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1、 河南理工大学毕业设计（论文）任务书 专业班级测绘工程2009级-2班 学生姓名 王英杰 一、题目 三维激光扫描技术联合3Ds MAX构建 虚拟场景应用研究 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日 三、主要任务与要求 指导教师 职称 学院领导 签字（盖章）年 月 日- 1 - 河南理工大学本科毕业论文摘 要随着社会的发展和人类物质文化需求的不断提高，单单依靠传统的三维建模方式已经不能满足人们对复杂和高精度的模型的要求。而随着三维激光扫描技术的不断发展，这个问题慢慢得到了解决。通过三维激光扫描技术可以快速建立高精度的地物空间三维模型，模拟逼真的三维场景。目前，三维激光扫描技术已经在很多领域得到了
2、广泛应用，尤其在虚拟场景，文物保护，变形监测等有着十分广阔的前景。本文简要阐述了三维激光扫描技术平台系统组成及其工作原理，探讨地面三维激光扫描技术的应用以及数据处理的具体过程。以河南理工大学世纪广场三维点云数据为实例，使用Cyclone、Cloudworx4.1 for Auto CAD、Auto CAD2007、3Ds MAX等软件对点云数据进行拼接，去噪，分割，三维建模，纹理映射等操作，最终实现了场景的三维重现。并对其中出现的若干问题进行了分析、总结以及探讨。关键词：三维激光扫描 点云 三维建模 纹理映射 3Ds MAX 虚拟场景IABSTRACT With the development
3、 of society and the human material and cultural demand increase, rely solely on traditional 3D modeling methods cannot meet the need of complex and high precision model. With the development of 3D laser scanning technology,this problem gradually resolved. Throughthe three-dimensional laser scanning
4、technology can quickly build spatial 3D model with high precision, simulation of realistic 3D scenes. At present, the three-dimensional laser scanning technology has been widely applied in many fields, especially in the virtual scene,protect the cultural relics,deformation monitoring has a very broa
5、d prospects. This paper briefly introduced the composition of 3D laser scanning technology platform system and its working principle, application of terrestrial 3D laser scanning technology and the specific data processing. The three-dimensional point cloud data of Century Square of HPU as an exampl
6、e,the use of Cyclone, Cloudworx4.1 for Auto CAD,Auto CAD2007,3Ds MAX and other software to point cloud data splicing,denoising,segmentation,3D modeling, texture mapping and other operations,finally realizes the 3D reconstruction of scenes. And some problems which are analyzed,summarized and discusse
7、d.Key words: Three-dimensional laser scanning Point cloud Texture mapping 3Ds -MAX Three-dimensional virtual scene modeling目 录1 绪论11.1 概述11.2 选题意义11.3 国内外研究现状分析21.4 本文技术路线32 三维激光扫描仪的系统组成及原理42.1 三维激光扫描技术的系统组成及工作原理42.2 点云数据采集62.3 点云数据处理62.4 纹理映射83 数据处理及三维场景构建103.1 探究路线103.2 点云处理103.2.1 点云的拼接103.2.2 点云
8、的去噪与分割103.2.3 三维建模113.3 纹理映射153.4 场景合并173.5精度分析193.6 本章小结214 总结与展望234.1总结234.2展望23致 谢24参考文献25 河南理工大学本科毕业论文1 绪 论1.1 概述地面三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，有人称其为继GPS技术之后在测绘领域出现的又一次技术革命。该技术采用激光进行测量，非接触、高速度、高精度、大量地获取目标物的三维坐标数据，这些数据被称为“点云数据，可以实时、动态、真实地反映客观事物的现状，为科学准确地建立数字模型提供一种全新的技术手段。三维激光扫描技术的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据
