基于倾斜摄影的实景三维建模技术研究与实践

高晓林 张辉

基金项目：本论文为2020年度国家艺术基金（一般项目）传播交流推广项目“唐十八陵雕塑艺术的新媒介传播平台建设”研究成果，项目编号：2020-A-04-（084）-360

摘要：目的：随着无人机技术的飞速发展，无人机倾斜摄影技术被广泛应用于智慧园区、数字工厂、历史文化保护等领域。运用无人机倾斜摄影技术，能够快速、高效地获取具有真实纹理的地面实景三维模型数据，具有建模速度快、真实纹理强、生产成本低、模型精度高等特点，现已成为主流的实景三维模型生成方式，通过倾斜摄影技术对大遗址文化进行三维重建的方式逐渐被广泛接受。方法：文章以唐桥陵为实景三维建模研究对象，介绍倾斜摄影技术在前期各工作环节的应用步骤和方法，探讨倾斜摄影技术在实景三维平台建设中的应用。结果：通过数字化三维重建，优化处理产出的唐桥陵实景三维模型，再将其与Unity 3D平台结合，通过一定的信息可视化和交互设计，设计进入神道、导游模式、面积测量、光影变化、720°全景展示等交互功能，帮助用户快速了解唐陵的地理概况、陵园构造和三维模型信息，为唐陵文化的宣传提供新思路和新方法。结论：通过搭建唐桥陵实景三维平台，对唐陵进行了数字化保护，填补了唐代帝陵在实景三维领域的空白，为其他文化遗产建模研究及数字化保护工作提供了实例和一定的参考。

关键词：倾斜摄影；实景三维；交互设计

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）02-00-03

0 引言

随着数字技术的不断发展，倾斜摄影这种现代化的三维建模方式成为实景三维建模的重要手段之一。倾斜摄影是一种通过倾斜角度相机拍摄来获取地表物体的立体影像信息的技术，其优势在于可以快速、高精度地获取大面积地表物体的几何信息，同时能够记录地表物体的纹理、色彩等特征，提供更真实、更具细节的模型。通过倾斜摄影技术，可以创建高度逼真的三维模型，将文物、古迹、建筑等实物呈现在数字环境中，为用户提供一个便捷的观测、学习和保护的平台［1］。本研究使用大疆Mavic 3无人机采集数据，结合Context Capture实景三维建模软件生成三维模型，再通过Maya、Model Fun等软件优化三维模型，最终将模型导入Unity 3D中实现一定的交互设计。

1 倾斜摄影建模方案设计

1.1 航测范围确定

摄区位于中国陕西省渭南市蒲城县城西北15千米处的唐桥陵，是唐睿宗李旦的陵寝。唐桥陵陵园略呈长方形，东西长约2871米，南北长约2836米，总面积约为852万平方米。陵寝西侧有5座山峰，分别高达780米、769.2米、736.7米、690.5米、637.1米。而北侧则是一个以高程806米的主峰为中心，环列多座山峰的山区，其山形雄伟壮观，气势磅礴。确定航测范围后对摄区进行倾斜摄影和正射影像采集，采集面积约8平方千米。

1.2 数据采集方法

首先对倾斜摄影建模对象进行建模实验，在前期工作中对唐建陵、唐崇陵、唐乾陵等多座唐代帝陵进行倾斜摄影三维建模的尝试，笔者发现在100米或120米的高度进行倾斜摄影三维建模的效果并不理想，难以获得较为清晰的神道石刻建模成果，建模的精细度有待提高。经过多次实验对比，结合对相关理论知识的研究学习，最终得出结论：在对唐陵陵园进行倾斜摄影三维建模时，除陵园整体的三维建模外，还要对陵园神道进行精细化建模，通过多层航线拍摄，可以获得较为清晰的神道石刻建模效果。对于非神道区域，建模的精度要求可以适当降低，在不影响观感的前提下尽量压缩模型的体积，以减少后续的模型处理工作量。

1.3 航测路线设计

在开始唐桥陵航测之前，必须先进行现场调查和仪器检查，以确保航测路线的正确性和可靠性。为获得高质量的影像，必须精心设计航测方案，确定拍摄日期，并且采用南北方向飞行，共设计了89条航线，其中航向重叠度不低于80%，旁向重叠度不低于70%，地面分辨率达到3cm，应根据实际情况和条件调整具体的飞行计划和飞行高度，以确保顺利完成航测［2］。

2 实景三维模型生成与优化

需要借助专业的三维建模软件生成倾斜摄影三维模型，当前市面上的选择有很多，如Context Capture、Pix4D、Reality Capture等软件，对比分析实际的建模效果之后，笔者最终选择以Context Capture软件生成实景模型，通过该软件可以得到质量较高的三维模型。

