基于自动建模的室内实景三维展示系统设计与实现

魏曦 孙艳芝

【摘 要】本文初步探索利用室外大规模场景的倾斜摄影与三维实景自动建模技术用于室内三维实景精细模型构建的实验。该方法利用高清相机作为数据获取设备，在保证拍摄连续性、与目标物距离和一定的影像重叠度的情况下，快速构建室内三维实景精细模型，并研发了室内三维实景展示系统平台，最后介绍了该平台在大型展览活动中的应用。实验探索了全新的室内三维实景模型构建模式，模型结果更加真实，为室内三维环境构建提供了新的思路。

【关键词】自动建模;室内实景三维;高精度模型;三维展示系统

中图分类号： TM76 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0018-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.008

0 引言

在智慧城市理念的指导下，未来城市发展对城市管理与规划提出了更高的要求。深入的室内三维建模技术是现代城市管理的必要保证条件和重要技术组成部分。在室内建模过程中存在两个关键问题：快速三维建模和空间模型精度问题。然而，现代城市的功能和结构趋于多样化和复杂化，现有底层数据库的数据源和空间精度不能满足快速、真实精确的要求。

传统的室内三维模型以手工模型为主，成本高且工期长，并且相比较于三维实景模型而言真实感较差。而三维实景自动建模能够减少人工成本，缩短工期，提升模型的真实感。本文以室内三维实景展示为出发点，设计与构建室内三维实景展示系统，综合运用计算机技术、地理信息系统（GIS）技术、多媒体技术、数据库技术、图形图像处理技术、海量数据存储技术，地理信息数据处理和转换、图形编辑、三维重建技术、多媒体信息检索查询、二三维动态交互等功能于一体，将室内三维实景模型数据充分用于室内展馆展览。

1 室内三维实景模型构建

1.1 高清数据获取

为建立高精度的室内三维实景模型，首先需要进行高清影像数据获取，其主要利用高清单反相机辅助以相机高架作为高精度原始影像数据的获取手段，每张照片有效像素为3040万。在保证拍照连续的情况下，连续照片之间的横向和纵向的重叠度在80%以上。

1.2 数据处理

将获取的的高清室内影像经过分类、匀光匀色等处理后，结合第三方自动建模系统进行处理，构建室内三维实景模型数据，通过真实的三维场景进行信息集成，主要的步骤是运用光束法区域网整体平差，形成不规则三角形网格，随后运用不规则三角网构成白膜，将其三角形网格映射其中，对模型进行精细化处理后形成三维实景场景，最终得到室内每个展台的模型，如下图1所示。

a.展厅整体三维实景模型              b.单个展台模型

2 室内三维实景展示系统设计

室内三维实景展示系统空间数据基础平台建设目的是构建空间应用服务平台，采用基于WebGL、SOAP、WSDL、UDDI的Web Service技术向各应用系统提供服务，提供接口使各异构系统可方便获取数据级和应用程序级的服务。Web Service是一种新的Web应用程序分值，他们是自包含、自描述、模块化的应用，可以发布、定位、通过Web调用。Web Service可以执行从简单的请求到复杂商务处理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service应用程序可以发现并调用它部署的服务[4]。

2.1 总体架构

室内三维实景展示系统采用基于浏览器的B/S架构模式，较传统的基于组件技术和C/S模式来说更为高效便捷，其逻辑层次上总体表现为：在信息基础设施和支撑环境平台上建立空间数据基础平台的信息体系，包括基础地理空间信息数据库、地理空间信息共享与管理平台、地理空间信息应用服务平台，在此基础上建立室内三维实景展示系统，面向室内三维实景展示系统的各种信息实体和用户实体提供数字化、网络化、虚拟化、智能化应用和各种服务。

室内三维实景展示系统平台总体结构图如图2所示：

室内三维实景展示系统按其组成可分为基础数据平台、通讯链路、管理平台、Web服务四个部分。

1）基础数据平台

基础的数据平台是GIS综合服务系统服务的内容，没有数据就没有很好的服务，甚至于没有服务。基础的数据平台包含能提供空间地理位置的空间数据库、为指定的地名提供详细的地址以及其他相关信息的数据库。

