一种基于三维激光扫描技术的快速建模方法

南竣祥，梁 爽，李海泉，周 磊，周曦冰，党军勇

(国家测绘地理信息局第二地形测量队,陕西 西安 710054)

一种基于三维激光扫描技术的快速建模方法

南竣祥，梁 爽，李海泉，周 磊，周曦冰，党军勇

(国家测绘地理信息局第二地形测量队,陕西 西安 710054)

针对传统文物三维模型建模方法存在建模时间长、工作量大、经费花费多等问题，提出了利用Z+F 5010C三维激光扫描仪采集点云及全景照片，通过彩色点云直接拟合生成模型的方法。试验结果表明，该方法制作模型能够体现纹理细节，其质量与扫描仪距扫描主题距离成反比，且与全景照片质量息息相关。本文提出了在保证点云密度的前提下，通过提高全景照片的方式来提高建模质量的思路，为以后研究提出方向性参考。

三维激光扫描；彩色点云；全景照片；模型拟合；三维模型

三维激光扫描技术(3D laser scanning technology)是采用非接触式高速激光测量方式，快速地获取测量对象表面几何特征的重要技术手段[1]。三维激光扫描技术目前已经在文物保护、国土测绘、建筑BIM模型等许多方面取代了传统测绘[2]，其数据的全面性精细程度，为许多行业领域研究的发展提供了新的思路和方法。随着三维激光扫描技术在文物保护领域应用的不断深入与推广，其已经成为考古现场科学记录[3]、文物保护与修复、文物真三维数字档案建设、真三维文物展示的常规技术手段。在真三维模型制作方面，目前多采用利用点云数据拟合生成文物本体多边形模型，再利用外业所采集的照片在3ds Max中进行贴图方式实现[4]，这种方法工作量大，成本高，不适合大量快速建模的需要，尤其是对于特别复杂表面的文物模型建模，该方法更不适用。因此，有必要研究一种在能够满足研究需要的情况下，节约时间、成本的快速建模方法。

本文主要采用Z+F 5010C三维激光扫描仪采集某文物遗迹表面点云数据，利用其自带的I-CAM工业相机采集遗迹表面纹理信息，通过内业处理得到遗迹彩色点云数据，研究其在不同分辨率、不同距离等条件下对生成的多边形模型的影响，并通过与传统照片贴图模型进行对比分析，得出该建模方法在文物真三维模型制作方面的优势及特点。

1 Z+F三维激光扫描仪简介

Z+F IMAGER 5010C三维激光扫描仪为相位式激光扫描仪，10 m处误差为0.3 mm(白色80%反射率)，全方位场角360°×320°，有效范围约180.3 m，扫描时有4种数据质量等级和7种分辨率可以设置，在较远的距离下也能保持相当高的点密度。

IMAGER 5010C将I-CAM相机集成于设备内部，适用于所有的环境，在各种光线下都能拍出高质量的照片,生成真实的全景影像，经过Z+F的后处理软件Z+F LaserControl可以将全景影像的R/G/B信息按照实际位置映射到原始黑白点云数据，生成真彩色点云数据，更加直观全面地反映扫描物件的详细信息。

2 总体技术路线

本次采用扫描仪在不同距离上获取遗址表面三维点云数据，再利用Z+F LaserControl软件进行点云数据处理，制作完成不同距离之上的彩色点云数据，再通过Geomagic Wrap 2013(64 bit)(注：软件版本可能影响试验结果)逆向工程建模软件建模，构建完成Obj彩色网格模型，利用3ds Max对网格模型进行纹理贴图得到遗址真三维模型[5-7]，通过对比两种模型结果，得出结论。总体技术路线如图1所示。

图1 技术流程

3 试验方法及结果

由于本次试验是为了验证利用彩色点云拟合而成的网格模型与3ds Max精细三维模型之间的差别，而扫描仪自带相机像素是一定的，因此，随着扫描距离的增加彩色点云数据质量将会降低[8]，距离太远对研究结果意义不大，因此，扫描测站均设置在10 m之内：

(1) 表面纹理数据采集：纹理信息数据采集使用Canon EOS 7D单反相机，采集照片达千万像素。

(2) 三维激光扫描数据获取：分别在扫描主体10、8、5、3 m的位置上架设测站，采用高质量中等分辨率(10 m处点云分辨率可达1 mm)对同一扫描主体进行数据采集，采集扫描测站全景照片，利用全景照片及点云数据完成彩色点云制作。

(3) OBJ彩色网格模型建模：利用Geomagic Wrap 2013(64 bit)软件中拟合，构建完成单站OBJ三维格网模型，再通过其他测站布设，补充扫描获取遗址完整的三维数据，经数据拼接、除噪[9]、输出，拟合完成遗迹整体三维网格模型，如图2所示。

(4) 真三维模型建模：在OBJ网格模型的基础上，对采集的纹理信息进行处理，利用UVLayout v2 Pro配合3ds Max软件实现传统三维模型的制作，如图3所示。

图2 彩色网格模型

图3 三维贴图模型

通过对比，宏观上两类模型效果差异不大，彩色网格模型由于扫描仪对全景照片自动处理显得更光亮一些，其整体色调一致，彩色信息与实地相符。三维贴图模型是通过实地照片贴图而成，更加美观真实，但局部由于照片拉伸，细节纹理位置会产生偏移。

为了突出成果的直观性，选取“DW-G1东壁”和“⑤C”两个标识，标识尺寸分别为20 cm×15 cm、15 cm×8 cm，对采集的全景照片、彩色点云数据、单站拟合结果、遗迹整体点云拼接拟合结果及利用真三维模型结果见表1。

