基于倾斜摄影的建模研究与应用

艾则尔江?吾麦尔 胡小强

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.031

收稿日期：2023-05-31

摘  要：采用无人机航拍的大场景建模可解决大场景中建模成本高、效率低等问题。文章以高校校园为试验区，通过倾斜航拍的方法获取校内大场景建筑及场地的图像，选取Context Capture处理航拍数据，分析建模中存在的问题。后续将会开展虚拟校园交互漫游，将校园标志性建筑模型打印出来，用以提高学生的课堂学习体验，实现多维利用的目的。

关键词：Context Capture；三维建模；场景应用

中图分类号：TP39  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）01-0146-05

Research and Application of Modeling Based on Oblique Photography

Aizeerjiang·Wumaier， HU Xiaoqiang

（Jiangxi Science and Technology Normal University， Nanchang  330038， China）

Abstract： The use of drone aerial photography for large-scale scene modeling can solve the problems of high modeling cost and low efficiency in large-scale scenes. This paper takes university campuses as experimental areas， obtains images of large-scale buildings and venues on campus through oblique aerial photography， selects Context Capture to process aerial data， and analyzes the problems in modeling. In the future， virtual campus interactive roaming will be carried out to print out iconic building models on campus， in order to improve students' classroom learning experience and achieve the goal of multi-dimensional utilization.

Keywords： Context Capture; 3D modeling; scenario application

0  引  言

随着航拍无人机的日益普及以及航拍软件智能化程度的提高，航拍建模技术逐渐深入到各种应用场景，传统的三维建模工作量大，属于劳动密集型效率低下的作业方式，在大面积场景中无法快速处理数据和有效开展大规模作业。传统的三维建模通常采用3DS Max Auto CAD等软件，存在周期长、成本高，与客观实物有所差距等问题。传统的平面二维校园无法展示出更多的立体细节，也无法满足现如今人们的视觉需求。倾斜航拍建模具有高效、精确、目标遮挡小等优点，已成为广受青睐的建模方式，相对于平面二维校园展示，三维校园建模可以多方位、多角度、直观逼真地展示校园风貌，宣传校园文化。通过三维交互用户可以实现更加自主的漫游，获得身临其境的感受，也可以较为直观地获取各个场地和建筑物的功用，而航拍建模以高精度、高清晰、大范围的模式全面感知复杂场景，这种主流的三维建模可以有效解决传统建模的痛点问题。

1  航拍建模的准备与流程

1.1  设备与准备工作

基于倾斜摄影的无人机有很多种选择，主要考虑的因素有无人机的成像质量、稳定性（防抖）、飞行续航时间等。本项目采用大疆DJI AIR 2S无人机，搭载2 000万像素1英寸COMS相机，需要选取适宜的天气和光照条件，同时还要储备足够的电量保证长时间的连续飞行。无人机所搭载相机的像素质量和建模质量呈正比，像素越高成像质量越好，所得到的模型效果图也更加精细。

1.2  飞行计划

选取某高校校园为作业区，作业区面积为1 700亩，计为1.13平方千米。将作业区域划分为多个区域，有利于更好地进行任务分工以及提高作业效率。笔者将作业区划分为四个部分，分别为A、B、C、D区域。作业区C、D区域分布着较为密集的学生寝室楼栋，基本为长方形建筑，B中心區域建筑有图书馆、体育馆等大型独栋建筑，外围遍布高层住宅楼群，A作业区湖泊占地面积大且周围护校河较长。

1.3  飞行流程

间隔时间越短（2～5秒为宜）模型精度越高。笔者设定2秒一张（最短连拍间隔）的连拍模式，因为Context Capture要求两张图片间隔之间的连接点位不小于9个，如果图片间隔过大，会被定义为无效数据，所以2秒连拍可以获得两张图片之间9个以上的连接点。如图1所示，绿色小圆点为倾斜航拍摄影点，提取空间三维数据，采用交叠环绕法进行密集连拍，保证连接点延续不断以此提高建模质量。在拍摄联排相同建筑时，两个不同的位置可能会拍到相似的照片，导致建模计算出错，而田字法拍摄可以有效解决这种问题。对于图书馆、大学生体育活动中心等独立大型建筑，可使用交叠环绕法进行拍摄，拍摄高度为20米，摄像头调整为30°～45°，以便获得更好的成图质量，提高三维建模的精度。拍摄建模方法如图2所示。

