浅谈三维建模技术的研究现状

2020-01-05吴晓红

科学技术创新 2020年23期

吴晓红

（唐山学院土木工程学院，河北唐山063000）

物体三维重建是计算机与几何设计、计算机动画以及计算机图形学等领域的核心技术，它一直是一项热门的研究方向。

1 研究目的

三维建模是研究如何利用物体的二维数据最终生成三维的物体，是指在计算机可以表示，处理等其他操作的前提下，对三维建筑物建立数学模型，用来建立和表达真实世界的虚拟现实。一种是通过人机交互，使用建模软件来生成的可控的三维模型，另一种是通过一些先进的测量手段，获取到物体表面的点云数据或影像数据并进行预处理、拼接等过程得到物体真实的三维形状。现如今，现代化生产的发展十分迅速，且需求也越来越广泛。以前三维建模多用于视觉检测等方面，现如今多应用在虚拟现实、网络游戏、艺术和电影等领域。近年来此项技术又扩展到了建筑和历史文物遗产保护、零件制造、生物医学工程等相关领域，有效的记录了一些古代文化遗产，为日后的分析和重现，包括网络博物馆的实现等提供了可能。而且三维建模能够缩减投入费用和周期，为数字城市的推进和建设等方方面面创造了非常大的经济效益，并且随着大数据等各项技术的发展，三维建模将在规划设计和智慧城市等领域发挥着举足轻重的作用，有很高的研究和利用价值。

三维建模的发展已经渗透到各个学科中，在数字校园中的应用已经成为一种普遍的现象。作为数字城市的组成部分，其系统设计有数据采集、处理、编程实现几个过程[5]。同样的方法，我们可以实现数字社区甚至数字城市，现以北建大校园为例，利用City Engine 与Arc GIS、Auto CAD 结合，最终实现建筑物的三维建模。所用到的City Engine 软件与SketchUp 或者3ds MAX 等三维建模软件不同，它是利用其特有的规则，赋予在相应的矢量二维平面数据上，从而实现迅速建模，也可以同时进行多个建筑物的建模。除此之外，利用CityEngine 建立的三维模型能够完美的与GIS 软件相结合，所建立的模型可以进行空间位置的查询，含有属性信息，很大程度上缩短了三维建模的时间，减少了资金的投入[6]。大量的高校现已经跟随着信息化发展的进程，逐一展开数字校园和智慧校园系统建设。但其中的校园地图多数是二维的，虽然能够展示出建筑的相对地理位置，但是在体验观赏方面有所欠缺，不能够让大家更真实的、直观的对学校进行了解和浏览。所以本文将利用city engine 三维建模系统，以CAD 矢量数据地形图以及卫星影像为数据源，将CAD 线性数据转化为GIS 数据，结合卫星影像进行修改，并添加其属性数据。用其特有的CGA（computer generated architecture，计算机生成的建筑模型）规则[2]实现对北京建筑大学大兴校区的区域性快速三维模型重建。从而实现数字校园、智慧校园，更好的为大家服务。

2 研究现状

随着数字城市的快速发展，以及先进的自动化的仪器的生产与研发，计算机辅助下的物体三维重建技术已经从一开始的全手工建模转换为现在的人机互动式半自动化的三维建模。相对应着三维建模的需求也进一步的加大。很多的科研机构都展开了对三维建模技术的研究和开发。美国的Skyline、ESRI 软件公司推出了各自的三维建模软件。

目前三维建模获取数据的方法大致分为两种：接触式方法和非接触式方法。 CMMS、Robotics Arms 等为目前接触式的方法。而非接触式的方法是利用现在的先进仪器设备，如三维激光扫描仪、无人机、LiDAR 等通过光、磁场等媒介获取目标物体相关数据，分为主动和被动两种方式。像三维激光扫描仪一样直接利用光学原理，对被测对象进行光学扫描，利用相关软件分析扫描到的点云数据实现三维重建，就是基于主动视觉的三维重建技术实现的。虽然可以得到大量的物体表面信息，但是其成本较高，且受环境场景约束，后期的处理也较为复杂。而基于被动视觉的三维重建技术，例如近景摄影测量等，通过分析图像序列信息，进行逆向工程得到目标物体的三维模型。它的优点是对光照要求不高且操作简单、成本较低，但在物体细节和特征方面不如主动视觉的三维重建精确。综合接触式和非接触式两种方法，虽然非接触式应用范围很广泛，但是在精度方面没有接触式方法高。

闫阳阳等（2016）将三维激光点云数据以及无人机正射影像数据进行融合，分别获取地面和建筑物顶部的空间三维信息,用3ds Max 软件对建筑物进行三维重建，实现了小范围的场景建设。朱剑伟(2018)利用无人机使其对建模对象进行外部的拍摄，包括屋顶以及墙体。再利用三维激光扫描仪等对无人机无法拍摄到的地方进行局部的扫描，从而获得密集点云。最后利用无人机影像生成的密集点云与扫描仪生成的点云进行配准，用3dsMax 对建筑物进行三维建模，实现了建模的精细化。贾雪等(2019) 用三维激光扫描仪对建筑物进行点云的获取，并用HD＿3LS＿SCENE 软件对点云数据进行处理，获得优质的点云数据。然后将这些点云数据导入3dsMax 软件中进行分块儿建模，最后进行统一的组装，得到一个完整的、高精度的、具有较高真实性的建筑物三维模型。

虽然三维建模技术现在已经取得了很大的进展，自动化程度有了很大的提升，但是放眼总体，目前三维建模依然是传统的手工建模方式居多，通过一些建模软件手工建立三维模型，虽然其建模精度高，但是效率较低，且花费时间周期长。2010 年6 月，CityEngine2010 的出现使得城市三维快速建模成为了可能，1 绪论它不再是手工建模，而是基于规则的自动化建模。虽然其具有快速建模的优势，但是也存在着不好上手以及需要大量的细致的一系列属性信息才能得以物体的三维建模，同时，对于一些较为复杂的建筑，对CityEngine 来讲建模起来过程更加的复杂，这时就需要用到像3dsMAX、SketchUp 之类的精细化建模软件，多种软件相结合的方式实现最终的区域性的建模。