作者：徐正則 單位：華東師范大學(xué)傳播學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心

激光掃描儀是一種常見(jiàn)的三維掃描儀，“利用三維激光掃描技術(shù)，可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間進(jìn)行掃描操作，并可以直接實(shí)現(xiàn)各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體或?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)完整的采集，進(jìn)而快速重構(gòu)出實(shí)體目標(biāo)的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。”［１］三維掃描所獲取的數(shù)據(jù)不同于手工建模所構(gòu)造出的線、面和實(shí)體數(shù)據(jù)，掃描得到的數(shù)據(jù)稱為“點(diǎn)云”，“點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由大量的離散點(diǎn)構(gòu)成的。這些離散點(diǎn)并不是無(wú)規(guī)則的排列在一起，而是按照一定的行列間隔有序排列。”［２］可以利用三維重構(gòu)技術(shù)通過(guò)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)恢復(fù)被測(cè)表面的網(wǎng)格模型或曲面實(shí)體模型。三維掃描技術(shù)能快速完整地獲取物體的三維信息，并能夠方便有效地生成其三維模型，具有精度高、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)，首先是三維掃描儀特別是高精度的激光掃描儀硬件價(jià)格昂貴，其次模型的精度和測(cè)量點(diǎn)的間距有關(guān)，間距越小，精度越高，但需要處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量也呈幾何級(jí)增加。

基于真實(shí)照片的三維立體建模基于照片的三維建模是指使用一張或幾張不同角度的數(shù)碼照片來(lái)創(chuàng)建三維的立體模型。它克服了傳統(tǒng)建模技術(shù)的許多不足，有一定的優(yōu)越性。比如，它克服了三維掃描儀的應(yīng)用限制，由于受空間、地點(diǎn)等因素的限制（如摩天高樓等一些被測(cè)物體體積龐大），一般大型的三維掃描設(shè)備無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。這種建模方式無(wú)需昂貴的三維掃描儀就可以快速高效地創(chuàng)建復(fù)雜物體的三維模型，并且“基于圖像的建模與繪制技術(shù)為我們提供了達(dá)到照片般真實(shí)的一個(gè)自然的方法。它使我們可以用較短的建模時(shí)間、較快的繪制速度來(lái)獲得以前從未有過(guò)的照片真實(shí)效果。”［３］

基于真實(shí)照片三維建模方法的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

１、手動(dòng)建模早期，基于真實(shí)照片的三維建模方法是作為手工建模的一種輔助手段，可以在一定程度上提高建模效率。此時(shí)照片只能用來(lái)定位規(guī)則幾何體的頂點(diǎn)位置，然后根據(jù)這些頂點(diǎn)來(lái)手工創(chuàng)建模型。這種方式的局限在于只能創(chuàng)建規(guī)則幾何體的三維模型，比如大樓、書(shū)本等立方體，對(duì)于不規(guī)則的網(wǎng)格多邊形（ｍｅｓｈ）和曲面卻束手無(wú)策。

２、半自動(dòng)化建模ＥｏｓＳｙｓｔｅｍｓ公司開(kāi)發(fā)的ＰｈｏｔｏＭｏｄｅｌｅｒ和Ｒｅ－ａｌＶＩＺ公司開(kāi)發(fā)的ＩｍａｇｅＭｏｄｅｌｅｒ（現(xiàn)被Ａｕｔｏｄｅｓｋ收購(gòu)）就是兩種功能相似的工具軟件，它們可以根據(jù)幾張不同角度的照片來(lái)創(chuàng)建物體的三維立體模型，但在分析和計(jì)算三維場(chǎng)景之前，需要首先手動(dòng)放置標(biāo)記點(diǎn)，也稱參考點(diǎn)（ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＰｏｉｎｔｓ），一個(gè)一個(gè)地對(duì)齊物體的頂點(diǎn)位置，或手動(dòng)指定位于物體邊緣的參考線（ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＬｉｎｅｓ），因此也被稱為半自動(dòng)化建模。它在創(chuàng)建模型之后，還能根據(jù)照片中的像素手動(dòng)提取貼圖材質(zhì)，從而創(chuàng)建出照片級(jí)的具有真實(shí)感的三維模型。

