基于3ds Max二次开发的建筑物快速三维重建

詹总谦，林元培，艾海滨

(1.武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)



基于3ds Max二次开发的建筑物快速三维重建

詹总谦1，林元培1，艾海滨2

(1.武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)

在3ds Max环境下利用其二次开发技术及摄影测量原理，对不同类型建筑物的快速重建进行了研究。针对简单建筑物，提出了基于空间任意方向基本几何体的快速重建方法；针对复杂屋脊建筑物，实现了基于约束Delaunay三角网的重建方法，最终实现了纹理的自动提取与纠正。试验表明，该方法重建的建筑模型精度与逼真度较高，模型编辑与管理方便，有利于空地一体化建模。

半自动三维重建；摄影测量；3ds Max二次开发；约束Delaunay三角网

随着城市规模的扩大，城市三维建模的需求量逐渐增大，同时城市三维模型的逼真度、精度等也需要进一步提高才能满足经济发展的需求，有了高精度的三维模型，即可进行有关城市的规划设计、物联网建设、应急指挥、资源分配、旅游宣传等工作。随着国家城市化建设的大幅度推进，三维城市建设的重要性逐渐体现出来，逼真的三维模型数据将逐渐成为城市管理和服务的重要数据源[1]。

从目前建筑物重建方法的研究现状来看，主要有传统建模方式、基于LiDAR数据的三维重建及基于影像的三维重建方法[2-9]。使用传统的三维建模软件，如AutoCAD、3ds Max、Maya、SketchUp，进行地物目标的三维重建一般要通过现场拍摄照片、手工分类照片、手工几何建模和纹理贴图几个环节实现。这样的建模工艺流程，有劳动密集程度高、工作量大、精度不够高、成本大等缺点，尤其在手工贴图阶段特别耗时耗力。激光扫描仪能够自动获取高精度的物体表面深度信息, 但是造价高昂、笨重的设备很难适应大众的需求, 且对使用环境有要求，阳光、雨水对其精度影响非常大。此外, 这类仪器采集的数据是三维点云, 若使用这些数据对建筑物进行三维重建, 还要对原始数据作进一步处理，但是目前该处理流程还无法实现自动化。目前利用影像进行三维重建的软件有PhotoModeler、Smart3D、Street Factory等。PhotoModeler主要用于近景三维重建，属于半自动建模方式，建模工具人性化好，但不适用于大面积的地物目标三维重建。Smart3D、Street Factory采用全自动的建模方式，自动化程度较高，对所有地物目标构建三角网。但重建的地物目标缺乏拓扑关系，精度有限，模型在后期应用中受到很大的限制。对于地物目标的点、线等特征提取不够完整，重建后的地物目标的逼真程度有限。国内外也有很多关于全自动或半自动三维重建的研究，但满足高度自动化的同时模型精度无法满足实际应用。文献[10—11]阐述了利用倾斜摄影和3ds Max 技术快速实现城市建模的理论和方法，实现了基于倾斜摄影的城市三维重建，但实现的建模功能较为简单，影响了建模效率，复杂屋顶生成算法不够稳定。

针对已有方法的局限性，本文在3ds Max环境下利用摄影测量技术开发基于影像的三维重建系统，充分发挥摄影测量和3ds Max各自的优势，只需要一次测量即可完成模型几何重建和自动纹理映射一系列过程。为此，文中提出基于基本几何体的简单建筑物快速重建方法，重建过程直观，具有所见即为所得的效果；针对复杂屋脊建筑物，采用约束Delaunay三角网算法进行构网，并根据屋脊几何结构灵活地插入约束信息，然后利用3ds Max中的Mesh结构进行模型表达。该方法通用性强，适用范围广。最终利用共线方程进行全纹理裁切、纠正、映射。

一、整体技术路线

由于3ds Max二次开发完全支持Visual Studio开发平台，因此可以开发完全嵌入的摄影测量插件。如图1所示，根据摄影测量共线方程原理，利用已有的高精度的空三加密成果及相机参数，量测并计算建筑物必要的模型坐标。然后直接利用SDK的核心接口将立体测量获取的数据传递给3ds Max中的三维数据模型。针对矩形房屋、圆柱形房屋等简单建筑物，可以直接利用3ds Max中长方体、圆柱体等基本几何模型进行模型构建。针对复杂屋脊建筑物，直接将点、边数据传递给Mesh结构；接着创建模型节点，最后得到建筑模型并利用3ds Max进行管理及后期渲染等工作。

图1 整体技术路线

二、建筑物量测及模型构建

本文在红绿立体模式下，根据建筑物的几何结构特点采用相应的量测及模型生成算法。

1)圆柱体、球体、长方体等基本几何体形房屋。采用基于基本几何体的模型重建方法，即通过灵活的拽托方式量测建筑物特征点，并实时在影像上反投真实三维模型，达到所测即为所得的效果，增强立体测量的直观性，然后转换为相应的几何体参数，如圆柱体的基本参数为地面圆心、半径及高度，最终利用3ds Max中的标准基本几何体进行模型的构建和表达。圆柱体形建筑物的测量过程如图2所示，可以看出，该方法增强了建模操作的灵活性，三维立体测图的立体体验也得到明显改善。

图2 圆柱形建筑物重建

2)棱柱形建筑。本文将顶面或侧面为平面多边形，并沿着该平面挤出而形成棱柱形房屋都归类为棱柱形建筑。对于该类建筑物，本文采用基于空间任意方向棱柱体的建模思想，如图3所示。即把房屋抽象为沿着侧面或顶面的法向量挤出的棱柱体，这样不仅能在下视影像上沿着顶面进行建模，也能在大倾斜影像上沿着侧面建模(如图3(b)所示)。该方法通用性更强，可以快捷地添加阳台等建筑物的细部结构，有利于后期精细建模，同时也是一种实现空地一体化建模的有效方式。