2）通讯链路

通讯链路在系统中是传输数据的通道，由于用户对空间信息需求的不同，系统向用户传输的数据量也不同，因此系统就必须考虑用户所能接受的系统响应时间，而通讯链路从根本上决定了数据的传输速率，所以通讯链路的不同影响了终端上实现的功能。

3）管理平台

在整个系统中，管理平台是整个系统的核心，提供基本的地理信息服务，所有基于地理信息的服务都是基于管理平台提供的地理信息之上的。管理平台的职能是响应用户各类基本地理信息服务要求，完成用户所需信息的定制，根据不同的用户类型和不同的请求决定信息发送策略，将用户所需信息高效安全的发送到至用户。

4）Web服务开发接口

開发接口解决应用级地理空间数据共享，即应用系统通过平台提供的开发接口来访问平台地理空间数据和地理信息功能。本系统提供的开发接口是通过Web Service来实现的。客户端通过管理平台门户获取最新开发接口的Web Service地址和口令。客户端开发接口无须了解平台本身复杂、繁琐的空间数据结构和GIS功能，而直接使用与开发平台相对应的开发接口，简化开发，降低开发与集成难度，并且有效避免开发人员直接面对空间数据带来的安全隐患。

2.2 架构模式

室内三维实景展示系统采用分层式系统架构，从上至下分别为表示层、业务逻辑层、GIS支撑层、数据访问层和数据层。

1）数据层，负责存放大型关系数据库和文件;

2）数据访问层，负责数据库的访问和操作;

3）GIS支撑层，负责实现地理信息系统的相关功能和服务;

4）业务逻辑层，是整个系统的核心，与系统的业务有关;

5）表示层，是系统的UI部分，负责用户与整个系统的交互。

系统技术逻辑架构图如图3所示：

图3 室内三维实景展示系统技术逻辑架构图

2.3 系统运行模式

室内三维实景展示系统的运行模式是指各类用户如何借助室内三维实景展示系统实现各自的业务处理和逻辑应用。随着Internet技术的飞速发展，出现了现代网络计算模式。室内三维实景展示系统的运行采用基于Internet的分布式、异构互联、多协议的体系模式。该系统用户的绝大部分逻辑应用都是通过Web浏览器呈现出来的。用户的事务包括两个方面，即应用逻辑处理和网络生活方式。

用户的应用逻辑处理采用的是网络计算模式。用户通过Web服务器的安全机制登录到相关站点，提出应用处理请求（如查询、分析等），应用请求经网络传输协议传达给Web服务器，Web服务器接收到请求信息后，通过安全认证、身份识别等过程，确认用户请求的有效性。然后对用户应用进行归类，根据应用类别选择应用服务器中的应用组件，以消息形式命令应用组件完成用户的应用，或允许Web服务器下载相关组件。应用服务器将响应结果返回Web服务器，经由Web服务器传送到用户Web浏览器中。其中，对室内三维实景展示系统的数据库访问由应用组件通过ODBC或JDBC接口完成。用户不直接访问和操纵数据库中的数据，从而保证了数据的安全性。

2.4 Web GIS设计

从Web GIS的设计角度，Web GIS的设计策略可以概括为“侧重服务器”和“侧重客户端”两种策略，而两种策略各有其优缺点。

1）侧重服务器的策略

侧重服务器的策略以服务器为中心，主要目的是根据客户端的需要向其提供GIS数据和分析结果。在这种策略下，数据与数据处理软件都运行于服务器上，客户端没有数据处理能力，仅仅组织、发送请求和显示服务器的响应结果。

其优点在于如果使用一个高性能服务器，可以让一些用户访问到许多比较难于通过网络进行传输或在客户端本地处理的复杂数据;可以让一些即使没有使用复杂软件的用户也可以使用一些复杂的分析程序;可以有效地控制用户对数据的访问，以保证数据得到正确的使用。