３、全自動(dòng)化建模建立在半自動(dòng)建模工具的基礎(chǔ)上，近來(lái)隨著模式識(shí)別和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，基于真實(shí)照片的三維建模工具的功能進(jìn)一步增強(qiáng)，使無(wú)需人工參與的全自動(dòng)化建模方式逐漸成為可能，目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的相關(guān)公司爭(zhēng)相研發(fā)，力求取得關(guān)鍵技術(shù)上的突破。代號(hào)為ＰｒｏｊｅｃｔＰｈｏｔｏｆｌｙ的實(shí)驗(yàn)工程項(xiàng)目（現(xiàn)改名１２３ＤＣａｔｃｈ）是Ａｕｔｏｄｅｓｋ實(shí)驗(yàn)室（Ａｕｔｏｄｅｓｋｌａｂｓ）里的一款實(shí)驗(yàn)性工具軟件，目前處于研究、開(kāi)發(fā)和測(cè)試階段，現(xiàn)可以試用其全自動(dòng)化的建模功能。只需把同一靜止物體的多角度照片輸入，該工具會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，把這些照片傳送到后臺(tái)的Ａｕｔｏｄｅｓｋ云計(jì)算系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)大量的自動(dòng)識(shí)別和計(jì)算之后，輸出經(jīng)過(guò)了三維重建后的３Ｄｍｅｓｈ模型。由于該技術(shù)極為復(fù)雜，且容易受到物體的復(fù)雜度以及實(shí)際輸入的照片序列與理想值之間差別等各方面的干擾和影響，實(shí)際部分制作仍需要一些手工調(diào)校，以輔助計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別。基于真實(shí)照片的全自動(dòng)建模技術(shù)集中了各類優(yōu)點(diǎn)，代表了一種先進(jìn)且高效的建模方式，值得進(jìn)一步關(guān)注和研究。本文以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目ＰｒｏｊｅｃｔＰｈｏｔｏｆｌｙ為例，探索其基本建模方法和制作流程。

全自動(dòng)化建模方法、流程與技術(shù)原理

１、基本方法本文以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目Ａｕｔｏｄｅｓｋ１２３ＤＣａｔｃｈ／ＰｒｏｊｅｃｔＰｈｏｔｏｆｌｙ為例，介紹該軟件創(chuàng)建三維模型的基本方法。Ａｕｔｏｄｅｓｋ１２３ＤＣａｔｃｈ／ＰｒｏｊｅｃｔＰｈｏｔｏｆｌｙ是一種基于多張真實(shí)照片分析計(jì)算后，自動(dòng)生成具有照片級(jí)真實(shí)感（ｐｈｏｔｏ－ｒｅａｌｉｓｔｉｃ）的三維立體模型和場(chǎng)景的客戶端－服務(wù)器架構(gòu)的軟件。它通過(guò)客戶端與用戶交互，利用后臺(tái)的服務(wù)器組來(lái)計(jì)算和處理照片中的信息，最后自動(dòng)生成三維場(chǎng)景模型。它把待建模的物體歸為四種基本類型：小型靜止物體、室內(nèi)環(huán)境和裝飾物、靜止的人像以及建筑物等室外大型物體，這四種類型物體的基本建模方法如圖１所示。