2  建模软件合成

2.1  建模软件对比

目前，Context Capture、PhotoScan、大疆智图是业界主流的倾斜摄影建模平台，三者各具特色，在建模速度、模型精度、工作量等方面对三款软件进行对比，如表1所示。实际应用中，可根据项目需求做出选择。ContextCapture是能够快速处理运算三维场景模型的软件，仅需前期的数据导入和运算设置便可通过有效的二维数据获得原始实景三维立体模型。无论视频还是照片，在Context Capture软件上，经过一系列的空三运算即可得到各种格式的三维模型、正射影像、数字地表模型。经综合考虑选择Context Capture作为校园实景三维模型建模平台。在模型创建过程中，由于受到航摄盲区、相片质量及POS参数准确度等因素的影响，会造成模型部分区域出现空洞、扭曲、映射错误、纹理丢失等现象。无人机经过多次飞行任务，共得到546张高清图片，其中75张显示为无效素材，自动选取471张有效素材进行数据导入并运行CC进行空中三角自动计算处理，笔者使用的Context Capture为2023年4月最新发布的23版本，该版本在重建效率和空三方面进行了升級，同时还新增了地面提取和特征提取功能，重建速度提升了25%，可以通过上传照片定位参数来矫正模型姿态。此外，界面UI支持4K分辨率，提高了建模纹理贴图成像质量。

以546张倾斜航拍素材为例，在没有其他软件应用运行和干扰以及计算机每次单一运行单个航拍建模的情况下，运用三大软件进行航拍建模，其中Context Capture耗时96分钟，大疆智图耗时127分钟，Photoscan耗时139分钟。Context capture生成的模型大小为44 MB，大疆智图生成的模型大小为35 MB，PhtoScan生成的模型大小为249 MB。Context Capture生成的模型数据量较大，较为精细，工作量较少输出快捷，支持16种输出格式，PhotoScan支持的输出格式为10种，而大疆智图支持的输出格式仅为6种。

采用有效素材进行空中三角测量，根据需要选择合适的格式，笔者使用3MX和FBJ格式导出，经过长时间的运算即可在3D View中查看建模效果，也可以在Context Capture Viewer中浏览构建好的各种模型。

2.2  Context Capture优势

经过模型修补，最终得到作业区的校园实景三维模型，通过Context Capture Viewer便可以展示完整模型。Context Capture可以快速轻松地处理任何比例的网格模型，进行各类地形和经纬度信息的提取，进行正射影像、三维PDF和iModel的生成。它可以将网格模型与GIS和工程数据集成，以在网格模型的视觉环境中实现信息的搜索、导航、可视化和动画。可以与工程模型相结合，对点云进行增强、分割、分类。Context Capture可以从多种来源中生成非常庞大的可缩放地形模型，包括点云、断裂线、光栅数字高程模型和三角形化不规则网络。通过与原始数据源同步，可缩放地形模型可实时更新到最新版本。这样做的价值在于拥有所有数据的全局、最新和综合表示，并用于以各种显示模式执行分析，实现动画和可视化效果。因此，Context Capture可以更好地评估点云，生成更加精确的模型，还可以生成用于展示的动画和渲染。

3  后期修模工作

3.1  对镜面材质进行补洞

表面材质特殊（如河流、湖泊、树林、建筑物反光玻璃等材质）会造成模型空洞、扭曲，三维模型建模完成后会有一些地方的效果不太理想，这是由于特征点较少，在计算时很难匹配正确，导致输出的水面模型通常是支离破碎的。如图3所示，深灰色部分为湖面反光造成的模型面空洞。针对这一情况使用软件自带的约束工具，手动为水面添加平面约束，这样重新输出的水面模型就会变得平整，重建后的水面空洞就会消失。针对实验区实景进行三维建模实现对缺失区域的补漏，效果如图4所示。

3.2  对纹理缺失进行补拍

另一类问题是原始照片数量过少、照片拍摄质量不佳或重叠度不够造成的模型纹理缺失，可通过对纹理质量不佳或者是缺失的区域进行无人机补拍，并且要针对缺失区域多拍摄高质量照片，以更好地与原模型缺失区域进行拼接和补漏。接下来再重复建模便可得到完整模型。

3.3  项目切块所需内存问题

如果在Context Capture中进行空三计算之前不进行正确的设置，会造成任务失败或任务中止。经过模块切片参数设置后，软件会提示建模所需内存大小。如计算机的内存容量等于或大于切片任务所需的内存容量，可以正常进行完整面积的建模任务。如计算机的内存容量小于或等于切片任务所需的内存容量，则会导致建模中断和失败，即便建模成功也会存在模型残缺。所以要根据所使用计算机内存容量进行参数设置，如果计算机内存容量小于等于切片任务所需内存容量，需要在自适应切块、规则平面切块、规则立体切块三种方式中任选其一完成切片任务。进行任务运算时，如选择自适应切块，则容易导致任务失败。笔者首先采用规则平面切块，预计使用内存59 GB，而计算机内存为16 GB，导致3个任务环节中断，人工取消后还出现了6次任务失败并提示内存空间不足，建模总耗时达6小时，于是更换了64 GB的电脑，通过9小时的重新建模，保证了建模任务的成功完成，最终得到渲染模型。切片参数设置操作流程如图5所示。