倾斜摄影模型普遍存在体积过大和加载慢的问题，这主要是因为倾斜摄影模型通常包含大量的三维点云数据和纹理信息，数据量较大，同时需要进行复杂的渲染和处理操作，导致加载速度变慢［3］，优化产出的实景三维模型成为重中之重。经过大量的尝试和不断试验，笔者最终确定使用Autodesk旗下的Maya软件进行模型的面数优化。

2.1 基于Context Capture生成唐桥陵三维模型

Context Capture是一款高性能的三维建模软件，它简单易用，数据兼容性强，人机交互界面友好。该软件可以满足各种复杂的建模需求且运行速度较快。该软件在运算性能和硬件配置兼容性方面表现优秀，是目前全球最先进的三维建模软件之一［4］。

Context Capture作为一种先进的三维自动建模系统，能够根据用户需求，提供多样化的图像数据和多种附加信息［5］，如GPS坐标、INS坐标、控制点坐标等。通过调整输入的参数，可以创造出具有逼真纹理的高清三角网格模型，它可以清晰地展示出建筑物的外观、结构和细微差别。通过获取更高的影像分辨率和精度，可以创建更加精细的三维模型，从而提高模型的细节精准度。

2.2 三维模型的优化处理

得到三維模型后，需要对其进行优化处理，以达到项目使用要求。模型处理主要涉及两个部分：第一个部分是模型修饰，在生成倾斜摄影实景三维模型时，通常会遇到模型缺陷问题，为得到更高精度和更好细节的三维模型，需要进行模型修饰；第二个部分是模型减面，减面是为了缩小模型体积，促使实景三维模型流畅加载。

2.2.1 优化缺陷——模型修饰

模型修饰是对生成的三维模型进行调整、修改和优化，使其更符合实际需求和应用场景。常见的修模软件有DP-Modeler、Model Fun、3DS Max，笔者在本项目中选择武汉大势智慧科技有限公司研发的模方（Model Fun）作为实景三维模型编辑修复工具，该软件可以帮助用户快速、准确地修复实景三维，提供了多种便捷的模型修复模式，具有立面修补、删除底部碎片等多种功能，可以满足用户的多种需求［6］。

2.2.2 优化数据——模型减面

减面是一种优化、提升三维模型性能和效率的技术手段，在进行减少面数处理的同时，需要保证模型的细节和准确性不受影响［7］。因此，要采用一些特殊的算法来优化减少面数处理的效果，以尽可能保证模型的细节和精度。笔者经过大量的实验对比研究，发现相较于Unity 3D自带的减面插件，相同面数下，Maya软件生成的模型更佳，故选择该软件进行模型的减面优化。

在唐桥陵倾斜摄影建模案例中，模型体积巨大且面数很多，初始面数有1.2亿面，过大的模型体量导致加载过慢，本项目将模型分成10份依次导入Maya中进行减面，使面数降到了700万面，在保证原始贴图的同时极大地提高了模型的加载效率，从而使唐桥陵实景三维平台的搭建和发布更加顺利。

3 实景三维平台设计实践

Unity 3D是一种跨平台的游戏引擎，被广泛应用于游戏、建筑、医疗等领域，它提供了强大的3D图形渲染和物理模拟功能，可以为用户呈现高度逼真的场景和效果。在唐桥陵实景三维平台中，交互功能设计是至关重要的一环，该平台的交互功能设计包括多种交互方式，如导游模式、光影变化、语音播放、测量功能等，以提供多样化的用户体验。同时充分考虑用户的操作习惯和使用场景，提供符合用户需求的交互方式［8］。唐桥陵实景三维平台将唐桥陵倾斜摄影模型导入Unity 3D引擎中，通过一定的交互设计，为用户提供更加真实的感觉和交互体验。该平台还可以帮助用户更加深入地了解唐代历史和文化，增强用户的参与感和学习效果。

3.1 简洁清楚的界面设计

在唐桥陵实景三维平台设计中，首先需要明确唐桥陵实景三维平台要向用户展示哪些内容，要使用户能够通过清晰的页面布局快速找到所需信息［9］。笔者使用层次分明的页面结构，使用大标题、子标题、段落、图表等来组织信息，同时清晰地展示唐桥陵的位置信息及是否被盗等信息。此页面尽量确保各个元素的设计风格一致，包括字体、颜色、图标等，以提高、优化用户的使用效率和体验，使用户更容易理解页面中的信息。简洁明了的语言文字可以帮助用户更好地理解页面中的信息。在设计过程中，笔者选择更简单易懂的语言来完成信息展示，方便大多数用户使用和观看。