其缺点在于任何一个请求都必须返回到服务器端进行处理，并在处理完请求后通过Internet返回响应给客户端;服务器与浏览器之间的Internet的网络带宽和流量是影响系统性能的主要因素，特别是在服务器响应需要传输大量数据的情况下，系统没有有效利用客户端计算机的处理能力，仅仅利用它提交请求和显示响应结果。

2）侧重客户端的策略

侧重客户端的策略，客户端应用程序分担了一部分原来由服务器负责的处理任务。往往是一部分GIS功能下载到或驻存于客户端，对数据的某些处理在客户端本地完成。

其优点是利用了客户端计算机的处理能力;用户可以对数据分析过程进行更多的控制;一旦服务器返回了响应，用户即可以不再通过网络与服务器进行信息交换，就可以对返回的数据进行处理。

其缺点主要表现在来自服务器的响应可能包含大量的数据或对数据进行处理的小程序，从而可能导致较长的响应等待;如果客户端处理能力不足，则处理数据量较大或比较复杂的数据比较困难，复杂的GIS分析可能运行缓慢;为了正确使用数据和分析功能，用户必须进行必要的培训。由上述可以得知，纯粹的侧重服务器或纯粹的重客户端的策略都存在明显的局限：如果需要频繁的数据传输，侧重服务器的策略情况下，系统的性能对Internet的网络带宽和网络流量非常敏感;侧重客户端的策略对客户端的计算机处理能力非常敏感。也就是说，如果某些任务超出其处理能力，则运行起来可能非常缓慢。

综合这两种策略，最终形成了一种混合型的解决办法，可以更好地发挥服务器和客户端的优势与潜力。涉及到繁重的数据库操作或复杂分析的任务让性能高的一方来承担，一般来说是服务器;涉及到用户控制的任务让客户端承担。这样，双方共享彼此的计算处理能力，从而使数据和小程序可以进行合理分配，以使整个系统的性能达到最高。

2.5 系统功能设计

室内三维实景展示系统的界面包含一个与三维地图进行交互的工具栏、展示主窗口、右侧功能窗口和主窗口下方的状态栏。其中右侧功能区包括图层管理、区域查询、两部分，可以分别选择相应的功能进行操作。系统界面如下图所示：

系统的主要功能有漫游、放大、缩小等对模型的基本操作功能，以及模型切换、二三维的联动、空间属性互查和展厅信息展示的功能。系统主界面右下角添加了功能按钮用于切换展厅导航图。点击导航图上面的展台区域即可定位至对应的展台。在展台列表上方输入展台称或展台名称关键字，按回车键或查询按钮即可搜索对应的展台并自动定位至该展台。在展台列表左侧为展台重点展示内容按钮，点击展示功能按钮即可弹出展台重点展示内容。

3 结束语

本文提出了一种基于自动建模的室内三维实景模型构建方法，其模型分辨率能够达到厘米甚至亚厘米级，可为用户提供超高精度和分辨率的室内三维模型，并以某展览展厅为例，构建了室内三维实景展示系统，给人以直观的视觉冲击以及切身感受。其目的是为展览保存历史档案，查询相关信息，保存展览真实生动的电子档案和持续利用，为以后室内三维实景展示展览提供有力保障。同时，也为室内三维模型构建提供了新的思路。

【参考文献】

[1]马威，熊汉江，郑先伟，龚健雅.室内三维场景纹理手機图片的自动更新方法[J].武汉大学学报（信息科学版），2019，44（2）：254-267.

[2]李世和.室内效果图与虚拟现实三维建模对比分析[J].电脑知识与技术，2018，14（35）：205-206.

[3]秦文.基于Web Service的分布式三维渲染[D].西北大学，2006.

※基金项目：国家重点研发计划（No.2017YFC0803300）;北京市科技计划项目（No.Z181100009818020）。

作者简介：魏曦（1986.06—），男，河北唐山人，汉族，博士研究生，中国电子科技集团公司电子科学研究院，工程师，研究方向：倾斜三维实景建模及遥感。