面向网络化应用的古建筑BIM模型轻量化处理技术

余芳强 宋天任 陈 菁

1. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103；2. 上海建筑改建与持续利用工程技术研究中心 上海 201103

1 工程概况

上海玉佛禅寺大雄宝殿平移顶升工程施工难度大，安全风险高。本研究通过应用物联网技术对玉佛寺平移顶升过程的位移、结构和佛像变形进行实时监控；与BIM模型集成，以实时监测信息驱动模型展现四维的施工进度情况；通过网页等方式在智能手机等设备展现，支持业主、总承包管理人员等远程实时监控施工过程，保障安全。

为快速建立玉佛寺大雄宝殿及内部佛像的精确三维模型（图1），本研究采用三维激光扫描技术和倾斜摄影技术建立三维点云模型。由于古建筑外形奇特、装饰物复杂、佛像精致，因此建立的三维点云模型体量大、构件多，面向网络化的应用存在传输量大、渲染时间长、体验差等问题，需要进行简化处理。对点云模型进行点云降噪、逆向建模、构件合并和复杂构件减面是实现轻量化的常规方法，但工作量较大，需要结合实际需求在模型精细程度、模型体量和工作量之间做权衡工作。

针对以上问题，本研究通过研究和应用多种轻量化处理技术[1]，解决古建筑三维点云模型结构构造的面、体过于复杂，数据量大的问题，实现了基于WebGL的大雄宝殿三维模型渲染，并与监测数据集成，实现四维的施工进度模拟，并支持在网页端、移动端展示高保真的模型。

图1 玉佛寺大雄宝殿佛像

2 基于多源数据的大雄宝殿三维点云模型构建

大雄宝殿三维点云模型的重建采用多数据源建模方式，具体通过BIM正向建模方法创建结构和基础模型，应用Faro Focus3D地面三维激光扫描建立外立面和内饰模型，应用航拍倾斜测量技术建立屋顶模型，实现对大雄宝殿全方位三维数字化建模。古建筑的复杂结构造型对建模要求较高，形成的模型体量十分庞大。

三维扫描点云模型由大量点阵组成，每个点带有坐标位信息和颜色信息，从宏观上来看大量的点云形成了复杂的曲面，未经简化的点云模型带有丰富的色彩和逼真的纹理细节，但是一个文件体量动辄逾10 GiB，保存成面片模型后，面片数高达近千万面，此模型无法直接利用。

BIM模型带有精确的坐标、尺寸等信息，模型高度数据化。大雄宝殿的BIM模型中的嵌套族、繁琐的施工措施构件，使模型依然占用很大体量。

3 基于点云的三维模型重建技术

本工程主要通过点云降噪处理、逆向建模的工作进行总结，实现点云模型的轻量化。

3.1 点云降噪处理

古建筑的三维扫描生成的点云数据非常巨大[2]。由于人为、测量环境或者扫描设备本身的缺陷等诸多因素，使获得的点云在某种程度上会受到噪声的污染。所以，对实测点云数据数字几何处理及应用之前，必须对点云进行滤波降噪处理。降噪的目标是在保持点云模型采样表面的拓扑特征以及几何特征的前提下，有效剔除噪声并重建原有光滑表面。

本工程中将Faro扫描的原始数据f l s导入到Faro Scene中进行数据的预处理，主要包括当前测站重点区域选择。根据布置扫描的范围，选取当前扫描的主要范围，同时选择和前后测站配准的重叠区域。对保留区域数据进行噪声处理，主要包括去除离群点、体外孤点等，然后导出数据。导入三维坐标数据到Geomagic Studio中进行进一步数据处理，选定区域进行错误点和杂点的判断，选择体外孤点，敏感度为100，删除选择到的体外孤点。

然后统一采样，由目标定义间距，设置点的个数为100万，采样后的数据应进行降噪处理。原三维扫描模型得到的文件格式是pts，实际内容是大量点阵。在模型处理阶段主要是对模型面片进行编辑，因此需要将降噪后的pts点云模型封装成面片模型。

3.2 逆向建模

结合Revit和点云模型，对大雄宝殿内梁、柱、墙等规则的结构构件以及佛台、门、窗等规则的装饰构件进行逆向建模，采用体模型代替复杂的点云模型，达到轻量化目的。但逆向建模形成的模型存在构件较多的问题，需要根据应用需求进行构件合并操作。

实际处理过程中，对于柱、梁等常规模型，用圆柱、长方体或根据CAD底图进行可编辑样条线来创建时，圆柱和长方体编辑栏中将其段数降至最低；而可编辑样条线则是尽量选角点以减少点数，然后挤出样条线形成实体。对于柱墩、屋面等曲线形状模型通过Loft（放样）制作，需从放样的路径及截面对建模进行控制，在保证视觉效果不受太大影响的情况下，适度减少放样物体的Shape Steps（形状步幅）和Path Steps（路径步幅）参数，从而精简模型的面数。

4 BIM模型的轻量化技术

本研究主要通过减少模型体量、减少面片、使用贴图来替代复杂面体等3种方法对模型进行轻量化处理[3]，以达到网络化应用的需求。

4.1 构件合并

古建筑的构件体量不大但是数量很多，场景中的构件数量过多会增加模型烘焙时间，降低计算机运行速度等。本工程中利用3DS Max软件对多个对象进行合并从而减少模型数量，通过工程对模型的需求采用不同的合并方式。

