基于Smart3D的小物件三维建模技术及应用

钱磊 张文超

摘 要：本文主要分析传统建模的弱势与不足，介绍了倾斜摄影技术的特点及基本原理、Smart3D软件进行小物件建模的详细流程以及后期模型的基本处理办法。通过对于小物件三维建模技术的研究，可以以很低的代价获取大量的模型用来构建数据库，从而取得经济效益。

关键词：倾斜摄影技术;Smart3D;实景三维建模

中图分类号：TV221.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）28-0014-03

Abstract： This paper mainly analyzed the disadvantage and shortcomings of traditional modeling， and introduced the characteristics and basic principles of tilt photography， the detailed process of small objects modeling by Smart3D software and the basic processing methods of later models. Through the research on small objects 3D modeling technology， we could obtain a large number of models at a low cast and build a database to achieve economic benefits.

Keywords： slant photography;Smart3D;real3D modeling

目前，传统的大面积的三维城市建模的方法主要是测量建模的方法[1]，采用外业人员手工拍照的方法，得到建筑物的结构和纹理，然后通过内业人员的处理，结合正射影像图、测区平面矢量图等数据，建立白模。通过拍摄的紋理分析模型的细部结构，最后将拍摄的纹理处理后贴在白模上。传统的建模方法虽然能够很好地控制模型精细度，但仍存在生产工艺复杂、生产成本高、工作强度大、模型生产效果不确定等问题，无法满足城市大范围快速建模的需要[2]，而基于Smart3D的三维建模技术正是在倾斜摄影原理的基础上发展起来的。

1 倾斜摄影技术

1.1 倾斜摄影技术概念

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年来发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的影像称为正片（1组影像），镜头朝向与地面成一定夹角拍摄获取的影像称为斜片（4组影像）。

1.2 倾斜摄影技术特点

倾斜摄影技术具有以下特点：①反映地物周边真实情况;②实现单张影像量测;③可采集建筑物侧面纹理;④数据量小易于网络发布;⑤建模高效，成本较低。

2 试验材料及方法

2.1 试验对象及器材

新鲜纹理清晰的苹果、实验旋转圆台、摄影灯光器材、相机。

2.2 三维重建原理

通过量测或非量测相机多视角、多层次地拍摄照片，得到一组高重叠率物体表面的照片。然后通过提取各照片的特征点，依据这些特征点的稀疏匹配算出照片的三维位置，进而经过密集匹配获得物体表面密集点的三维坐标[3]。

2.3 Smart3D实景三维模型建模实例

利用Smart3D进行实景三维建模主要分为前期准备、影像获取、软件操作等三大部分。其中前期需要调试好相机参数、灯光强度、模型摆放位置，才能进行相机的拍摄，作为前期的数据准备。Smart3D操作流程包括数据准备、数据导入、空中三角测量、产品生产导出。

2.3.1 相机与灯光的选择。拍照采用圆台转动环拍的方式，室内拍摄调整灯光为最佳光效;如果室外拍摄，既要保证光线充足，避免有阴影，又要防止阳光过强造成反光，使拍摄物纹理反射丧失。

本次流程选用的为佳能EOS M3。调节相机参数达到最佳效果，记录感应器尺寸22.3mm，焦距55mm。为了达到最好的建模效果，保证照片质量，同一角度至少拍摄3次以上，相片重叠率不得低于60%。

2.3.2 新建工程。打开Contextcapture工作模块后台运行，然后打开Contextcapture主控模块，新建一个工程项目，命名为pinguo。Contextcapture工作模块主界面，如图1所示。

2.3.3 导入照片。选择添加影像，将之前使用相机获取的影像导入工程中，检查图片的相机参数，剔除参数不一致的图片，进行下一步空中三角测量。

2.3.4 空中三角测量。为了能够让无序的图片影像在三维空间中相互对齐，并构建与真实状态下相接近的统一的空间模型，就需要对影像进行空中三角测量操作[4]。由各单条航线独立建立各自的航带模型，每个航带模型单元要各自概略置平并统一在一个共同的坐标系中，最后进行整体平差运算。为此，要对各航带列出各自的非线性改正公式（使用二次或三次多项式或二次正形变换公式），按最小二乘法准则统一平差计算，求出各条航带的非线性改正参数。

