基于点云数据的复杂建筑体真三维建模与应用

传统建筑物三维建模方法费时费力、精度低、采用接触式测量,且仅能获得建筑物少量特征点及线状数据。与传统测量方法相比,地面三维激光扫描技术(Terrestrial Laser Scanner,TLS)方法可快速、高效、非接触式地获取建筑物表面高精度三维信息,因此其较传统建筑物三维建模方法优势显著。以古田会议旧址为研究对象,首先介绍了研究目标的主要特征以及点云数据采集方案;其次以高复杂度建筑物建模为需求出发,详细阐述了点云数据预处理及建筑物三维模型重建相关核心技术及方法;并重点讨论了与其相关的点云数据配准拼接、去噪简化、二维轮廓线提取、三维实体重建;最后实现古田会议旧址高复杂度三维几何模型重现,并采用先进的3D打印技术按1∶40比例尺制作3D打印点云数据的微缩模型。通过与实地测量数据对比分析得知,采用地面三维激光测量方法采集点云数据的建筑物建模精度优于传统测量方法。此研究成果可应用于古田会议旧址等文化遗产的文物修复、变形监测、虚拟重现等方面。     

基于三维激光扫描的物体重构建模

物体拍摄环境具有测量数据量大、物体外轮廓信息复杂等特点,采用当前方法能够获得物体精确的三维点云数据,但缺乏颜色和纹理信息,导致物体重构精度不高,真实感较差;为此,提出一种基于三维激光扫描的物体重构建模方法;该方法通过三维激光扫描技术获取物体点云数据,采用显式的欧拉积分方法对物体整个三维曲面进行平滑,依据三角生长法进行物体三维空间三角划分,将物体网格顶点向球面进行映射,由此构造物体三角网格模型,通过迭代最近点算法对物体非同步点云数据初步匹配结果进行精确配准,利用最近点搜索算法将经多视图立体视觉算法优化后的物体颜色信息和三维点云数据坐标相融合;实验结果表明,所提方法可以快速精确地建立物体三维重构模型,验证了所提方法的可行性。     

基于多视角三维扫描数据的图像配准

三维激光扫描是上世纪90年代发展起来的一门新兴技术。考虑到测量设备测量范围的限制和被测物体外形复杂性等,单次扫描无法获得完整的、精确的模型。从而需要从不同的视点对被测物体进行扫描。一些高精度的扫描仪除了可以获得三维点云数据,还可以获得一种散乱的纹理图像。本文根据纹理映射的原理和逆向工程的思维,将扫描仪得到的点云数据和纹理数据通过一系列步骤提取出图像信息,再利用仿射变换的原理计算出二维投影图像的信息,然后准确地提取出二维投影图像。最后,采用基于SURF特征点提取算法,对提取出的两幅二维投影图像进行了配准。     

民族文化遗产数字化保护技术概述

当今时代计算机的迅速发展和图形图像处理技术及虚拟现实技术的不断提高为民族文化遗产的数字化保护奠定了坚实的基础。该文介绍目前数字化处理的关键技术,如三维激光扫描数字建模技术、点云数据的处理、三维彩色模型实现方法等以及数字化民族文化遗产对民族文化遗产的保护有着十分重要的作用。同时,通过对比、研究国内外数字化文化遗产的相关情况,说明将民族文化遗产数字化是一种必然趋势。     

基于二维点云图的三维人体建模方法

近年来基于二维图像的三维建模方法取得了快速发展,但就人体建模而言,由于摄像头采集到的二维人体图像包含衣物、发丝等大量的纹理信息,而像虚拟试衣等相关应用需要将人体表面的衣物褶皱等纹理信息去除,同时考虑到裸体数据采集侵犯了用户的隐私,因此提出一种基于二维点云图像到三维人体模型的新型建模方法。与摄像机等辅助设备进行二维图片数据集的采集不同,该算法的输入是由三维人体点云模型以顶点模式绘制的二维点云渲染图。主要工作是建立一个由二维点云图和相应的人体黑白二值图构成的数据集,并训练一个由前者生成后者的生成对抗网络模型。该模型将二维点云图转化为相应的黑白二值图。将该二值图输入一个训练好的卷积神经网络,用于评估二维图像到三维人体模型构建的效果。考虑到由不完整三维点云数据重建完整的三维人体网格模型是一个具有挑战性的问题,因此通过模拟二维点云的破损和残缺状态,使得算法能够处理不完整的二维点云图。大量的实验结果表明,该方法重建出的三维人体模型能够有效实现视觉上的真实感,为了对重建后的精度进行定量的分析,选取了人体特征中具有代表性的腰围特征作为误差评估;为了增加三维人体模型库中人体形态的多样性,还引入一种便捷的三维人体模型数据增强技术。实验结果表明,该算法只需要输入一张二维点云图像,就能快速创建出相应的数字化人体模型。     

1秒采集的三维头像摄影系统

为了实现高精度、快速度、低成本的三维头像建模,提出一个人体头部的三维摄影系统.该系统能够1 s采集用户的三维信息,3 min内建立照片真实感的三维模型.通过配置多目RGB-Depth相机摄影系统,保证1 s内完成对人体头部的全方位数据采集,进而对所得到的点云数据进行数据增强、配准、表面重建和着色,最终生成高逼真的三维头像模型.     