大雄宝殿的三维扫描建模方式采用分化构件式，导致点云模型处理完的面片碎化布置。如大雄宝殿的歇屋面上的瓦片、门窗的栅格等构件为复杂体量，逆向建模时捕捉点云的特征点匹配创建单独的几何形体，故形成大量的碎化面片。对相同类型的物体一起选择后通过Collapse（塌陷）命令将其合并成一个物体，将同类的模型整合归一。

构件之间由零碎面片连接从而使构件与构件间的逻辑关系不明确。为了后续工程应用中对模型构件进行编码，需要对构件确认连接关系。如柱子与鼓磴之间的连接，由于点云模型多余的离散采样点在逆向建模时创建了多余的面片，导致连接关系不明细，对有连接关系的构件选择后通过Attach（附加）命令将其成组。

4.2 复杂构件减面处理

根据模型网格面的分布情况，选用合适的减面算法，将模型表面大量扫描网格进行简化，模型轻量程度达到90%。对独立模型的个数进行精简之后将无法合并的模型构件进行减面处理，删除模型中多余或重叠的点和面，从而实现模型轻量化。本工程通过研究，对复杂曲面的表面网格重建，对轻量化模型的技术进行总结。

通过MeshLab重建佛像模型表面网格。本工程通过三维扫描得到的佛像模型中，其三角面片高达600万面。对人像模型进行研究，使用MeshLab网格处理系统对模型三维三角网络进行编辑、清理和筛选；使其面角度减50%，线角度减50%，在保留几何细节和纹理映射的前提下，简化三角化表面，实现佛像模型表面重建。生成后的模型为由较少三角面片组成的具有相同形状的几何图形。本工程中通过三维扫描获取的原始模型三角面片高达600万面，处理完后三角面片为60万面（图2、图3）。

图2 三维扫描原始佛像模型

图3 轻量化佛像模型

MeshLab是一个开源、可扩展的系统，用于处理和非结构化编辑3D三角形网格。其主要原理建立在具有法向量信息的三维点云模型上，通过提取等值面，重建出具有实物几何表面信息的三角面片表面模型。本工程中通过把处理完的点云模型通过obj格式导入MeshLab，利用泊松表面重建算法计算点云的法线[4]；选中Merged Mesh文件，调整组合参数控制面片细节的精细程度，将稠密点云生成为多边形网络表面；表面重建算法完成后会生成一个封闭模型，删除多余形成的面；最后导出obj格式模型。

4.3 采用贴图代替复杂曲面

本工程中对于细小的装饰构件采用贴图代替其复杂曲面，如牌匾文字及其他具有浮雕效果的复杂造型的物体（图4、图5）。采用平面来代替曲面，再采用贴图来表现其复杂的凹凸、色彩和纹理结构，从而减少了场景模型的面数。

图4 大雄宝殿牌匾原始模型

传统渲染技术无法实现高级立体效果[5]，为营造更高级的光影效果，使用了物理渲染技术[6]，让模型展示出凹凸、纹理、反光等细节。与传统渲染技术实现原理不同，物理渲染技术是一种利用多种物理模型来模拟真实世界的渲染技术的集合，更强调模型和环境的整体关系，在不同的环境、不同观察角度下，模型的效果不同。

本工程的点云模型中已经包含了三维扫描得到的模型真实颜色数据[7]。将点封装成多边形之后的模型纹理最为精细，为了不影响纹理的特征，先生成原始颜色、凹凸等纹理，烘焙并映射成贴图，可以省去复杂的贴图绘制工作。

本工程中的模型物理贴图映射过程如下：

1）把减面后的模型以obj格式导入Unfold3D划分UV，剪切线沿暗线，不走明线，得到obj格式模型。把obj格式模型导入3DS Max得到fbx模型，再进行曲面细分、平滑等设定，完善模型。

2）制作纹理贴图。把完善后的模型用fbx格式导入SBS Painter绘制贴图。

3）导出3张物理贴图png，分别是颜色贴图、反射贴图和凹凸贴图。

5 工程应用效果

本研究在玉佛寺大雄宝殿工程对本文提出的点云模型简化处理综合方法进行了应用实践。通过点云降噪和初步的逆序建模，将5 GiB左右模型降低到1 GiB左右，通过构件合并、建模减面处理，模型达到400 MiB左右，采用贴图代替复杂曲面后模型降低到40 MiB左右，压缩后用于网络传输的模型体量为20 MiB，满足实际应用需求（图6）。

图6 轻量化处理后点云模型

6 结语

本文针对古建筑点云模型轻量化处理技术进行了研究和应用实践，得出以下结论：

1）应用三维激光扫描、倾斜摄影等技术可构建古建筑的精细化点云模型，但体量大，需要进行简化处理。

2）通过点云降噪、逆向建模、构件合并和复杂构件减面等传统方法可以处理碎片化点云模型，减少模型个数和面数，但需在模型真实感和模型轻量化之间做权衡，且仍难以满足网络化应用需求。

3）使用组合物理贴图替代复杂曲面模型，可在保证模型视觉效果的同时减少模型细节，从而减轻模型体量，实现在个人电脑和移动端的网络平台中顺畅浏览三维模型的目的，满足施工管理需求，具有实际应用价值。