地区级实景三维模型色彩均衡方法实验

李伟，张红月*，孙衍建，龙飞

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东 济宁 272100；2.山东省大数据产业创新中心，山东 济宁 272100；3.高分辨率对地观测系统济宁数据与应用中心，山东 济宁 272100)

0 引言

2019年开启的“十四五”基础测绘规划编制工作推动了“实景三维中国建设”形成大项目、大工程[1]；作为“十四五”时期基础测绘转型升级发展的重要任务，开展“实景三维中国建设”对推进自然资源精细化、智能化管理具有重要意义[2]，由此各地相继启动“实景三维中国建设”项目。2019年4月，重庆市实现了全国首个省域级实景三维模型全覆盖；2019年11月，深圳市实现了全市2100km2实景三维模型全覆盖；2021年3月，青岛市完成了全市实景三维模型制作招标工作，招标金额1.79亿，高质量、地区级的实景三维模型制作势必成为一种常态[3]。影响实景三维模型成果质量因素有很多，数学精度、模型结构、模型纹理色彩等，其中又以模型纹理权重最大[4]。高质量的模型成果一般要求纹理色彩饱满、层次分明、反差适中。然而，由于采集设备、天气情况、地形地貌及航摄状态等诸多要素的影响，原始影像易出现灰蒙、色彩不均匀、饱和度差等问题[5]，进而影响模型纹理成果质量，因此模型的色彩均衡是模型生产中必不可少的一环。

2005年，王新玉、李衡等提出SPOT5正射影像图(DOM)的制作流程及其质量控制[6]；2013年，郑兴丽、孙运豪等提出基于Photoshop对数字正射影像匀光匀色技巧[7],2019年，练栩，谭明等提出DPGrid-Ortho匀光匀色技术及其在航空正射影像生产中的应用[8]。与正射影像图色彩均衡相比，实景三维模型色彩均衡的生产理论、方法仍有不足。模型色彩均衡常规生产仍沿用正射影像图色彩均衡的方法——原始影像预处理。2018年，凌毅力提出倾斜摄影影像采集与预处理方案的优化研究[9]，2020年，王云川、段平等提出匀化处理的无人机影像实景三维模型增强方法[10]。但实景三维模型影像采集方向多，航线重叠率大[11]，原始影像的数据量远多于同一规格的正射影像图原始数据量[12]，因此基于原始影像预处理实现模型色彩均衡的方法在地区级实景三维模型项目中局限性较大。

本文以济宁市主城区实景三维建模项目为例，提出两种利用实景三维模型纹理贴图进行色彩均衡的方法，以达到增强模型成果目视效果，提高模型色彩均衡效率的目的。

1 实验基本情况

2019年9月，济宁市启动主城区实景三维模型建设。项目以济宁市建成区为主，总面积约410km2，模型地面分辨率2cm，生产工期4个月；项目原始影像数量约2100万张(84TB)，影像间隔为2019年10月—2019年12月，采集设备3型6套，原始影像存在明暗程度不同、色彩饱和不一的情况；项目建设工程89个，投入计算机结点60个，获得实景三维模型成果3.9TB，瓦片数量42000个，数据成果格式OSGB，项目工程存有缓存备份。根据以上相关数据，制作原始影像预处理的生产周期如表1所示。

表1 项目原始影像预处理的生产周期表

由表1可见，项目中原始影像预处理的生产周期较长，项目不适合采用原始影像预处理的方法进行模型色彩均衡。

2 理论分析

实景三维模型是基于倾斜摄影技术获取多角度的地物纹理，通过计算机视觉技术自动提取影像同名点，并经过点位匹配、三角网构建及纹理映射获得的高精细三维模型[13]。目视上实景三维模型是“一张皮”，但本质上实景三维模型是一个个密集三角网和纹理贴图的集合(图1)[14]。目前常用的匀色软件无法直接对实景三维模型进行色彩均衡，但若能将实景三维模型成果进行逆向分解，从“一张皮”的模型上获得全部独立的纹理贴图，便可通过常用软件进行纹理匀色，进而实现模型的色彩均衡。

a—三角网样图；b—纹理贴图样图

3 技术路线设计

笔者通过对实景三维模型数据结构的理论分析，以模型纹理贴图为基础，设计了基于模型数据结构转换和模型工程缓存编辑的两种技术方法，用以实现模型整体色彩均衡。

(1)基于模型数据结构转换的色彩均衡

目前行业内实景三维模型使用最广泛的数据格式为OSGB格式，该数据格式是带有嵌入式链接纹理数据的二进制存贮格式[15]；另一种常用格式为OBJ格式，该数据格式是程序编译后的二进制文件，以纯文本的形式存储模型顶点、法线、纹理坐标、材质使用等信息，其显著特点是支持法线和贴图坐标，适合用于3D软件模型之间的互导[16]。基于上述考虑，将OSGB格式的模型成果转换为OBJ格式，实现OSGB格式数据的纹理贴图解压，提取独立的模型纹理数据，并进行匀色，实现模型成果的色彩均衡。