基于移动激光扫描数据的建筑物精细化建模研究

随着"数字城市"的发展,各行各业对空间数据需求不断增高,三维建模是"数字城市"的重要组成部分,传统的建筑物三维建模方法耗时耗力、精度低、采用接触式测量,这种采集方法和数据处理方式已不能满足数字化的需要。移动激光扫描技术的出现,改变了传统的的数据采集方式,为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。通过移动激光扫描技术获取的空间点云数据,可以建立结构错综和不规则场景的建筑物模型。鉴于传统方法的不足和移动激光扫描技术的特点,提出移动扫描技术三维建模的方法,以云南师范大学商学院的激光扫描为例,首先通过将获取的点云数据的配准、拼接、降噪、POS解算、IE解算和点云数据融合,然后进行精细三维建模。     

基于相位恢复的三维可视化应用研究

空间曲面的三维数字化测量在工业检测、虚拟现实、影视艺术以及文物保护等领域具有重要的应用价值。提出一种实现自由曲面三维数字化的方法,该方法不仅能重建物体的几何模型,而且能实现物体表面色彩等纹理属性的恢复。利用结构光照明重建空间三维点云数据,并利用匹配算法建立物体的几何模型;然后通过交互式选取点优化策略进行纹理映射的方法实现目标物体的真实感三维重建。与传统的方法相比,该方法能够精确地实现目标物体的纹理重建,避免了特征检测困难或粘贴标准点等方法的数据处理困难以及后期数据的人工等操作,实验结果也验证了该方法的有效性。     

地面三维激光扫描点云数据处理及建模

本论文以昆明理工大学呈贡校区“昆明理工大学”石碑作为目标场景,利用地面三维激光扫描仪Maptek I-Site 8200SR获取目标场景的点云数据,使用Maptek I-Site Studio 6.0对点云数据进行预处理,包括点云数据的配准、去噪及精简;通过提取特征点云同时结合AutoCAD2014、3ds Max实现对目标场景的建模。研究三维激光扫描点云数据预处理的方法步骤及模型构建过程,通过分析数据处理及建模结果,结合当前的研究状况探讨了模型的相关应用,并展望进一步的研究方向以及工作内容。     

基于计算机辅助设计的文物数字化方法研究

文化遗产的数字化为文化遗产的保护、传承和发展提供了新的思路,利用计算机辅助设计和数字化方法将文化遗产进行数字化转换,基于三维扫描仪获取文物点云数据,建立了文物点云数据精简模型,研究了文物三维模型重建方法,构建了文物三维模型的纹理映射机制,给出基于Web技术的文物虚拟展示方案,构建了文物数字化技术路线,最后结合青铜牛尊案例对所研究的关键技术进行说明。     

An application of digital point cloud to historic architecture in digital archives

Currently, the process of conservation by digitizing historic buildings is a key technology in cultural heritage preservation that needs further improvement. However, a comprehensive survey of projects of digital archives shows that traditional, time-consuming construction methods were adopted most, as in taking pictures or cartographing physical buildings through AutoCAD to construct digital data. This study adopted reverse engineering to explore digitalizing constructions and employed a fast and precise 3-D laser scanner to retrieve point cloud data and then import the data into Rapidform XOR2, an application used in reverse engineering, to process point cloud data and construct 3-D models. The results were then converted from 3-D models into 2-D pictures by parameterization software Pro/ENGINEER to provide designers precise and realistic dimensional data, which effectively reduced time in cartography and increased historic building dimension precision during digitalization. The foregoing data was documented and compared, and a digital value-added effect could be possible in the future.     