２、主要流程（１）使用數(shù)碼相機(jī)拍攝原始的照片圖像集。（２）在Ａｕｔｏｄｅｓｋ１２３ＤＣａｔｃｈ客戶端中選取ＣｒｅａｔｅａＮｅｗＣａｐｔｕｒｅ，登錄Ａｕｔｏｄｅｓｋ賬戶后，可以選取步驟（１）中準(zhǔn)備的照片集，通過(guò)因特網(wǎng)把它們提交到后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算。（３）照片集被提交到后臺(tái)后，Ａｕｔｏｄｅｓｋ１２３ＤＣａｔｃｈ利用高性能的云計(jì)算服務(wù)器組對(duì)其進(jìn)行一系列的計(jì)算，生成具有照片級(jí)真實(shí)感（ｐｈｏｔｏ－ｒｅａｌｉｓ－ｔｉｃ）的三維場(chǎng)景模型（默認(rèn)為Ｍｏｂｉｌｅ最低質(zhì)量的模型）。（４）３ｄｐ格式的三維場(chǎng)景模型（ＰｈｏｔｏＳｃｅｎｅ）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被傳回客戶端后，可以在客戶端里進(jìn)行增加修改照片，調(diào)校相機(jī)的位置，手動(dòng)縫合照片，加注參考點(diǎn)，以自由視角觀察三維模型，對(duì)模型進(jìn)行修改和裁剪，重新提交后臺(tái)計(jì)算，以獲取高精度的三維模型等各項(xiàng)操作。（５）流程（２）～（４）是可重復(fù)的過(guò)程，可以不斷地對(duì)照片、模型和其它各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)校，以得到更加精準(zhǔn)、真實(shí)且高質(zhì)量的三維場(chǎng)景模型。（６）可以在本地保存已完成計(jì)算后生成了三維場(chǎng)景的文件和項(xiàng)目（３ｄｐ），無(wú)需重新向云計(jì)算服務(wù)提交，便可在本地重建。（７）可以導(dǎo)出三維場(chǎng)景文件為ｄｗｇ或ｏｂｊ格式，以便其它三維軟件如ＡｕｔｏＣＡＤ、３ｄＭａｘ、Ｍａｙａ等導(dǎo)入該三維場(chǎng)景后繼續(xù)使用。

