三維建模實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

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摘要：三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始大量應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，但作為新興課程剛在各高校中開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，為了更好地服務(wù)于三維激光掃描課程的理論教學(xué)活動(dòng)，本文從三維激光掃描儀參數(shù)設(shè)置和操作方法開(kāi)始介紹了激光掃描點(diǎn)云采集實(shí)驗(yàn)、激光點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，著重論述了激光點(diǎn)云的復(fù)雜曲面和建筑物實(shí)體三維建模的實(shí)驗(yàn)方法，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案的實(shí)施有利促進(jìn)了測(cè)繪工程專業(yè)本科生的綜合實(shí)踐操作技能的提升。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；三維建模；教學(xué)方法

0引言

《三維激光掃描》課程是針對(duì)精細(xì)三維模型在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、房產(chǎn)管理、文物保護(hù)等領(lǐng)域中的重要用途而開(kāi)設(shè)[1]，但是目前使用地面三維激光掃描儀采集海量激光點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)建模的方法尚不成熟，因?yàn)榧す恻c(diǎn)云以三維離散點(diǎn)的方式在空間分布，所以直接通過(guò)二維繪圖的方法繪制點(diǎn)云實(shí)體模型會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的位置偏差。作為新興課程其理論發(fā)展緩慢，多以上機(jī)實(shí)驗(yàn)掌握激光點(diǎn)云的建模方法為主[2]。針對(duì)規(guī)則實(shí)體的建筑物建模一般選用3dsMax、Microstation、AutoCAD、Sketchup等軟件實(shí)現(xiàn)，而對(duì)具有曲面分布點(diǎn)云的建模一般通過(guò)構(gòu)建三角網(wǎng)的方式來(lái)完成，在激光點(diǎn)云曲面建模方面GeomagicWrap軟件功能強(qiáng)大，編輯靈活，操作方便，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)課上應(yīng)用最多。針對(duì)《三維激光掃描》課程中實(shí)驗(yàn)實(shí)施內(nèi)容和過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文著重介紹激光點(diǎn)云的數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜曲面實(shí)體和建筑物建模的教學(xué)方法，為該課程的建設(shè)提供參考實(shí)例。

1激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集實(shí)驗(yàn)

地面三維激光掃描儀與傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器（如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、全站儀）在外形、原理和操作方法上有較大的差異，但該儀器起源于傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器（如免棱鏡的全站儀），因此，在進(jìn)行激光掃描實(shí)驗(yàn)之前，教師有必要向測(cè)繪工程專業(yè)學(xué)生說(shuō)明地面三維激光掃描儀的工作原理、數(shù)據(jù)采集的模式以及與傳統(tǒng)測(cè)繪儀器的異同點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，向?qū)W生介紹地面激光掃描儀的架站方法、對(duì)中整平方法、單反相機(jī)安置方式、電纜和電池的安裝方法等基本部件的組裝方法，激光掃描儀的長(zhǎng)距和高速掃描模式的選擇方法、激光點(diǎn)云密度的設(shè)置方法、單反相機(jī)的曝光模式（如光圈、曝光速度）、拍攝相片的重疊度；向?qū)W生講解使用電纜或無(wú)線WiFi連接掃描儀與筆記本電腦的方法、不使用筆記本電腦直接采用激光掃描儀的方法；向?qū)W生說(shuō)明掃描過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)，如不要觸碰三腳架、不要遮擋到所采集地物的激光掃描儀和相機(jī)的視場(chǎng)角、不要長(zhǎng)時(shí)間用眼睛注視掃描儀發(fā)射的激光等，還有如何布設(shè)強(qiáng)反射標(biāo)準(zhǔn)板的方法；激光掃描完成后，向?qū)W生演示如何下載存儲(chǔ)激光點(diǎn)云和拍攝的RGB影像數(shù)據(jù)以及如何導(dǎo)入到激光掃描儀的后處理軟件中。一般情況下，一臺(tái)地面激光掃描儀的價(jià)格高達(dá)1百萬(wàn)元，因此實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的地面激光掃描儀的數(shù)量通常不能滿足一個(gè)教學(xué)班的教學(xué)需求，實(shí)驗(yàn)課上一般由教師進(jìn)行演示操作，需要學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組在課余時(shí)間分批次地借激光掃描儀進(jìn)行操作訓(xùn)練。采集地物的過(guò)程中往往需要采集多站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后配準(zhǔn)多站激光點(diǎn)云成為一個(gè)全面整體的實(shí)體數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程需要完成激光點(diǎn)云的粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)2步操作[3]，下面以RieglRiscan軟件4站激光點(diǎn)云為例進(jìn)行說(shuō)明。在粗配準(zhǔn)操作中，以第1掃描站為基準(zhǔn)站點(diǎn)，使用RiscanPro軟件的粗配準(zhǔn)功能在相鄰2站之間選擇4對(duì)強(qiáng)反射標(biāo)志的圓心位置作為同名特征點(diǎn)對(duì)，經(jīng)過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)后將另一站激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到第1站上，同理可依次將第3、4站分別配準(zhǔn)到第2、3站上，從而完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的粗配準(zhǔn)工作。在精配準(zhǔn)操作中，利用迭代最鄰近（IterativeClosestPoint,ICP）算法在站點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)云中搜尋最鄰近的同名點(diǎn)，根據(jù)最鄰近點(diǎn)解求剛體變換的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)，這里仍然設(shè)置第1站為基準(zhǔn)站，保持其位置和角度固定，只需要旋轉(zhuǎn)平移其余3站激光點(diǎn)云即可，通過(guò)最鄰近點(diǎn)對(duì)的不斷搜索和變換參數(shù)的迭代計(jì)算完成點(diǎn)云的精配準(zhǔn)過(guò)程，各點(diǎn)云精配準(zhǔn)的相對(duì)誤差控制在毫米精度以內(nèi)。將精配準(zhǔn)后的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為*.wrl或*.las格式，然后導(dǎo)入到GeomagicWrap軟件或MicrostationV8i中顯示。

