近景摄影测量和三维渲染技术在建筑物精细建模中的应用

摘要

智慧城市的发展已对城市三维仿真模型提出了精细化的要求，建筑物作为城市结构的主题，其三维精细模型的建立作为智慧城市的支撑基础，服务于城市规划、管理、应急指挥等方面，已成为贯穿始终的重要技术。学者们在此方向上进行了大量的研究，发现传统的依靠3ds Max、Auto CAD等三维建模软件进行完全人工模型建立和纹理贴图的方法过于繁琐，无法满足智慧城市准确、快速、高效构建的要求。并且智慧城市的构建不仅需要准确的几何模型，更需要地物的真实坐标方位以及逼真的纹理信息，从而更加真实的反应现实世界。
　　针对上述问题，本文依托“基于未标定相机的三维街景建模技术研究”项目，提出一种将近景摄影测量与专业建模软件3ds Max相结合的建筑物精细重建的方法，将两者优势相结合建立精细模型。在内容上以建筑物的三维精细建模为研究方向，以近景摄影测量辅助三维建模软件为建模手段进行精细模型的制作，以快速高效生产制作精细三维模型为主要目标，立足于已有的三维影像重建理论和技术，在建筑物基元的提取、特征匹配及纹理的三维映射方面进行了探究和实验，从而辅助3ds Max制作出建筑物的精细模型。
　　本文的研究方法及相应的研究结果如下:
　　(1)基于专业建模软件3ds Max的建模方法。本方法是智慧城市建模一线生产单位用的最多的方法，文章从生产实践的角度研究了建筑物精细模型的构建方法，对建筑物精细三维仿真的基本技术和优化方法进行研究与探讨。介绍了墙体、窗体、门及其附属、厅、女儿墙、阳台和其它设计感较强的部件的模型建立方法;并从普通纹理和带有阿尔法通道的纹理两个方面介绍了纹理的制作及映射方法。本文用此方法建出了完整的精细三维模型，还对此进行模型优化，以方便后续使用者漫游或入库。
　　(2)基于近景摄影测量的建模方法。文章采用旋转摄影及正直摄影相结合的摄影方式，采用基于直线灭点的相机标定方法，不解求灭点坐标，而是以此为中间变量去计算相机的内外方位元素。此外，本文还附加了建筑物结构线、窗体线、角点、转折点和区域特征等几何约束，参与特征点的最小二乘解算，从而对影像基元进行正射纠正及深度信息恢复，精确获取三维精细模型。
　　(3)近景摄影测量和3ds Max相结合的建模方法。文章在上述两种方法实践的基础上总结了存在的问题:方法机械繁琐，自动化程度低、模型不完整等。为了解决上述问题本文提出了近景摄影测量辅助三维建模软件建模的方法。其中“辅助”最主要的一点是体现在纹理单元的制作与三维映射。论文讨论了用相机标定得来的ψ、ω、κ及x0、y0、f并附加转折点和结构线等几何约束，进行纹理单元的正射纠正及提取，并用上述纹理进行模型的直接映射，对于无法获取的部分，仍然采用3ds Max的UVW贴图的方式进行纹理映射，从而建出完整且符合精度要求的建筑物精细三维模型。
　　本文通过对武汉大学生命科学学院整个楼群进行实验，验证了所提方法的可行性，并证明了此方法的优势:不再单纯依靠建模软件本身，减少人工干预及工作量;节约了成本，比单纯使用近景摄影测量方法建模廉价可靠;对于建筑物遮挡部分建模不再束手无策，两种方法的互补优势大大得到发挥。尽管如此，此方法目前仍有一定的局限性，实验也只针对复杂性一般的建筑群进行，对于整体设计感较强的建筑是否依旧具有上述优势还有待进一步考证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 建筑物三维建模研究现状

1．2．2 三维建模的任务和方法

1．2．3 建模方法的自动化程度与可行性

1．3 研究内容和结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 组织结构

2 三维建模几何学原理

2．1 建筑物三维重建几何基础

2．2 模型所用影像的拍摄

2．2．1 相机简介

2．2．2 拍摄方式的选择

2．2．3 外业拍摄和条带划分

2．3 基于影像的三维重建原理与方法

2．3．1 建模原理

2．3．2 建模方法

2．4 小结

3 基于三维建模软件的建筑物模型构建方法

3．1 常用三维建模软件介绍

3．2 基础数据采集与处理

3．3 模型建立方法

3．3．1 地形模型制作

3．3．2 建筑模型制作

3．4 三维场景材质设计及纹理映射

3．4．1 材质设计

3．4．2 纹理映射

3．5 模型优化

3．6 小结

4 三维渲染与近景摄影测量相结合的建模方法

4．1 摄影的实施

4．2 相机的定标与定向

4．2．1 传统标定方法

4．2．2 自标定方法

4．2．3 基于直线灭点的标定方法

4．3 影像特征基元的提取与处理

4．3．1 点和线特征的提取

4．3．2 同名直线段的匹配

4．4 纹理单元的获取

4．5 基于3ds Max的细部模型制作与纹理映射

4．6 小结

5 实验与分析

5．1 实验区概况

5．2 基于三维建模软件的建筑物重建实验

5．3 三维渲染与近景摄影测量相结合的建模实验

5．4 实验结果分析与评价

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 结论与创新点

6．2 进一步的工作与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及其他成果