照片建模技术研究及其运用

摘  要：照片建模技术，是指通过相机等设备对物体进行采集照片，经计算机进行图形图像处理以及三维计算，从而全自动生成被拍摄物体的三维模型的技术，属于三维重建技术范畴。针对传统建模方法对建模初学者存在一定难度，本文将介绍照片建模技术的优点和技术原理，并分别以Agisoft Metashape、Trnio两个软件设计具体案例介绍其工作流程。

关键词：照片建模;Agisoft Metashape;Trnio                              中图分类号：TP391.41                  文献标识码：A

文章编号：1671-0134（2020）01-123-03                                    DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.01.036

本文著录格式：廖无双.照片建模技术研究及其运用——以Agisoft Metashape和Trnio为例[J].中国传媒科技，2020，01（01）：123-125.

1.几种建模方法分析

1.1传统建模方法的局限

传统建模方法是指模型师通过平面图作为参考，利用三维模型制作软件（如3DMAX、MAYA等），从基础的三维几何体开始，不断调整和优化，最终创建出目标三维模型。这种方式存在许多局限： 首先，对建模人员的要求较高，复杂模型类型需模型师达到高专业水平;其次，时间成本高，建模人员需要先读图，了解目标物体的大体及细节结构后再根据图纸创建三维几何形状直至完成建模。

1.2三维激光扫描技术的缺点

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它存在几个问题：一是对被扫描物体的空间尺寸有一定限制，虽然能对大型物体进行扫描，但工作难度太大;二是激光扫描设备价格与其扫描质量成正比，对于一些简单物体进行三维重建，投入成本太高。

1.3照片建模的优势

照片建模的主要目的是由二维图像恢复物体的三维几何结构，目前主要应用于3D打印、广告制作、虚拟现实、影视制作等领域，市场上的照片建模软件众多。与传统建模方法相比，这种方法操作简单，时间及人工成本低廉，对硬件的要求较低，基本不受空间限制，应用前景十分广泛。

2.照片建模软件流程简介及实际应用案例

通过多视角、多层次的拍摄获取一组重复率高的目标照片，通过提取各照片的特征点，依据这些特征点算出照片的三维位置，得到稀疏点云，进而经过密集匹配获得物体表面密集点的三维坐标，得到的密集点云包含大量场景信息，往往需要对点云进行处理，剔除多余信息，处理完点云之后，下一步是进行网格化，目前都是基于三角面结构的网格结构，最后是纹理优化。工作流程如图1所示：

2.1 Agisoft Metashape

俄罗斯Agisoft Metashape是一款独立的软件产品，单机运行，程序稳定，数字地形绘制、三维重建等功能应有尽有，已经成功用于影视、地形测绘、3D打印等诸多领域。而且界面友好，可扩展性强， 可与其他图形图像软件互联互通，配合使用，综合性能一流。

2.1.1获取素材

拍摄时避免虚焦、反光、曝光过度或曝光不足等问题，将ISO尽量设置为最低值，避免高ISO值对图像产生额外的噪点，拍摄背景保持简洁，拍摄时保持每两张相邻照片之间的重复区域在50%-60%，另外，为避免模型表面形成空洞，可对细节部分进行捕捉。本次测试场景选在室内，光照均匀，拍摄相机设备选择Canon EOS，拍摄对象为毛绒玩具，相机设置如下：光圈：f/11，快门速度：1/5，感光度：400。对其360度环绕、垂直方向2个机位拍摄共计45张照片。

2.1.2处理数据

导入照片：在Agisoft Metashape中导入图片后，为了确保三维重建的质量，首先应在照片窗口全选素材-右键菜单-评估照片质量，在保证重叠度的前提下将照片质量小于0.8的照片删除。

对齐照片：在菜单栏Workflow选项中选择Align Photos即可进行对齐图片，在这里可以对精度等参数进行选择，精度越高对计算机的性能要求越高，一般选High。这个过程根据重建对象的复杂程度大概耗时几分钟到几小时不等，此次目标对象较简单，耗时仅8分钟，得到的稀疏点云模型生成9413个空间像素点，这时我们可以看到模型的大体样貌。

建立密集点云：在菜单栏Workflow选项中选择Build Dense Cloud，此步骤也要选择精度，在此例中依旧选择High，下面的Depth filtering（深度滤波）选项可以选Mild或Aggressive，Mild对噪声处理效果有限，但是对模型细节的破坏少，Aggressive降噪的效果好，但是對模型产生细节破坏，本例中选择Aggressive。此步骤耗时约25分钟，最后生成505万个空间像素点，得到的密集点云已经很清楚地还原了模型的大致样貌，多余的场景部分可以用点云编辑工具直接去掉，非常方便。

生成网格：执行Workflow-Build Mesh，耗时20分钟，生成101万个三角面。以上各步骤得到的结果如图2所示：

建立纹理：同样点击菜单栏Workflow，选择Build Texture，保留默认选择即可，耗时约5分钟，得到的模型结果从各个角度展示如图3所示。

最后得到的模型还原效果基本满意，虽然还有一些需要改进的地方，但相比传统的建模方法，其最大的优点便是节约了时间成本，该软件还可以一次批量处理多个模型重建，互不影响。

为了验证建模对象材质对建模结果有一定影响，本次研究进行了第二组测试。第二组测试拍摄对象为雕塑，从各个角度共拍摄了30张照片。各流程截图及结果如图4所示：

可见，在照片建模过程中，表面平滑坚硬的材质更容易进行重建，纹理细节还原度越高。经过查阅相关资料和其他数次试验数据影响建模结果的因素还有很多，如图像质量、光照等，这里不再进行赘述。

2.2 Trnio

Trnio是一款交互型手机APP，目前仅支持iPhone，它的工作流程和Metashape基本一致，但它采用云处理，用户只要将照片上传至云端，即可全自动生成三维模型。Trnio采用三种扫描方式，一种是用手机相机拍摄，拍摄时启动一种突发模式，360度跟踪物体周围的路径，会自动最多拍摄70张照片。第二种模式是ARKit模式，它使用Apple的ARKit技术来指导用户扫描，这是最快最简单的扫描模式。第三种模式是直接从iPhone的相机胶卷中加载（最多80张）照片。在捕获照片之后，照片将上传到云端并进行处理，处理时间大概十几分钟到几十分钟不等。处理完成后可以进行低分辨率预览。此外，该应用程序具有裁剪功能，通过从模型的顶部和侧面视图进行选择，可以选择要保留的部分。

本次测试场景选在室内，光照强，拍摄设备为iPhone 6S Plus，拍摄对象为颜色鲜艳的毛绒玩具，采用第一种扫描方式共获取51张有效照片。实验结果如图5所示。

由于Trnio上的所有内容都在云中，它本身也是一个类似于Instagram的社交网络APP，可直接从应用程序共享3D扫描，在线导出3D模型到展示网站Sketchfab，在浏览器中访问Sketchfab后，可导出OBJ文件以便后期制作。

结语

无论是利用智能手机或者数码相机获取的素材都可在照片建模软件中进行三维重建，建模精度基本满足需求。相比于传统的建模方式，可节约大量的时间人力成本，在经过重拓扑和UV布局等操作之后的模型完全可以运用到影视制作中。随着计算机技术的不断发展和照片建模软件不断地完善，利用照片建模三维重建的质量将继续提升，发挥更强大的作用。

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作者简介：廖无双，女，汉族，湖南长沙，北京电影学院中国电影高新技术研究院2017级硕士研究生，研究方向：数字电影技术。