点云数据实现三维实体建模方法探索

第43卷第15期山西建筑Vol.43No.15

2 0 1 7 年 5 月SHANXI ARCHITECTURE May.2017 • 257 ••计算机技术及应用•

文章编号：1009-6825 (2017)15-0257-02

点云数据实现三维实体建模方法探索

赵吉潘永刚陈佳慧

(新疆大学建筑工程学院,新疆乌鲁木齐830000)

摘要:介绍了三维激光扫描技术的特点，以奇台县半截沟镇镇大门为研究对象，阐述了基于三维激光扫描数据的镇大门三维建 模流程与方法,指出利用该技术创建的模型精度符合测量要求。

关键词：三维激光扫描，点云数据，三维建模，纹理贴图

中图分类号:TP319 文献标识码:A

〇引言

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它是测绘技术领 域内继G P S技术之后的又一次技术革命。它不同于传统的单次 单点测绘方法，而是使用激光束进行整条线上的扫描，一次获取 目标物上一整条的数据信息，具有效率高、精度高的特点。利用 这种线式的高速扫描测量方法，结合激光扫描仪自身配备的C D D 专业相机，可以在很大范围内快速获取对象表面具有高分辨率的 点云数据，这种新的结合模式为外业测绘提供了一种全新的技术 手段。

近年来，国内外学者将地面三维激光扫描系统用于物质文化 遗产的研究、保护和文化旅游综合服务中。Pesci等[1]对将三维 激光扫描技术应用于比萨斜塔的研究之中；Teza等[2]利用点云 数据监测了意大利倾斜钟楼情况;Hinzen等[3]利用点云数据分析 了古罗马大剧场看台石阶的倾斜特征。在国内，赵煦等[4]在研究 云冈石窟时使用了三维激光扫描技术;李德仁等研究的敦煌石窟 项目，采用双目立体相机与激光扫描相结合进行三维建模[5];王 茹[6]采用三维激光扫描结合人工作业和照片的形式完成古建筑 3D模型重建。

1点云数据三维建模基本流程

通过野外现场数据采集过程得到了镇大门建筑表面的原始 点云数据。要对原始的多站点数据进行配准拼接、去噪简化等处 理，才能获得完整的镇大门点云数据。然后进行镇大门的三维实 体重建，具体包括基本几何体创建、平面创建和纹理贴图三个部 分(见图1)。三维实体重建利用3ds M a x建模软件，对镇大门的 所有部分进行建模。

|原始点云@

点云数据处理

|配准拼接噪简化

实体点云数据|

I模型三维实体重建 |

!|几何体创建|—»|平面创建P{纹理贴图| !

1r————: J

I实体模型生成1

图1基于三维激光扫描数据的镇大门三维建模流程本文着重讲解建筑物基本几何体的创建、平面创建和纹理贴 图部分。对于点云数据的处理，包括配准拼接和去噪简化不加以介绍。

2点云数据的三维实体建模过程

2.1 点云数据导入

我们所使用的建模软件版本是Autodesk 3ds Max 2017,在新 版本中，创建面板增加了对点云系统的支持。通过三维激光扫描 仪扫描出来的点云数据生成格式为.res的数据库文件，将该种格 式的文件导人到3ds M a x中进行建模。

在界面右上方呈“十”字形的“创建”面板中点击“几何体”按 钮，在下拉栏中点击“加载点云”按钮。在弹出的对话框中找到镇 大门点云文件并将其打开。在m a x任意视窗中创建点云对象。

2_ 2模型三维实体重建

本文以奇台县某镇的镇大门为例，经过实地调研以及使用三 维激光扫描仪扫描测量后。得到了该大门格式为.res的点云数 据文件(见图2)。

图2镇大门点云数据

点云数据只包含物体表面测点的空间坐标信息，经过对点云 数据的处理后，便可对镇大门进行三维实体重建，使其具有实体 三维造型。三维重建包括基本几何体创建、平面创建和纹理贴图三个步骤。

2.2.1 基本几何体创建

由实地调研可知,该大门的主要构成部分可分为下部左右两 边的梯形台、4根长立柱、若干横长柱以及大门上部的斗拱和房 顶等。

首先，我们可以看到大门下部主体为左右两个大致对称的梯 形台，在m a x中没有可以直接使用的标准几何体，所以我们选择 先建立一个长方体，然后对长方体使用修改器列表中的F F D2 x 2 x2工具。选中建立的长方体体块，点击右侧命令面板F F D2 x 2 x2工具下的控制点按钮。我们会发现长方体的8个顶点处于 可移动的状态，接下来分别将各个顶点移动至对应位置,在移动 的过程中要将捕捉开关打开，方便选取点云顶点。对该长方体的 顶点进行位置变化后，便得到了我们所需要的梯形台。这里需要

