岩矿石标本三维重建技术优化

李 锐， 张 娅， 陈志军

（1.桂林航天工业学院a.理学院；b.大数据研究中心，广西桂林541004；2.桂林理工大学材料科学与工程学院，广西桂林541004；3.中国地质大学（武汉）资源学院，武汉430070）

0 引 言

岩矿石手标本具有原始性、客观性、唯一性与不可再生性。地质过程中地质标本获取成本高，管理难度大，服务利用条件复杂。以岩芯标本为例，岩芯标本的获得需要花费大量的人力物力，且常因采样、风化等因素造成岩芯错乱、缺失和破坏。需要建立庞大的实体岩芯库来存放岩芯，但也会因为风化的影响致使岩芯质量变差。结合地球科学实验教学现状，矿床学手标本数量有限，学习人数多且实验室空间局限，导致实验课程安排紧张，致使学生学习时间缩短，不能深入研究地质现象。

目前，国内多家地质类高校、科研所的教育信息化工作正如火如荼地开展。由中国地质大学（北京）、中国地质大学（武汉）、中国地质博物馆等7 家以上国家级岩矿化石标本资源保存单位共同创建“岩矿化化石资源共享平台”［1］。该平台从2003 年创建至今，以二维图像的形式完成4.1 万件岩矿化石标本资源的数字化，完成古生物化石群专题2 个，中国典型矿床专题10 个，珠宝玉石手机版电子书19 部，建立了岩石学专题——中国榴辉岩专题，并建立了含1 200 张精美图片的矿物晶体专题图片库［1］。中国地质调查局国土资源实物地质资料中心组织实施全国实物地质资料摸底调查，初步掌握实物地质资料管理现状，截止2017年2 月底，已经拥有或者正在建设中的实物地质资料资源库有20 个省份，占全国65%［2］。该中心按照典型性、代表性、特殊性、系统性原则接收和采集611 份实物地质资料、954 个钻孔、485 083 m岩芯、26 017 块普通标本、314 个大型矿石标本、46 261 片光薄片，初步形成了以典型矿山岩芯和区调标本为主体、以大陆科钻岩芯岩屑和“金钉子”标本等为精品的国家实物资料馆库藏体系［3］。上述的两大平台收集整理数量庞大的地质标本，并借以图像、视频等可视化方式进行传播，在地质标本数字化方面踏出重要一步。

但是结合当今大数据技术、云技术、可视化技术的发展，各行各业的三维模型如雨后春笋一般涌现。新的传播方式相比图像、视频更具吸引力。运用数字化技术、网络技术、虚拟现实技术集成整合数字化岩矿石、岩芯、矿石光片等实物地质资料，实现矿床学实物地质资料三维交互演示、在线提供服务［4］。优化岩矿石手标本三维建模技术，获得纹理更加清晰的三维模型。为将来的多种矿床学实物地质资料三维建模提供保障，为“互联网＋地质教育”提供技术支撑。

1 三维重建技术研究现状

随着计算机视觉发展，虚拟仿真现实技术在各行各业都受到了广泛关注。三维重建技术作为虚拟现实的基础性技术也趋向多样化。目前常用的三维建模技术分为3 类，①基于几何模型建模技术［5-6］，该技术仅适结构、纹理简单的地质标本，如色泽较暗的岩石标本［7］。缺点是不能很好地适用于种类繁多、纹理结构复杂的岩矿石标本。②激光扫描法［8-9］，该技术可瞬时得到空间点云数据，并可快速构建结构复杂、纹理清晰的三维模型［10］。该技术精度高、省时省力，但成本相对较高，适合一些价值较高的实物标本建模。③多视图图像三维建模技术［11-13］。该技术已应用在文物保护、医学研究、城建、军事等诸多方面［14-16］。具有低廉，实用能力强、模型质量高等优点，很好地适用于数量众多的岩矿石标本。

特别是近些年，无人机航飞高质量照片的快速获取，使得基于多视图三维重建技术开展较大场景的三维建模应用［17］。随着相机镜头的成像质量和分辨率的大幅度提高，以及数码相机、智能手机的高性价比，使得基于较小尺度场景的三维建模有了更广阔的发展空间。在地质标本的三维模型构建中，陈志军及其研究团队［18-19］在国内率先开展了岩矿石、岩芯标本的三维建模及其虚拟展示研究，并在实际应用中获得了同行的高度关注。