图3 空间任意方向棱柱

3)复杂屋脊建筑。针对该类建筑物，采用基于约束Delaunay三角网的模型重建方法。Delaunay三角网已被应用于GIS、图像处理、模式识别等领域，其算法稳定，在描述复杂目标时具有明显优势[12]，而且可以动态插入和删除点、约束边，这有利于扩展建模功能并且实现人机交互的人性化操作。建模主要思想如图4所示，量测屋顶外轮廓特征点后按照Delaunay准则生成一个默认的三角网，然后对不符合实际屋脊线结构的部分插入约束边，生成模型时需要合并同一平面内的相邻三角形，否则映射纹理时很容易出现接缝问题。模型构建流程为：在3ds Max中已经开发了大量的几何对象用来创建几何模型，为了在3ds Max中更加简便地表达复杂屋顶建筑物，本文新建一个过程类TinObject，其基类为3ds Max SDK中的SimpleObject2，利用3ds Max中的Mesh表达模型几何结构。

图4 复杂屋脊建筑重建流程

三、纹理自动映射

纹理自动纠正采用间接法[13]，主要步骤如下：

1) 本文采用文献[11]的纹理优选方法，首先优选出墙面可见并且能够获取墙面完整纹理的影像，然后根据纹理面积最大的原则选出最佳影像。

2) 计算墙面平均GSD，根据模型墙面面积与墙面反投到影像上的多边形面积计算平均地面分辨率

3) 计算墙面最小包围矩形宽度W′与高度H′。

4) 计算纹理宽度W及高度H

并将其归一化为2n的形式。

5) 如图 5所示，根据平均GSD计算纹理坐标p(x,y)。

6) 将纹理坐标p(x,y)转换为摄影测量坐标系下的三维坐标P(X,Y,Z)。

7) 根据共线方程得到像点坐标p′(x′,y′) ，利用双三次内插法得到灰度值g′(x′,y′) ，并将其赋给纠正纹理影像p(x,y)。

8) 最后，分配归一化纹理坐标，完成纹理映射。纹理纠正前后效果如图6所示。

图5 纹理纠正

图6 纹理纠正前后

四、试验与分析

为了验证本文建模方法的有效性，利用广西无人机影像、南京无人机影像及德国某地区倾斜影像共3组试验数据，进行了典型房屋及街区建模试验。

1. 典型建筑物建模试验

如图7所示的台阶型建筑，采用传统的沿着屋顶向下分别建模的方法，不仅测量步骤繁琐，而且很容易出现纹理接缝问题。采用本文提出的基于空间任意方向棱柱体的建模方法，可以把该建筑抽象为沿侧面挤出的棱柱体，从而只需一次量测即可完成模型重建，同时纹理接缝问题也得到解决。

如图8所示，该建筑由球体、圆柱体等多种基本几何体组合而成，利用本文的基于基本几何体的建模方法快速得到单个模型，然后利用布尔运算得到了逼真的建筑模型。

如图9所示，针对复杂屋脊建筑，利用基于约束Delaunay三角网的方法得到了完全符合实际房屋构造的几何模型，同一平面的相邻三角面片合并效果较好，纹理清晰且无接缝，从立体像对的模型反投可以看出其测量精度满足要求。

2. 与Smart3D全自动建模对比分析

数据采用南京某地区旋翼无人机单镜头下视影像，共215张影像，分为8条航带。利用本文半自动建模方法重建367个模型，由一人单独完成，耗时约3 h，建模效果如图10(a)所示。

利用Acute 3D公司的全自动建模软件Smart 3D Capture免费版，进行了小块建模试验，该方法自动化程度高，其建模效果如图10(b)所示。可以看出其模型精度有限，模型局部变形较为严重，对建筑物的拐角点等特征点提取有限，重建结果为非单体模型，缺乏拓扑结构，模型后期应用受到限制。利用本文半自动建模方法得到的模型为具有拓扑结构的单体模型，模型精度高。

图7 台阶型建筑重建试验

图8 多种基本几何体组合型建筑重建试验

图9 复杂屋脊建筑重建试验

图10 本文方法与Smart 3D建模对比

五、结束语

面对三维数字城市建设的需求，本文在3ds Max环境下，利用其二次开发技术及摄影测量原理，对建筑物的快速三维重建进行了研究。针对简单建筑物，实现了基于空间任意方向基本几何体的快速重建方法，其模型重建流程直观，立体建模体验较好，而且有利于进一步实现空地一体化建模和精细建模；针对复杂屋脊建筑，采用了基于约束Delaunay三角网的模型重建方法，能够快速重建复杂建筑物，模型精度高，为城市快速三维重建提供了一种有效的途径。

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Rapid 3D Reconstruction Based on Secondary Development of 3ds Max

ZHAN Zongqian，LIN Yuanpei，AI Haibin

2016-01-08

国家科技支撑计划(2012BAJ23B03)

詹总谦(1978—)，男，副教授，研究方向为数字摄影测量与计算机视觉。E-mail：543147143@qq.com

詹总谦，林元培，艾海滨.基于3ds Max二次开发的建筑物快速三维重建[J].测绘通报，2016(11)：22-25.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0357.

P208

B

0494-0911(2016)11-0022-04