收稿日期:2017-03-13

作者简介:赵吉（1991-),男，在读硕士；潘永刚（1966-),男，硕士生导师，副教授；陈佳慧（1992-),女，在读硕士

第43卷第15期

• 258 • 2 0 1 7 年 5 月

山西建筑

注意的是，我们每建立一个新的体块，都要统一它们的参考坐标 系为局部，方便后续的对齐操作。

在下部的梯形台上我们可以看到还设有一个小门，我们可以 另外建立一个大小合适的长方体体块，将其附加在对应的位置 上，然后使用布尔运算对其进行操作，得到该处门洞（见图3)。同理，得到镇大门另一侧墙体。

a)左侧 b)右侧

图3梯形台及门洞

其次，较为明显的便是镇大门靠中间部位的四根立柱，其大 小长度基本相似，我们可以画出其中一根，对其余三根进行复制 粘贴。创建方法与梯形台创建基本一致。需要注意的是,我们肉 眼看起来立柱是竖直的，但是可能由于承重等原因，立柱会有轻 微倾斜。对此，我们应当视具体情况进行适当调整。

接下来，则是构建镇大门的若干横柱，遵循的创建原则与方 法和梯形台相同。

最后，是镇大门的斗拱与房顶部分。由于此次扫描的细部不 够精确，我们无法使用点云数据进行斗拱和房顶的构建。在此，我们可以导人已有的房顶建筑模型来加以代替，达到外观上的 相似。

2.2.2多边形创建

在完成基本几何体创建后，我们所需要的三维实体模型已经 基本完成。之所以要对其进行多边形创建,是为了方便下一步的 纹理贴图。我们知道，如果对一个体模块进行贴图，那么它的所 有面都会被贴上我们附加的纹理。而该镇大门有部分体块的面 纹理是不同的，所以在这里,我们要将该体块转变为平面构件。

在空间上任意创建一个平面，对其使用F F D 2 x2 x2工具，将其4个顶点拉至体模块其中一个面的4个顶点处。相同方法，对它的其余表面进行处理。

在该镇大门模型中，需要进行这项处理的是下部梯形台上方 的长横柱。因为其正面是有特殊纹理的，而其余表面均为红色面。

2.2.3纹理贴图

纹理贴图是基于点云数据构建三维模型的最后一步,它的工 作是对模型进行材质赋予，使三维模型看起来更为真实。对面模 块进行纹理材质的赋予时，首先使用Photoshop软件对照片进行简 单处理，将图片在软件中打开之后先运用裁剪工具对其进行尺寸 大小的调整，为了获得更好的视图效果，可以对图片进行角度的变换等操作;在拍照片时可能会有干扰点的出现，在软件中使用仿 章工具或者橡皮工具对其进行擦除、删除;为了使图片的光亮效 果尽可能的接近真实环境，可以对照片的色彩平衡度做适当调 整。完成对照片素材的加工之后，可以将其贴至三维模型上，完 成三维建模的最后一步工作，得到最终的三维模型(见图4)。

图4镇大门三维真实感模型

3结语

本章以奇台县半截沟镇镇大门为研究对象，利用三维激光扫 描技术开展了对镇大门的真实建模的应用研究。在文中对测量 工作的一系列步骤进行详细介绍，包括扫描仪采集点云数据的工 作，有关点云数据处理的内业工作以及利用点云数据进行三维建 模的详细步骤。在建模过程中，对模型的具体操作过程均进行完 整介绍，特别对其中基本几何体创建、平面创建和纹理贴图等步 骤进行了详细论述。模型的精度符合了测量的要求，这表明三维 激光扫描技术在小范围内的高精度测量是具有一定优势的。

参考文献：

[1]Pesci A,Cssula G,Boschi ser Scanning the Garisenda

and Asinelli Towers in Bologna(Italy)：Detailed Deformation

Patterns of Two Ancient Leaning Buildings[J].Journal of Cul­

tural Heritage,2011,12(2) ：117-127.

[2] Teza G,Pesci A.Geometric Characterization of a Cylinder

shaped Structure from Laser Scanner Data：Development of an

Analysis Tool and I t s Use on a Leaning Bell Tower [J].Jour­

nal of Cultural Heritage,2013,14(5) ：411-423.

[3] Hinzen K G,Schreiber S,Rsdellen S.A High Resolution Laser

Scanning Model of the Roman Theater in Pinara,Turkey com­

parison to Previous Measurements and Search for the Causes of

Damage[J].Journal of Cultural Heritage,2013,14 (5 ) ：424­

430.

[4]赵煦，周克勤，闰利.基于激光点云的大型文物景观三

维重建方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2008,33

(7) ：684-687.

[5]常永敏，张帆，黄先锋.基于激光担描和高精度数字影像

的敦煌石窟第196窟、285窟球幕图像制作[J]•敦煌研究，2011(6) ：96-101.

[6]王茹.古建筑数字化及三维建模关键技术研究[D].西

安：西北大学，2010.

Exploration on the method of point cloud data promotion of3D laser scanner

Zhao Ji Pan Yonggang Chen Jiahui

(College of Architecture and Engineering,Xinjiang University,Urumqi830000, China)

Abstract：This paper introduced the characteristics of3D laser scanning technology,taking the gate in Qitai county Banjiegou town as the re­search object,described the3D modeling process and method of town gate based on3D laser scanning data,pointed out that the model accuracy created using this technology meet the measurement requirements.

Key words：3D laser scanning,point cloud data, 3D modeling,texture mapping