3.2 融合元素的图标设计

融合唐陵元素的图标设计要将唐陵文化的元素与图标设计相结合，以体现唐陵文化的特色和价值［10］。在本项目中，笔者制作文本界面背景时，选择唐桥陵石狮和瑞兽云纹作为视觉元素，将其融合到图标中，还需要注意唐陵元素与其他元素之间的平衡和协调，以确保整体设计和谐美观。

3.3 基于GIS的地图制作

利用GIS地图技术能够有效整合多个不同的数据类型，包括地理位置信息、地形、气象等，从而全面、准确地分析地理空间［11］。通过GIS技术，可以将各种数据信息与地理位置关联起来，进行整合和分析。本项目以GIS技术为基础，以唐桥陵实景数据为底图，通过电子地图下载器中的百度地图，下载最高层级的15级的卫星图，将图片合成为实景三维背景地图。

3.4 第一人称的漫游体验

第一人称的漫游体验是虚拟现实技术的一种应用，指用户在虚拟环境中以自身视角进行探索和互动的一种体验。相较于传统的虚拟现实技术，第一人称漫游体验具有高度的沉浸感和身临其境的感觉，这种体验方式使用户能够更加深入地融入虚拟世界中，并与其中的元素进行深度交互。

在Unity 3D游戏引擎中，角色控制器组件（Char-acters）是一个强大的工具，可以利用它实现对虚拟物体的多种操作。在Import Package中添加该组件，就可以控制物体的位置、速度、加速度等参数，用户可以通过W、S、A、D这四个按钮来操纵物体的上下、左右、前后移动，从而实现第一人称的漫游体验。用户可以通过点击第一人称按钮自由地游览各个角落，也可以自主选择行动路线。在漫游的过程中，用户可以欣赏唐陵的建筑物和景观细节，沉浸式体验唐陵文化。

4 结语

通过本文的研究，笔者将倾斜摄影技术应用到唐代帝陵遗址的数字化保护中，并建立起一个数字化保护新平台。通过跨学科研究，找到一种新的唐陵文化传播方案，即采用最先进的倾斜摄影技术，进行唐陵陵园的实景三维建模，再通过实景三维平台的开发，使用户在线上即可欣赏唐陵，从而打破了野外大型文化遗址的时空场域限制，优化了用户的视觉体验，有助于更好地保护和传承唐陵的历史文化。本文以跨学科的研究为基础，使用倾斜摄影技术、三维建模技术、计算机图形处理技术、虚拟现实技术为唐桥陵找到了一种适应当今时代的传播方案与方法。通过倾斜摄影实景三维建模技术研究，唐桥陵文化遗址得以深入开发，可以增加人们对实景三维技术的认知，也有利于保护和传承唐陵文化。

参考文献：

［1］ 周成虎.实景三维应用与发展［M］.北京：中国电力出版社，2023：33-34.

［2］ 宋碧波.倾斜航空实景影像系统构建关键技术研究［D］.焦作：河南理工大學，2012.

［3］ 缪玉周.消费级无人机倾斜摄影测量技术在构建城市真三维模型中的应用研究［D］.南昌：东华理工大学，2018.

［4］ 崔毅.基于数字摄影测量系统的三维量测与应用［D］.北京：北京建筑工程学院，2011.

［5］ 韩东升.古建筑三维重建与虚拟展示应用研究［D］.鞍山：辽宁科技大学，2021.

［6］ 杨奇，车明.三维数字沙盘标准模块的设计与实现［J］.计算机工程，2017（3）：17.

［7］ 宗平，朱洪波，黄刚.智慧校园设计方法的研究［J］.南京邮电大学学报（自然科学版），2010，30（4）：15-19.

［8］ 师悦.从表现到体验：技术背景下信息可视化设计的多样呈现［J］.艺术百家，2019，35（5）：206-209.

［9］ 杨祥民，张靳.南朝石刻艺术的数字化保护与设计［J］.装饰，2020（2）：130-131.

［10］ 覃京燕.文化遗产保护中的信息可视化设计方法研究［D］.北京：清华大学，2006.

［11］ 胡祎.地理信息系统（GIS）发展史及前景展望［D］.北京：中国地质大学，2011.

作者简介：高晓林（1997—），男，山东东营人，硕士在读，系本文通讯作者，研究方向：影像艺术与信息设计。

张辉（1970—），男，陕西西安人，硕士，教授，研究方

向：影像艺术与信息设计。