自动驾驶汽车虚拟测试中的树木点云生成方法

自动驾驶汽车虚拟测试已成为自动驾驶或车路协同测试评价的一个重要手段,三维激光雷达数据模拟生成是自动驾驶汽车虚拟测试中的重要任务之一,目前多采用基于飞行时间原理的几何模型方法生成激光雷达三维点云数据,该方法生成点云实时性较差。布告牌是虚拟场景中常采用的树木建模方法,由于布告牌仅由两个矩形面片即八个三角形面片组成,直接采用布告牌方法生成的三维点云数据难以反映树木的真实空间信息。针对上述问题,提出了一种基于布告牌空间变换的快速树木三维点云生成方法。以布告牌的纹理图像为依据,根据纹理透明度获取树木二维平面点云分布,经二维树木点云的轮廓提取,结合树木结构的先验知识进行旋转、随机偏移和尺度变换,以更少的三角形面片数和更小的计算代价获得树木的三维点云数据。提出了一种空间直方图三维点云相似度评价方法,将三维点云空间量化为若干个子空间,获得三维点云的投影空间直方图,采用巴氏系数计算投影空间直方图相似度,以投影空间直方图加权相似度作为点云相似度评价值。实验结果表明,基于布告牌空间变换方法和几何模型方法生成的云杉等三种树木的三维点云数据的平均相似度在90%以上,且该方法生成树木点云的时间仅是几何模型法的1%,因此布告牌空间变换树木三维点云生成方法快速且准确,可以满足自动驾驶汽车虚拟测试的性能要求。     

面向影视动画的真实感三维人脸快速建模算法

针对影视动画领域,利用LS_5000型三维激光扫描仪,提出了一套真实感三维人脸快速建模算法。只需输入真实演员人脸的三维扫描点云和未定标的照片,以及极少的人工交互,即可生成虚拟演员真实感的三维人脸模型（包括几何模型、纹理模型和面向动画的可变模型）。实验结果表明,算法输出的模型简洁规范,可直接应用于实际的影视动画制作,提高了人脸模型建模效率。     

End-to-end point cloud-based segmentation of building members for automating dimensional quality control

A frequent and accurate quality inspection procedure to assess the quality requirements during the life cycle of buildings is crucial. Among different quality measures, the dimensional quality that involves spatial features of buildings is of significant importance. However, the traditional manual inspection of dimensional quality in buildings is unreliable and tedious. Thus, this study presents an end-to-end method for quality inspection of building structural members using point cloud datasets. The proposed method, first, detects and labels structural members within the point cloud based on a set of domain-specific geometric and semantic definitions. Then, each structural member's section width, height, and length are obtained with the proposed bounding box method. Experiments on three real-world buildings' point clouds with various geometric features and noise levels, occlusion, and outliers were also conducted, illustrating the performance efficiency and accuracy of the proposed model for dimensional quality inspection of building structural members.     

针灸铜人三维可视化研究与应用

针灸铜人是中国古代医学珍贵的艺术品,具有重要的文化和艺术价值。针对针灸铜人等文化遗产数字化保护手段传统单一,体验性差和传播力不强等问题,本文综合利用三维激光扫描、三维可视化和虚拟现实等技术提出了一种新的数字化方法。以湖北省博物馆珍藏的腧穴针灸铜人为对象,首先采用三维激光扫描技术进行数据采集和模型构建,然后利用XML语言对其承载的传统中医知识进行表示与存储;其次,基于改进的二次误差度量和递进网格算法实现了铜人多分辨率简化模型的自动生成;最后,基于Unity引擎开发了一套针灸铜人虚拟交互展示系统,实现了穴位、经络和常见疾病等传统中医知识在三维虚拟场景下的可视化展示与交互查询。本文提出的方法可以为历史文物与非物质文化遗产的数字化保护与传播提供借鉴。     

基于航空LiDAR数据的桥梁边界线提取方法

桥梁三维信息是构建三维数字城市和虚拟地球重要的基础空间信息。快速准确地提取桥梁边界线信息是桥梁三维提取的核心问题,也是目前的研究热点。提出了一种基于航空LiDAR数据的桥梁提取方法。该方法最大的优点是采用基于知识引导进行桥梁边界线提取,通过分析桥梁的空间结构特征和几何特征,较好地提取出桥梁边界线。通过与专家人工桥梁判读的结果比较,该方法提取结果具有较高的精度。     

三维建模中的纹理处理

纹理是影响三维模型逼真程度的最主要因素，当三维模型建立以后，需要将纹理映射在DSM上，真实地模拟三维景观。在大范围的城市三维建模中，纹理处理的工作量非常大，因此如何进行纹理处理是城市三维建模中的关键。本文将对城市三维建模中采用航空遥感影像和地面摄影影像进行地表纹理、建筑物顶部以及侧面纹理等处理的有关问题进行讨论。     

文化遗址的三维真实感建模与虚拟展示技术

以唐小雁塔遗址的数字化展示为应用背景,针对文化遗址的真实感建模和三维虚拟展示问题,提出一种基于大场景三维激光扫描技术的遗址数字化方案,设计一种基于激光同步扫描图像、采用局部纹理映射的遗址三维真实感建模方法,利用GIS和虚拟现实技术开发一个文化遗址三维虚拟展示系统。实际应用结果证明,该系统可有效提高文化遗址的三维虚拟展示效果。