整个操作过程中，不触及被量测目标即可测定其位置和几何形状，不受通视条件限制，摄影测量平差时，区域内部精度均匀，且不受区域大小限制，如图2所示。

2.4 导出试验模型

Contextcapture可生产的三维模型主要是S3C、OSGB、OBJ、3MX等格式，本次试验流程生产3MX格式模型，可以在Acute3D Viewer软件上查看其三维实景模型;生产OBJ格式模型，可以在Geomagic Wrap 软件上查看其三维实景模型。生产项目分类图如图3所示。

3 试验结果及后期处理

3.1 试验结果及分析

通过Acute3D Viewer、Geomagic Wrap查看模型生产效果，模型效果非常好，除部分漂浮碎片外，无其他影响模型效果的瑕疵，整体效果完好。没有出现破碎、凸出、凹陷、纹理丢失等常见问题。

3.2 后期处理

3.2.1 Geomagic Wrap修复。选择导出的模型文件中的OBJ格式文件，使用Geomagic Wrap打开。观察模型的整体效果，发现存在悬浮的碎片，选择左上方流形功能键，打开流形，可以直接删除部分细微的小碎片;然后选择贯穿直接选择碎片，点击Delete键删除即可。

此外，通过对大量模型数据的建模效果及后期模型处理来看，目前主要存在以下几个主要的问题[5]：①幾何修复，对破洞进行修补，凸包抹平并还原，删除空中漂浮碎片;②细部整饰，重要地物和标志物的三维模型整饰或替换;③纹理修补，替换或修补不均匀纹理、清晰度不够的纹理。

实际上，纹理映射和曲面平滑始终伴随着几何修复的过程[6]，如何在几何结构修复的同时提高从倾斜影像中提取纹理的速度，是目前主要的问题之一。

修复之后的模型效果图如图4所示。

3.2.2 模型与网页交互的运用。上文已经介绍了模型的生成原理、生成所需工具及后期简单处理，但是模型的生成绝不只用来观赏，应该发挥其价值。鉴于此，模型与网页交互的运用是一个比较好的应用方向。

通过先进的实景三维重建技术，利用三维实景建模技术把现实的真实对象变成超真实感的数字模型，如盆栽、水果生活用品、岩石标本、真人模型等，然后通过SU创建三维场景，如公园、山谷、庭院。把模型与场景相结合。使原本各自独立的模型，通过特定的场景聚合在同一个场景之中，具有一定的经济价值。

4 结语

随着技术的不断进步，三维实景建模技术必将更加简单化、智能化、产业化，在未来各方面的应用也将更加广泛，并发挥更广的作用。通过相机获取影像、导入Smart3D生成三维实景模型，同时运用其他软件对模型进行修复、对细节进行更加细致的处理，就可以使原有的模型永久保存下来。此外，通过这一项技术建立模型，就将会拥有一个大型的素材库，与此同时还将会获得较大的经济利益。

参考文献：

[1]卢秀山，李清泉，冯文灏，等.车载式城市信息采集与三维建模系统[J].武汉大学学报（工学版），2003（3）：76-80.

[2]王琳，吴正鹏，姜兴钰，等.无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用[J].测绘与空间地理信息，2015（12）：30-32.

[3]戴竹红，李柳兴，邹发东.基于SMART3D的实景三维建模与应用[J].广西城镇建设，2015（4）：113-115.

[4]范攀峰，李露露.基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究[J].测绘通报，2017（S2）：77-81.

[5]谭仁春，李鹏鹏，文琳.无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[J].测绘通报，2016（S2）：193-196.

[6]张瑞瑞，艾海滨，张力，等.附加约束条件的半自动复杂建筑物重建方法[J].测绘通报，2015（11）：64-68.