2 三维重建软件优选

多视图图像三维重建方法，催生了一些相对成熟的三维重建软件。本文选取Autodesk ReCap photo、3DF Zephyr、PhotoScan 线上、线下两种类型软件。以岩芯样品为例，分别构建了三维模型（见图1）。从图中可见，3DF Zephyr软件重建出的岩芯三维模型，形态完整，纹理相对其他两个软件的模型更为清晰，PhotoScan软件构建的岩芯三维模型形状完整、纹理较为清晰，Autodesk ReCap photo软件构建的三维模型形状也完整，纹理较为清晰。综合从建模平均时间、建模质量、模型可编辑性方面综合比较3 个软件对地质标本的三维重建的性能（见表1）。从建模质量上看，3DF Zephyr 建模软件比其他两个软件稍好。此外，PhotoScan软件提供了更多的实用工具，可以对三维模型进行提取、测量等编辑工作。因此，本文选择PhotoScan软件作为建模工具开展研究，下面介绍基于PhotoScan软件优化建模过程，以此获得高质量的三维模型。

表1 不同软件建模性能比较

图1 不同软件三维模型效果比较

3 基于PhotoScan软件的建模优化

3.1 优化原始图像质量

原始序列图像是虚拟三维模型的基础，图像质量直接决定最终建模效果，影响照片质量的关键因素有：分辨率、景深大小、感光强度，焦距等。提升图像分辨率可在一定程度上提高模型整体质量，尤其是模型放大时的纹理精度。但提升图像分辨率同样需要考虑建模运行成本，经验分辨率为6 096 ×4 096，本次图像纹理分辨率为6 096 ×4 096。光圈值大小决定进光量，小光圈（大F 值）会减少进光量。相反，大光圈（小F值）会增加进光量。与此同时，光圈值的大小对景深也有影响。小光圈大景深，大光圈小景深，图2 展示了光圈值对景深以及特征点数量的影响。使用摄相机对同一位置建模物体拍摄不同光圈值图像，考虑到小光圈（大F值）会减少进光量，拍摄时降低快门速度或提高感光度来保证两张照片有相似的曝光强度。使用Visual SFM软件提取了两张图像的特征点，结果表明，大景深能够获得被摄物体前后更大的距离范围，也保证图像更多特征点被提取出来，提高图像匹配精度，进而提高模型质量。感光强度理论上而言，拍摄环境光线充足情况下感光强度越低图像质量越高，相反，图像质量就越低。但是实际上要综合考虑各个参数的综合设置，不能一味的设置低的感光强度。实验表明感光度低于100，在保证图像清晰的情况下降低快门速度，减小光圈值得到的图像光线偏暗，推荐拍摄时ISO 值范围为200 ～640，与此搭配的快门速度为100，光圈值F11 ～F13。针对不同表色的标本，ISO 在这个范围随机而变，且不同大小的标本，光圈值也随之改变。拍摄图像是焦距适中，与光圈值结合设置，得到优质标本图像。总而言之，不同的假设和改变目的都是为了能真实反映标本的特征系列图像，最终获得纹理清晰、模型完整的虚拟仿真三维模型。

图2 不同景深大小对特征点个数的影响

3.2 优化建模操作

利用PhotoScan 常规建模过程对齐照片—生成密集点云—对齐堆块与合并堆块—生成网格与生成纹理。常规建模操作在对齐照片，合并堆块两步常会出现照片不能对齐，堆块不能合并等问题。优化建模操作包括两点，①建模部分图像增加蒙版；②建模过程中生成稀疏点云与生成密集点云切换。

（1）添加图像蒙版。添加图像蒙版提高模型重建成功率。该操作帮助软件不再剔除蒙版内的特征点，尽可能提取描绘标本本身的特征点，提高对齐照片成功率（见图3）。从图像中能够看出没有添加蒙版的图像容易受到周围环境的影响，严重干扰特征点提取。如图3（a）所示，矿石上有效特征点数量少，周围环境有效特征点数量多，这种情形最终导致对齐照片失败。与此同时，添加蒙版的图像特征点有效地集中在矿石上，如图3（b）所示。在实际操作中，图像添加蒙版数量是不定的。如果少量的蒙版数量不能支持成功对齐照片，则需要添加更多的图像蒙版，以及扩大蒙版范围。一般情况下，50 张照片推荐蒙版数量10 张。

