張豹 周雨杭 金雄 賈毅

摘?要：三維建模技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展日益多樣化，出現(xiàn)了許多的建模方法。在目前的三維建模技術(shù)中基于激光掃描的建模方法發(fā)展尤為迅速，這類建模方法主要是對激光掃描得到的點(diǎn)云進(jìn)行處理后再利用不同專業(yè)的軟件進(jìn)行三維重建。針對應(yīng)用對象和點(diǎn)云數(shù)據(jù)不同的特性，建模也具有不同過程和多樣的方法，本文主要介紹的是基于SketchUp的激光點(diǎn)云幾何重建。通過使用激光掃描儀獲取建模目標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在獲取數(shù)據(jù)后使用Cloudcompare軟件通過布料模擬濾波法對其進(jìn)行地面點(diǎn)過濾，經(jīng)過布料模擬濾波法后仍有冗余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不利于對建筑的三維建模，因此繼續(xù)使用Riscan pro實(shí)現(xiàn)手工過濾，將建筑物的點(diǎn)云單獨(dú)分離出來，再通過Riscan pro對建筑點(diǎn)云進(jìn)行關(guān)鍵面截取，最后使用SketchUp構(gòu)建實(shí)體三維幾何模型。

關(guān)鍵詞：三維建模;激光掃描;點(diǎn)云處理;Sketchup

文章編號：2095-4085（2020）06-0096-02

1?引言

SketchUp是一款實(shí)用的設(shè)計(jì)軟件，軟件為使用者提供了多種快捷的設(shè)計(jì)功能，提高了設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)該軟件也具備了設(shè)計(jì)者所需要的兼容性與擴(kuò)展性，使得最后對模型的輸出結(jié)果豐富，可以以多種形式保存。在進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)作過程中，SketchUp也具有很強(qiáng)的互動(dòng)性，在需要與客戶交流的時(shí)候也能更好操作展示。

本文主要研究通過SketchUp的不同操作功能對激光點(diǎn)云進(jìn)行重建，用于幾何重建的點(diǎn)云是通過三維激光掃描的方法所得到的表示實(shí)體的點(diǎn)集合。整個(gè)基于SketchUp的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模過程包括兩個(gè)主要過程。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及模型的重建。第一步對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理是為了給下一步的模型重建提供更加可靠精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使得模型重建的難度降低，另一方面也將重建出的模型的精確度以及重建速度提高。本文所研究對數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要是地面點(diǎn)過濾和關(guān)鍵平面提取;第二部模型重建階段包括SketchUp對關(guān)鍵面的幾何描述，對關(guān)鍵面的推拉形成立體圖形以及為重建建筑的紋理表示，最后結(jié)果會得到一個(gè)理想的三維模型。

2?面向建模目的的點(diǎn)云預(yù)處理

三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于建筑物的精細(xì)建模，使模型的精確度得到有效提高。但是點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常情況下都數(shù)據(jù)量龐大，因此得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)常包含很多冗余信息，如果把全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接用于三維曲面的重構(gòu)，計(jì)算機(jī)資源會被大量占用，操作效率降低，并且后續(xù)對模型重建以及模型的顯示、存儲和傳輸?shù)犬a(chǎn)生影響。因此，實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建應(yīng)進(jìn)行有效的地面點(diǎn)過濾、關(guān)鍵平面提取等預(yù)處理操作。濾波處理是作為對點(diǎn)云處理的第一個(gè)步驟，為后續(xù)的建模操作提供更好的準(zhǔn)備。因?yàn)橹挥袑⒃肼朁c(diǎn)、離群點(diǎn)、空洞、數(shù)據(jù)壓縮等在濾波處理流程中按照后續(xù)處理定制，點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、特征提取、曲面重建、可視化等操作才能順利進(jìn)行。

2.1?地面點(diǎn)過濾（圖1，2）

根據(jù)對點(diǎn)云濾波的研究發(fā)現(xiàn)，它存在兩個(gè)主要的問題。一，許多軟件具商品性，它們的參量多且普適性差，其使用范圍及用戶會受到限制。二，點(diǎn)云濾波的主要原理長期以來都沒有得到突破。針對這兩個(gè)問題，本文在點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理這一步用于地面點(diǎn)過濾的方法是布料模擬濾波法（Cloth simulation filtering，CFS）。

