拟合，然后根据点云将栏杆延伸至适当的位置。当一段围栏做好后，可使用copy at offset或copy at angle来做其他的栏杆模型，一定要注意旋转的角度和每段栏杆之间间距的测量，最好测量多次求均值。在复制完成后要根据实际点云调整模型创建不合理的地方，尤其是要注意检查栏杆的结合部位连接点是否吻合。

如果仔细观察的话，不难发现在每段围栏转折处会有一根栏杆是用一个平滑的曲面封闭的，而用cylinder创建的栏杆是一根两头没有封闭的圆柱体，因此需要在转折处的栏杆上“加盖”。方法是选中需要添加封闭曲面的栏杆，根据-end caps-add flat cap closest to pick即可完成。创建完成的部分围栏模型如图5所示。

(3)窗子的创建

窗子是在墙面上做出来的，因此必须保证在创建窗子之前，墙面是patch类型，或者是经explode命令处理过的box，否则会提示出错。

图5 部分围栏模型

首先建立参考面，建议将其建立在需要创建窗户的墙面上，并将观察视线设置为正射投影方式，这在一定程度上可提高模型的精度。

其次用draw rectangle命令画出窗户(本例中为长方形)，调整位置和尺寸后确认。为了使画出的线框在窗户“抠除”后能保存下来，应先用set from selection命令选中线框，选择窗户所在墙面后用subtract from patch命令即可完成窗户的“抠除”。

然后是窗体的填补，使用from curves-patch即可将线框用平面填充。建议使用align-coplanar命令以防止填补的面和墙面不在同一平面上。

最后，为了提高建模效率，建议根据已画出的线框使用copy at offset做出其他窗子的线框，根据实际调节大小，“抠除”和填充窗户后，将所有线框删掉。创建完成的窗户模型如图6所示。

图6 部分窗户模型

2.可挤压的不规则模型的创建

与其他建模软件相比，Cyclone软件还有一个特点是可以将平面挤压成体。这就使一些不能直接在组件库中建模的不规则物体在该软件中可实现建模。这类模型的特点是:至少有两个相互平行的、形状大小完全一致的平面P、P'，连接P、P'的面Q(至少一个)垂直于P，并且Q的两条边界线都在P与P'的边界线上。

与窗户的创建类似，可挤压的不规则模型的创建也要建立参考面，不过参考面建立在P和P'中点云较密集的一个上，在绘制P或P'边界时应根据其形状选取适当的画图工具，确认后将线框填充成面，选择另一个平面，使用extrude-extrude to last pick即可。创建完成的台阶模型如图7所示。

图7 台阶模型

3.不可挤压的不规则模型的创建

除了以上两种类型的模型外，其余的都是不可挤压的不规则模型。这种模型可分为两类:一类是可以用不同方法实现的面经过旋转、延伸、剪切等组合而成，如本文实例中的楼顶装饰，首先创建挤压形成的不规则模型，用copy at angle命令做出另一个同类模型，然后用explode命令将体打散成面，最后用slice命令修剪模型。楼顶装饰模型如图8所示。另一类是无法直接用Cyclone软件建模的，这类模型最好用 Geomagic Studio或其他软件建模。以Geomagic Studio为例，先将点云初步处理后按最近原则构成三角曲面，然后模拟一个多面体，经过修补、光滑等操作后，得到光顺的 NURBS曲面即可［8］。

图8 楼顶装饰模型

4.彩色纹理贴图

使用Cyclone软件可直接对点云进行彩色纹理贴图。向工程导入合适的照片后打开贴图管理器，根据点云添加照片，因为透视图找点模式比正视图找点模式精度高，所以选择透视图找点。然后在点云和照片上选出一一对应的点(至少7对)，经过计算，删除误差较大的点直到计算通过为止，保存后重启软件即可。

如果要对模型贴纹理，最好使用3ds Max和PhotoShop软件。本文即是用PhotoShop软件做图片处理，并将做好的图片作为材质，在3ds Max中将其贴在模型上。建议将图片的宽和高均设为2n(n为正整数)，格式为TIF。贴纹理完成的整体模型如图9所示。

图9 行政楼整体模型

5.三维模型和实际测量的比较分析

为了检验行政楼三维模型是否合格，本文选取了8条边，分别用两种方式测量边长:第1种是用钢尺(50 m)对每条边分别进行3次测量并求平均值;第2种是用Cyclone软件对模型进行二维线划图提取(俯视图)，导入AutoCAD中进行测量。计算对应边的两种方式测量结果的较差，绘制成表格如图10所示。

图10 测量结果较差

由图10可得，较差随边长的增大而增大，最小为5 mm，最大为22 mm，它们对应的边长(钢尺测距)分别是3.211 m和68.499 m。根据《城镇地籍调查规程》中对界址点精度的规定，一、二、三级相邻界址点之间的允许误差分别为10 cm、15 cm、20 cm。而本文中模型尺寸与实际测量结果较差都在3 cm以下，符合精度规定，因此可认为本文提出的建模方法是可行的，所建模型在一些工程中是可用的。