4  大场景建模应用

4.1  开发虚拟校园

随着元宇宙时代的到来，VR应用的领域越来越广泛。以FBX或OBJ格式将所建模型导入Unity 3D或Unreal Engine 5的内容文件夹，便可以进行场景搭建，控制模型的大小，改变模型的角度，改变模型的贴图纹理和颜色，添加光效以及模拟各类天气气候，还可以增加绿化面积，设置虚拟人校园引导和讲解校园历史，通过模拟昼夜动态变化，加入夜景效果展示校园夜景。导入的FBX大场景建模模型可添加第三人称游戏角色人物来进行场景漫游和场景交互，也可通过Unreal Engine 5的蓝图交互功能用于其他交互场景并应用到安卓端和PC端。如果开发者想要开发其他的功能和交互，则可借助前期场景环境进行自由创作，后期可通过VR头盔体验VR校园，沉浸式虚拟现实，使用户能够切实感受逼真的三维校园场景，与此同时通过多模态交互使用户获得游戏般的体验感。

4.2  应用于课堂教学

4.2.1  三维打印流程

笔者使用的3D打印機为极光尔沃JGmaker-Artist-

D Pro，该打印机具有独立双喷头，支持OBJ、STL、G-code三种模型格式，使用PLA耗材，通过切片软件Ultimaker Cura 5.2，先将OBJ或STL格式模型导入到该软件内，再将打印机的打印尺寸设置为300 mm×

300 mm×340 mm，耗材直径设置为1.75 mm。将缩放比例调整为65，笔者打印的规格是15 cm×10 cm×

8 cm，打印耗时为25小时24分钟，切片完成的模型需要以全英文命名且格式会变成G-code格式，将其复制或剪切到3D打印机的SD卡里，将SD卡插入到3D打印机，再通过一些设置打印出模型。

4.2.2  三维打印遇到的问题与对策

打印之前需要将设备自动调平即间隙调平，调平失败或间隙过大过小都会影响模型的成型和质量，打印喷头与打印床面间隙过大会导致耗材不规则黏着在打印床面引起打印错乱，打印喷头与打印床面间隙过小会导致耗材无法规则挤出喷头或耗材阻塞在喷头内部无法挤出成型，笔者使用单喷头模式将喷头1预热到PLA材料的熔点210 ℃，再将热床加热到50 ℃，将间隙调整为750 mm，打印速度调为30～60 mm每秒，如果喷头达不到指定温度将挤不出打印耗材，热床达不到指定温度将影响打印模型基面贴合，会造成中心不稳或容易松动导致模型无法稳定下来，进而导致打印失败，所以只有待预热温度达到指定值时耗材才能够被均匀挤出，经过一天时间的打印，模型成型，如图6所示为打印完成的成型模型。随后需要拿小铁铲从模型底部开始铲出模型，再使用锉刀和剪刀对模型进行打磨和美化处理，以便于更好地进行展示。如底色为白色，则可以用颜色笔将模型涂成与原物相似的颜色，增加模型的美观性和观赏性，如图7所示为采用涂色笔进行色彩还原和模型上色。3D建模对3D打印有铺垫作用，模型的精细程度决定着打印成品的质量，最后应用于虚拟现实技术教学课堂分享案例展示。

5  结  论

无人机大场景建模是如今主流的三维建模方式，作业流程简单、节省人力等无不体现出该技术的便捷性。通过Context Capture得到三维模型之后将其导入虚幻引擎，物理模型在虚拟空间中得到完整的映射，还可结合使用传感器设备进行校园环境数据采集，让高校与现实环境数据同步并准确地将真实数据反映到虚拟世界中。与此同时，数字模型的开发与应用也极大地推进了校园数字文化建设工作，更加接近于高质量高校建设的目标，后期通过FBX模型导入到U3D或UE5里，进一步编辑开发VR全景校园，让用户使用头盔便可置身于校园，也可助力开发元宇宙校园，让元宇宙空间中的校园三维模型可供多人进行素材的补充和编辑，且不会出现信息无法得到及时更新的问题，可随时随地与现实中的校园最新状态保持同步，让航拍建模技术有无穷的开发和应用空间。综上所述，随着技术的快速发展，无人机大场景建模应用范围不断扩大，应用领域不断扩展，航拍建模不仅仅是建模本身，而是将模型运用到更多的技术层面和领域，进行更深的挖掘和探索。

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作者简介：艾则尔江·吾麦尔（1996.01—），男，维

吾尔族，新疆阿克苏人，助教，硕士研究生，研究方向：虚拟现实与多媒体技术；胡小强（1970.11—），男，汉族，江西南昌人，硕士，教授，研究方向：虚拟现实应用。