(2)基于模型工程缓存编辑的色彩均衡

目前实景三维建模制作应用最多的软件是Bentley公司的Context Capture，该软件具有品质稳健、高性能、可扩展、兼容性、可移植性强等特点[17]。软件基于图形运算单元(GPU)进行三维场景运算，能从简单连续影像中运算生成超高密度点云，并在真实影像纹理的基础上生成高分辨率的三维模型[18]。Context Capture模型重建文件(Reconstruction)路径下有独立存在的纹理贴图数据，对缓存中的独立贴图进行色彩均衡后，再进行模型重建，可实现模型色彩均衡。

4 实验测试

根据提出的两种方法进行实验测试，并设计具体测试环节(表2)。

表2 方案一、二技术流程表

4.1 实验数据及软件

本次实验投入以下生产资料，详见表3。

表3 实验投入的生产资料统计表

4.2 样片选取

样片选取的好坏直接影响到最终匀色成果质量，是色彩均衡中的关键环节。样片中选取的地形、地貌要素全面，并根据测区内要素的比重按照一定比例进行选取。样片选取的地物图片色彩饱满、纹理清晰，如存在色彩质量不佳的地物，需要对地物进行色彩调整。色彩调整前需要对显示器进行校准，未经校准的显示器会导致样片色彩选取出现误差。样片色彩调整采用Photoshop软件，调整方式采用曲线调整，尽量不采用亮度、对比度等工具。样片选取后需要进行效果测试，测试区域应保证一定数量且分布均匀。

4.3 模型格式转换

基于模型格式转换获取独立的模型纹理数据，并进行匀色。模型格式转换软件采用DP-Modeler。它具有反映建筑物真实情况、模型纹理自动映射、支持大影像调度等特点[19]，并支持OSGB与OBJ模型格式批量相互转换，相比于其他模型格式转换软件，数据转换成功率高，速度快。模型结构转换完成后进行模型瓦块检查，避免出现瓦片丢失的情况。

4.4 纹理图片复制提取与恢复

现行相关规范对纹理色彩尚无硬性规定，所以它具有很强的主观性，部分瓦片纹理多次色彩均衡是必然过程，因此需要对模型纹理图片进行复制提取及恢复。图片复制提取与恢复采用计算机编程自动执行。

4.5 模型纹理匀色

模型纹理匀色采用EPT软件，EPT是航天远景生产的一款专业图片匀色、匀光软件，软件自带多种匀色、匀光方法[20]。实验中采用的Wallis整体匀光方法进行纹理批量处理，匀色底片采用确认合格的匀色样片。

4.6 模型重建

对纹理匀色后的工程进行重新建模，模型重建后需对模型的瓦片数量及质量进行检查。

5 实验结果

分别对实验后的模型质量及模型色彩均衡效率进行统计对比。

(1)模型质量统计对比

目视条件下与基于原始影像预处理的模型对比，实验后的模型纹理质量未见明显差异见图2。

a—原始影像预处理色彩均衡模型；b—方案一色彩均衡后模型;c—原始影像预处理色彩均衡模型；d—方案二色彩均衡后模型

(2)模型色彩均衡效率统计对比

对实验中各环节的测试情况进行统计并制表(表4)。

表4 方案一、方案二模型各环节测试情况统计表

由表4对实验方法的效率进行对比：①原始影像预处理周期1215个工作日，方案一周期277个工作日，效率提高了4.3倍；②原始影像预处理周期1215个工作日，方案二周期133个工作日，效率提高了9.1倍；③方案二相较于方案一效率提高了2.1倍，且对软件及人工操作需求较少，但需要完整的工程缓存。

6 结论

本文提出了通过对模型纹理贴图匀色实现模型色彩均衡的方法，并通过济宁市城区建模项目进行了实验论证。实验结果表明：基于模型纹理贴图匀色实现模型色彩均衡的方法能够有效解决模型纹理不清晰、模型整体色彩不协调的问题，提高了模型质量，同时与目前主流的基于原始影像预处理实现模型色彩均衡的方法相比，本文提出的两种模型纹理匀色方法分别将模型色彩均衡的生产效率提高了4.3倍和9.1倍，大幅缩短了模型色彩均衡的生产周期。实验方法的论证成功为地区级实景三维模型制作提供了新的色彩均衡解决思路，对于“实景三维山东建设”“实景三维中国建设”的推进具有一定的意义。

目前，基于模型纹理贴图匀色的方法仍存在急需解决的问题，如操作流程不自动。所以将整个操作过程数字化、自动化，实现与模型生产软件自动对接、集成，是今后改进的方向。