2激光點(diǎn)云復(fù)雜曲面實(shí)體的建模實(shí)驗(yàn)

不同的掃描對(duì)象對(duì)應(yīng)不同的三維建模方法，對(duì)于復(fù)雜的曲面實(shí)體可采用GeomagicWrap軟件進(jìn)行三角網(wǎng)建模[4]。由于激光全景掃描過(guò)程中掃入了大量不需要的地物，因此首先需要對(duì)導(dǎo)入的激光點(diǎn)云進(jìn)行裁剪操作得到大石頭的激光點(diǎn)云，為增強(qiáng)點(diǎn)云顯示效果對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色。教師通過(guò)上傳實(shí)驗(yàn)的視頻、操作指導(dǎo)書到網(wǎng)絡(luò)課程資源平臺(tái)，先由學(xué)生課下預(yù)習(xí)，然后教師課上演示建模過(guò)程。具體需要演示的建模過(guò)程如下：1）通過(guò)“體外孤點(diǎn)”和“非連接項(xiàng)”刪除噪聲激光點(diǎn)云，對(duì)于少量點(diǎn)云空洞區(qū)域，利用“填充孔”功能添加少量激光點(diǎn)。2）使用“棱柱形（保守）”工具減少點(diǎn)云噪聲，使用“曲率采樣”的方式重采樣激光點(diǎn)。3）生成三角網(wǎng)后，仍需要“填充孔”工具修補(bǔ)模型孔洞，采用“去除特征”、“刪除釘狀物”和“砂紙”工具平滑對(duì)象表面，采用“網(wǎng)格醫(yī)生”命令修復(fù)多邊形缺陷，使用“用平面裁剪”和“伸出邊界”工具制作底部平臺(tái)。4）根據(jù)“紋理貼圖”功能，生成“生成紋理貼圖”，為對(duì)象的對(duì)應(yīng)各個(gè)側(cè)面和頂面映射紋理圖像，其中紋理圖像需要提前在Photoshop軟件中進(jìn)行斜切、圖像增強(qiáng)等編輯操作。

3激光點(diǎn)云三維建筑物建模實(shí)驗(yàn)

針對(duì)規(guī)則建筑物實(shí)體的建模方法，應(yīng)采用傳統(tǒng)的建筑類設(shè)計(jì)和規(guī)劃軟件比較適合，本文選擇Microstation軟件進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)，該軟件具有二三維設(shè)計(jì)和激光點(diǎn)云導(dǎo)入功能，操作簡(jiǎn)便，易于上手，適合本科生練習(xí)使用。首先，設(shè)計(jì)10個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間教授該軟件的二維對(duì)象繪圖、三維位置精確繪圖、輔助坐標(biāo)系、三維對(duì)象的精確繪圖、三維模型的高級(jí)編輯功能，促使學(xué)生掌握該軟件的基本繪圖、編輯和三維建模功能，以此為基礎(chǔ)，再花費(fèi)4個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間講解激光點(diǎn)云的三維建模方法，重點(diǎn)教授激光點(diǎn)云特征點(diǎn)捕捉方法、激光點(diǎn)云建筑物輪廓線繪制方法、輔助坐標(biāo)系在點(diǎn)云繪圖中的應(yīng)用、三維模型紋理映射、光照設(shè)置、渲染設(shè)置等操作方法，通過(guò)幾個(gè)三維模型繪制的實(shí)例將學(xué)生傳統(tǒng)的二維繪圖視野轉(zhuǎn)換到三維空間世界，這些實(shí)驗(yàn)需要保證學(xué)生擁有充足的時(shí)間消化理解三維建筑物建模的原理和方法。

4結(jié)束語(yǔ)

地面三維激光掃描儀作為測(cè)繪新技術(shù)已經(jīng)在測(cè)繪相關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，該課程教學(xué)活動(dòng)已在高等學(xué)校中開(kāi)展，通過(guò)介紹激光掃描儀的采集方法，闡述基于激光點(diǎn)云的復(fù)雜實(shí)體曲面建模實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案，簡(jiǎn)介了基于激光點(diǎn)云的三維建筑物建模實(shí)驗(yàn)過(guò)程，豐富了三維激光掃描課程的三維建模實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平，增強(qiáng)了測(cè)繪工程專業(yè)本科生的實(shí)踐操作技能，為三維激光掃描課程的教學(xué)提供了實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考。

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作者:李峰 孫廣通 錢安 王秋玲 單位:防災(zāi)科技學(xué)院