與傳統(tǒng)的點(diǎn)云濾波算法不同的布料模擬濾波方法是基于布料模擬，它屬于3D計(jì)算機(jī)圖形算法，布料模擬濾波方法是通過將點(diǎn)云倒置后，再使用較硬的布覆蓋于倒置的表面。這種模擬方法可以假設(shè)為一塊足夠柔軟的布料放置在地形之上，因?yàn)橹亓Φ淖饔貌剂贤耆掣接诘匦蔚谋砻?，因此所得布的最終形狀是DSM（數(shù)字表面模型），如果將地形倒置并且布料以硬性定義，則布的最終形狀是DTM（數(shù)字地面模型）。通過分析布節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的點(diǎn)之間的相互關(guān)系，去確定布節(jié)點(diǎn)的位置以產(chǎn)生地面的近似值，最終通過比較原始的點(diǎn)和生成的表面，可以從點(diǎn)云中提取地面點(diǎn)，并將其用作將原始點(diǎn)分類為地面和非地面部分的基礎(chǔ)。

通過Cloudcompare對點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用布料模擬濾波法進(jìn)行地面點(diǎn)的過濾后，建筑物或者構(gòu)筑物仍然沒有從所有點(diǎn)云中完全單獨(dú)分離出來，可能還包含植被點(diǎn)。此時(shí)就需要使Riscan pro軟件進(jìn)行手動(dòng)過濾，在使用者觀察判斷后將建筑物以外的其它點(diǎn)手動(dòng)選中并刪除。再手動(dòng)過濾地面點(diǎn)時(shí)，多旋轉(zhuǎn)從多個(gè)角度觀察判別地面點(diǎn)。通過手工處理后可以得到僅含建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2?關(guān)鍵平面提取

本文所研究的基于SketchUp的三維模型幾何重建是建立在關(guān)鍵平面提取上的，本文是使用Riscan pro進(jìn)行關(guān)鍵平面的提取。建模目標(biāo)建筑的關(guān)鍵平面指的是能夠代表建筑輪廓的平面，例如：樓頂，底層，天臺等等，在提取關(guān)鍵面后再結(jié)合SketchUp的推拉等多種功能就可以建立好該建筑物的三維模型。

選擇提取關(guān)鍵平面是因?yàn)樗男螤畲碇ㄖ黠@的特征。形狀、顏色和紋理是三維模型的三個(gè)主要屬性，但是顏色和紋理都是屬于易變和可變的，關(guān)鍵平面的形狀既能代表建筑的特征又是不可變的，因此基于SketchUp的激光點(diǎn)云重建主要是對點(diǎn)云的關(guān)鍵平面的形狀進(jìn)行提取。

2.3?面的打散和構(gòu)建

基于sketchUp的三維模型構(gòu)建，需要將關(guān)鍵平面導(dǎo)入sketchUp中，根據(jù)關(guān)鍵平面運(yùn)用軟件中的構(gòu)建幾何圖形的功能，把關(guān)鍵平面用幾何圖形表示出來，也就是建筑物的橫截面。在構(gòu)建幾何圖形中，靈活組合矩形、圓弧還有直線功能，在構(gòu)建出關(guān)鍵平面后將多余的面和線刪除。

2.4?立體模型的構(gòu)建

幾何建模系統(tǒng)能夠?qū)缀文Ｐ瓦M(jìn)行定義描述、編輯處理模型和生成幾何模型。通過在計(jì)算機(jī)里將物體的形狀及其各種屬性存儲在計(jì)算機(jī)進(jìn)而形成該物體的幾何模型。在構(gòu)建好關(guān)鍵平面后，使用SkechUp中的推拉功能，即可形成建筑的三維立體基本模型。在完成立體模型的構(gòu)建之后，軟件中還有對建筑紋理，窗戶等等進(jìn)行修飾的功能。

SketchUp軟件能快速的導(dǎo)入導(dǎo)出多種格式的數(shù)據(jù)文件。SketchUp軟件一個(gè)最大的亮點(diǎn)，是通過它具有的動(dòng)畫功能，建立一個(gè)表征地貌形成過程的模型。SketchUp軟件由于許多建模插件的出現(xiàn)功能越來越完善，建模過程簡潔易操作以及建模效率大幅度提升，在建模過程中使用其他軟件會帶來繁重的工作量問題，就可以用簡化靈活SketchUp軟件所代替。

3?結(jié)?語

現(xiàn)如今的三維建模的方法多種多樣，也有很多建模軟件陸續(xù)出現(xiàn)在各行各業(yè)，建筑業(yè)中目前也大力推廣三維模型的應(yīng)用，SekthUp憑借它簡易的操作和功能的齊全，以及對多種數(shù)據(jù)處理軟件的適應(yīng)，在三維建模這一塊有著很大的前景。本文基本完成了研究中的理論證明和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)估，但是在實(shí)驗(yàn)過程中仍然出現(xiàn)了一些小問題，在這里需要提出并且進(jìn)一步的完善。

（1）探索自動(dòng)識別和過濾非建筑物點(diǎn)的方法。

（2）此次試驗(yàn)缺少對環(huán)境效果的渲染，后續(xù)可添加天氣、燈光等效果，使模型更加逼真。

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