图3 添加蒙版对图像特征点提取的影响

（2）切换生成稀疏点云与生成密集点云步骤。根据实验，对颜色单一且形态规则的标本（如方盒子）建模时，在生成稀疏点云之后，必须生成密集点云。如图4 所示，利用装着标本的长方体盒子生成密集点云后的模型与生成稀疏点云后的模型。图4（a）所示为稀疏点云生成的标本模型，盒子长边、宽边凹凸不平。图4（b）所示为稀疏点云生成模型的网格，网格曲线不紧密，长宽边网格线条扭曲。图4（c）所示为生成密集点云后的标本模型，整体展现出长方体盒子的棱角。图4（d）所示为密集点云生成模型的网格，网格线紧密且很好地勾勒出长方体的形状。从图4 可见，稀疏、密集点云生成模型的差异十分明显。生成密集点云后的模型能完整的展示出长方体盒子的形状，有棱有角，符合实体标本的形状。生成稀疏点云的模型没有棱角，扭扭曲曲的形状不符合实体标本的形状。因此，颜色单一且形态规则的实物标本建模应严格上述建模流程。

图4 两种点云对长方体盒建模的影响

此外，经过多次试验、对比发现，岩芯、岩矿石等颜色纹理复杂，形态不规则的实物标本，生成密集点云后的模型与生成稀疏点云后的模型在纹理方面几乎没有任何差别，如图5 所示。图5（a）、（c）分别是稀疏点云与密集点云生成的模型，两者在纹理、形状结构等方面几乎没有差别。图5（b）、（d）是稀疏模型、密集模型对应的网格结构。如此一来，对于大多数岩矿石和岩芯建模步骤则可省去生成密集点云这一步，极大地减少了建模时间，提高建模效率。

图5 两种点云对岩矿石建模的影响

3.3 优化模型尺寸

三维模型是仿真实物标本。实物标本自带的属性特征，三维模型也需要尽最大可能去展现。属性特征分为外在特征与内在属性。外在特征包括颜色、纹理、形状等，内在属性包括尺寸、密度、结构等。外在特征是模型重建成功的首要标志，只有三维模型在颜色、纹理、形状等方面和实物标本类似，三维模型才算重建成功，主要与图像质量与建模步骤有关。三维模型内在属性要求服务于三维模型科学研究。如三维模型尺寸的优化。尺寸优化以输入空间点实际坐标为主要手段。图6 展示尺寸优化前后模型上相同两点间的距离差异。初始获得的模型没有尺寸优化，图6（a）所示的两点间的距离为9.59 cm，与实际距离7.5 cm相差甚远。为将三维模型的测量大小与物理尺寸一致，需要进行模型大小的校正。如图6（b）所示，以模型上刷漆标本编号作为参照物，赋予点1、点2、点3 恰当的空间位置，如点1（0，0，－0.7）、点2（0，0，0）、点（1.2，0，0），测得两点距离为7.5 cm，为实际距离。为进一步证明优化模型尺寸方法的有效性，选择多个标记点，比较三维模型上两标记点的距离（模型值）与实物标本两点间距离（实测值）如表2 所示。经多次拟合，得到y ＝0.981 97x ＋0.018 431 的线性回归方程（见图7），且判定系数R2＝0.998 69，具有较好的拟合优度。说明通过模型尺寸优化可以得到实际比例的仿真三维模型。

图6 以标本号为参照进行模型尺寸优化

表2 标记点之间模型值与实测值对比表

图7 三维模型与实物标本两点之间的距离比较

4 结 语

三维模型是一种更具力度的传播媒介，更具个性的学习方式。岩矿石虚拟仿真三维模型在一定程度上解决了岩矿石手标本不易存放、易损坏、难共享的教育现状。结合岩矿石手标本数量大，诉求多等特性，选择多视图图像技术进行三维重建，并对岩矿石手标本三维模型重建方法进行优化。经验证该套方法具有很好的鲁棒性，可以迁移应用于其他小尺度物体的三维模型优化，为将来的多种矿床学实物地质资料三维建模和“互联网＋地质教育”提供技术支撑和保障。

就岩矿石手标本三维模型而言，主要提供颜色、纹理、结构构造等特性。尚未叠加更多手标本的特征信息。并且岩矿石手标本三维模型主要用来浏览，岩矿石标本三维模型在科学研究方面的利用还比较浅薄，模型统计变量以及通过三维模型得到的统计结果与地质成矿成岩环境，成矿成岩过程的联系还需要继续探究。旨在能从三维模型角度出发，提出定量化地质条件变化证据，提供简单地质分析结果。