３、方法要點(diǎn)和注意事項(xiàng)建模方法：鑒于實(shí)現(xiàn)該建模方法的主要技術(shù)原理是對(duì)于照片集的分析和計(jì)算，可以說(shuō)拍攝和捕捉照片圖像這個(gè)流程是最重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗惴ㄊ窍鄬?duì)固定的（雖然算法也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展），它作為少數(shù)幾個(gè)能由用戶所決定和控制的環(huán)節(jié)，直接決定了創(chuàng)建模型的成敗以及模型的質(zhì)量。原始的照片集是否合格，除了照片本身是否清晰、是否過(guò)暗、是否過(guò)度曝光以外，還需要滿足以下幾點(diǎn)要求：（１）應(yīng)每隔５度～１０度就圍繞建模對(duì)象拍攝一張照片，這樣４０張～５０張照片就可以對(duì)該物體進(jìn)行３６０度的全覆蓋，還可以從不同的高度（比如底部和頂部）或角度來(lái)拍攝，以盡量捕捉該物體各個(gè)部位的圖像信息。值得注意的是，由于經(jīng)過(guò)三維重構(gòu)后生成的是網(wǎng)格（Ｍｅｓｈ）模型，而不是實(shí)體模型，因此模型實(shí)際上是空心的。如果物體某一面沒(méi)有被拍攝到，這個(gè)模型就沒(méi)有閉合，從這個(gè)角度觀察模型時(shí)三維引擎的渲染就會(huì)出現(xiàn)異常。（２）照片應(yīng)盡量只捕捉建模對(duì)象，而最大化地減少其它背景圖像的干擾，可以使用二維圖像制作工具如ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ來(lái)裁剪圖像。（３）如建模對(duì)象是人像，就如同畫(huà)人像素描一樣，拍照時(shí)人應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。目前還無(wú)法對(duì)活動(dòng)的物體進(jìn)行建模，因?yàn)樵撟R(shí)別是基于照片中的像素的，且假設(shè)物體是靜止的，只是因照相時(shí)的角度不同才使同一個(gè)像素的位置發(fā)生了偏移。（４）如建模對(duì)象為建筑物等宏大物體，不要讓鏡頭前有移動(dòng)的物體或靜止物體如樹(shù)木遮擋建筑物的外觀。這類建筑物般的宏大物體應(yīng)以中遠(yuǎn)距離拍攝為主，鏡頭不要推得太近，使照片中只剩下過(guò)度細(xì)節(jié)的部分，從而不利于計(jì)算時(shí)分析照片中部位在整體所處的位置，以及相機(jī)的方位。如果需要建筑物呈現(xiàn)出細(xì)節(jié)部分，也可以近距離地拍攝幾張照片作為補(bǔ)充。（５）目前由于后臺(tái)計(jì)算算法的不完善，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)透明狀的被攝物體或照片中出現(xiàn)由光線反射所形成的高光亮點(diǎn)。最好在明亮的環(huán)境中拍攝，不要使用閃光燈。也應(yīng)該避免出現(xiàn)陰影，這些都很有可能造成軟件引擎無(wú)法有效識(shí)別照片中的像素，影響模型的質(zhì)量或使照片無(wú)效，而不能產(chǎn)生建模用的網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)。圖３進(jìn)行了相應(yīng)的展示，可見(jiàn)由于物體表面光滑易反光形成亮點(diǎn)，造成自動(dòng)生成模型的部分表面坑坑洼洼。（６）軟件引擎需要識(shí)別各個(gè)照片中的像素，來(lái)判斷被攝物體和相機(jī)的相對(duì)位置，以便能把照片集都縫合（Ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ）在一起，照片與照片之間的像素至少要有５０％的重疊部分。建模注意事項(xiàng)：為了得到更接近真實(shí)的三維模型，可以不斷地調(diào)校，實(shí)際上流程（２）～（４）是可重復(fù)的過(guò)程。可調(diào)校的參數(shù)對(duì)于最終生成的三維模型具有很大的影響，具體包括：（１）可能是由于原來(lái)照片中細(xì)小的缺陷，也可能是建模算法還不夠完善，模型建立后應(yīng)從各個(gè)角度仔細(xì)觀察與原有物體之間的差異。對(duì)于模型中不精準(zhǔn)的部位，可以通過(guò)增補(bǔ)或替換照片來(lái)重新計(jì)算結(jié)果，也可以通過(guò)加入物體局部的照片來(lái)提高模型細(xì)節(jié)部分的表現(xiàn)。（２）相機(jī)的標(biāo)定和方位識(shí)別。如果相機(jī)標(biāo)定出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)造成不相鄰的照片被錯(cuò)誤地縫合在一起，而所有照片準(zhǔn)確無(wú)誤地縫合在一起，是建立精確三維模型的前提和關(guān)鍵因素。照片縫合錯(cuò)誤主要由兩種原因造成，首先是在相鄰的照片間缺少足夠重疊的像素；其次是某些照片間的相似點(diǎn)太多，計(jì)算機(jī)無(wú)法有效識(shí)別，比如從建筑物各個(gè)角度拍攝的照片大同小異，有時(shí)連人眼也無(wú)法分辨其中的差異。對(duì)于無(wú)法識(shí)別而錯(cuò)誤縫合在一起照片，此時(shí)首先需要手動(dòng)對(duì)其進(jìn)行解耦合（ｕｎｓｔｉｔｃｈｅｄ），然后通過(guò)添加參考點(diǎn)或參考線條的方法來(lái)幫助計(jì)算機(jī)更好地識(shí)別。比如對(duì)多張照片中出現(xiàn)的同一位置，可以加入?yún)⒖键c(diǎn)，讓計(jì)算機(jī)知道Ａ圖中的這里，其實(shí)就是Ｂ圖中的那里。此外，也可以進(jìn)行手動(dòng)縫合（Ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ），來(lái)避免因計(jì)算機(jī)無(wú)法有效識(shí)別而不能準(zhǔn)確縫合照片的問(wèn)題。（３）可以調(diào)整模型的質(zhì)量精細(xì)等級(jí)來(lái)得到效果更好的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型的精細(xì)度與網(wǎng)格的分辨率也有很大的關(guān)聯(lián)，Ａｕｔｏｄｅｓｋ１２３ＤＣａｔｃｈ中所生成的網(wǎng)格質(zhì)量精細(xì)等級(jí)分為：Ｍｏｂｉｌｅ（計(jì)算速度最快，最低分辨率的網(wǎng)格），Ｓｔａｎｄａｒｄ（計(jì)算速度和網(wǎng)格的分辨率都適中），Ｍａｘｉｍｕｍ（計(jì)算量最大，分辨率極高的網(wǎng)格）。由于分辨率越高，所需的計(jì)算量就越大，為了在保證模型質(zhì)量的前提下盡量提高建模的效率，可以在調(diào)校階段先使用低分辨率的網(wǎng)格構(gòu)建草圖級(jí)的模型，然后進(jìn)一步地精細(xì)化。