根据表1、表2可以看出：

(1) 距离3～10 m，扫描仪自带相机生成的全景照片均能够完全识别标识上的字迹，但随着距离的增加，标识上面的文字线条逐渐加粗，由于扫描站点环境的不同，全景照片的色调发生了变化。

(2) 彩色点云数据的彩色信息与全景照片完全相同，即彩色点云的色彩完全取决于全景照片。

(3) 单站点云生成的彩色网格模型，标识上面的字迹均完全可以分辨，但数据拼接之后彩色网格模型只能分辨外轮廓，表1中标识内部“DW-G1东壁”中英文字母已不能辨别，汉字已模糊难辨，而表2标识内部“⑤C”字迹已完全无法辨别。

表1 DW-G1东壁试验详细情况

试验结果表明：

(1) 单站彩色点云数据、全景照片质量、拟合形成的模型效果基本相同。结果表明：在点云分辨率1 mm之内时，能够通过点云数据操作直接实现模型制作，其拟合结果与全景照片息息相关，由于扫描仪自带的全景照片像素有限(大约4千万)，距离越近，效果越好，可以通过减小距离或提高全景照片分辨率的方式提高模型质量[10]。

(2) 多站点拼接之后拟合形成的模型，其标识大小还能够分辨，但内部字迹变得模糊，“DW-G1东壁”与“⑤C”中“东壁”二字还能判别，其他数字英文无法辨别，结果证明线条越细通过该方法建模就更容易丢失细节。究其原因：由于遗迹是个几何体，需要多站点扫描才能获取全部的遗迹信息，而不同测站的点云数据拼接之后存在误差[11]，且不同站点的全景照片也存在色调差异，这些误差和色调差异使得在后续拟合过程中纹理细节丢失。

4 结 语

随着三维激光扫描技术的快速发展，产生了大量文物数字化成果便于永久保存及展示，而在复杂文物模型建模方面，传统工艺需要花费大量的时间及金钱，使得大量、大范围的文物数据化工作无法开展。本次试验探索了利用扫描仪外业采集数据，直接通过数据处理获取三维模型，节省了大量人力及时间成本。

与传统三维贴图模型效果对比，其成果还存在很大差距，但通过试验发现，对于表面纹理不精细、细节不突出的遗址，其真三维模型可以通过该方法实现。但对于对细节要求较高的遗址，可通过提高影像质量、点云数据拼接质量来提高建模效果，需要在以后的工作中继续研究与探索。

[1] 崔磊, 张凤录, 钱林. 三维激光扫描支持下的复杂异型建筑物测量[J]. 测绘通报, 2017(1): 112-114.

[2] 宗文鹏, 李广云, 王力. 低成本三维激光扫描仪的设计与实现[J]. 测绘通报, 2016(11): 31-34.

[3] 赵昆，马生涛．用数字传承文明——激光三维数字建模技术在秦俑遗址保护管理中的应用[J]．四川文物，2007(1)：91-93．

[4] 乔杰，郭隽菡，兰天亮．利用照片建模技术重建文物的三维数据模型[J]．文物保护与考古科学，2011，22(1)：68-71．

[5] 王婷．文物真三维数字建模技术在秦始皇兵马俑博物馆中的应用——以一号坑陶俑为例[J]．文物保护与考古科学，2012，24(4)：103-107．

[6] HORN F．缺失彩绘的虚拟三维重建——秦俑彩绘[J]．文博，2009(6)：26-35．

[7] 霍笑游，孟中元，杨琦．虚拟现实——秦兵马俑遗址与文物的数字化保护与展示[J]．东南文化，2009(4)：98-102．

[8] 徐寿志, 程鹏飞, 张玉, 等. 地面三维激光扫描仪的检校与测量精度评定[J]. 测绘通报, 2016(2): 79-83.

[9] 李明磊, 李广云, 宗文鹏. 激光扫描点云准确快速去噪方法[J]. 测绘通报, 2015(12): 27-29.

[10] 吕楠, 苟永刚, 龙川, 等. 多相机图像拼接匀色算法[J]. 测绘通报, 2016(7): 44-47.

[11] 徐辛超, 徐爱功, 于丹. 地面三维激光扫描点云拼接影响因素分析[J]. 测绘通报, 2017(2): 14-18.

AFastModellingMethodBasedon3DLaserScanningTechnology

NAN Junxiang,LIANG Shuang,LI Haiquan,ZHOU Lei,ZHOU Xibing,DANG Junyong
(The Second Topographic Surveying Brigade of National Administration of Surveying, mapping and Geoinformation，Xi’an 710054，China)

According to the fact that traditional cultural relics 3D modeling method causes many problems, such as， long time, big workload and large expenditure. This paper puts forward to use Z+F 5010C 3D laser scanner patch cloud and panoramic photos, through the color point cloud to accrete directly into a method of the model. The experimental results show that the method making model can reflect the texture details, its quality and scanner is inversely proportional to the distance from scanning the theme, and is closely related to panoramic picture quality. Is presented under the premise of guarantee the point cloud density, by raising the panoramic photos of ways to improve the quality of modeling idea, put forward the direction for further research references.

3D laser scanning; color point cloud; distant view photograph; model fitting;3D model

南竣祥，梁爽，李海泉,等.一种基于三维激光扫描技术的快速建模方法[J].测绘通报，2017(10)：137-139.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0332.

2017-03-23;

2017-05-08

石窟寺文物本体测绘技术与方法研究(陕测科-04)

南竣祥(1985—)，男，硕士，主要研究方向为三维激光扫描技术应用。E-mail:16819371@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)10-0137-03