9、经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理，且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用，并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。三维扫描技术能获得物体表面点的三维坐标信息，它属于一种立体测量技术。与传统测量技术如坐标测量机(CMM)相比，它能完成对复杂物体的测量，能大幅节约时间和成本，并且其测量数据通用性比较强。这在文物保护、虚拟现实、影视特技、工业生产、刑事侦查、三维传真和雕塑制作等领域三维扫描技术都已经开始投入应用。某些特殊场合，三维扫描仪还具有独特的、不可替代的作用。比如测量比较柔软的物体，用传统的接触测量方法，很可能在测量时使物体变形，从而使测量结果不精确
10、；而许多非接触式的三维扫描仪以激光为测量媒质，不会引起物体表面的变形和损伤。三维激光扫描技术作为目前发展迅猛的新技术，必定会在诸多领域得到更深入和广泛的应用。1.2 选题意义在当今社会，科技高速发展，人类社会正发生着日新月异的变化。虚拟现实、数字城市、数字博物馆、逆向工程等新技术相继出现并进入实用阶段。但这些技术都不可或缺的需要进行三维几何建模，而单纯依靠传统的AutoCAD、3Ds Max、MAYA等建模工具已经逐渐不能满足人们对复杂模型的建模需要。此时，三维激光扫描技术应运而生，催动这一产业又向前迈进了一大步。不同于传统的建模信息获取手段手段，三维激光扫描仪采用非接触的测量方法，它可以深入
11、到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到计算机系统中。这种方法不受模型的复杂度影响，而且模型的重构精度取决于模型表面数据采样的密度，因此三维扫描及相关数据处理、建模技术近年来发展迅速。基于三维激光扫描技术的地物精细建模具有广阔的应用领域与研究价值，特别是应用于地面建筑物的恢复与重建。总之，三维激光扫描技术凭借其快捷，精确，实时，动态，全数字化等优点，可以短时间采集大量点位，海量数据信息，快速建立高精度的地物空间三维模型，模拟逼真的三维场景，具有广阔的应用领域与巨大的商业价值。本课题工作是通过采用常用的建模工具利
12、用三维激光扫描技术所采集的点云数据从数据的预处理到最终模型的建立，并与3Ds MAX结合来探索具有高精度高仿真模型的三维场景构建的方法。同时对于其中出现的问题也进行了一定的探索与解决。1.3 国内外研究现状分析 地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表的，它是测绘领域的又一次技术革命。 在国外，美国，加拿大，瑞典等国对三维激光扫描技术的研究起步较早，已形成具有一定规模的新兴产业。其中地面三维激光扫描技术是研究热点，并且已经取得了大量成果并且有大量商业化产品，特别是机载三维激光扫描技术已经日趋成熟。如瑞典SASB公司的Topeye系统，加拿大Optech公司的ALTM系统，美国J
13、ohn Chance公司的Fli-map系统等。相对于机载系统而言，地面系统还处在发展阶段，特别是地面激光扫描集成技术是国际研究的热点。1965年，LRobert在其论文“二维物体的机器感知”中指出了利用计算机视觉技术获取物体三维信息的可能性，这标志着三维扫描技术新纪元的到来。到了80年代，Cyberware公司研制出了可用于人的头部扫描的三维扫描仪，并将其成功地投入到计算机影视特技制作行业。1994年，MLevovy和他的小组利用三角原理的激光扫描仪和高分辨率的彩色图像获取并重建了Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系列相关的技术。1997年，加拿大NRC（National Re
14、search Council）的El-Halkim构建了自己的硬件平台，他们将激光扫描仪和CCD照相机固定在小车上，得到了一个数据采集和配准系统，并于1998年在原有系统的基础上实现了一个室内的三维建模系统。2001年，YYU等人在对室内场景建模的同时，将场景的一些实现提取出来，并对物体的三维模型提供了编辑和一定功能。2002年，IStamos和P.K.Allen 实现了一个完整的系统，该系统能同时获得室外大型建筑的深度图像和彩色图像，并最终会付出建筑物具有照片真实感的三维模型1。除此之外，Fruh等人使用2D激光扫描仪、数码照像机并同时借助航空图像和航空激光扫描数据恢复了建筑物屋顶带有色彩的
15、集合模型，得到了更为完整的街区三维模型2。 在国内，我国在高技术研究发展计划(863计划)中明确提出了支持了激光扫描技术的研究，主要研制用于近景目标的三维扫描系统，用于城市地面测量及其它工程测量，这是信息领域中以及信息获取与处理技术为主题的重点项目，其中的“机载激光测距-扫描成像制图系统”集光机扫描技术，激光测距技术，GPS导航定位技术等于一体，通过硬件实现扫描图像与DEM的同步与匹配，利用距离信息与图像信息进行特征分类与识别，该系统有5个传感器，工作波段覆盖了可见光，红外，微波整个系列，是国内较为成熟的三维激光扫描平台系统。武汉大学的邓非等人，提出一种利用激光扫描和数码相机相结合的古建筑三维
16、重建方案3。利用像方直线(从图像上获得)和物方直线(从点云上获得)共面的条件，采用半自动算法将各张照片与点云进行配准，但该方法计算量大。之后其又提出了一种激光扫描数据和数字图像配准的方法。该方法是基于立体像对匹配的点集与三维扫描点云的最近邻迭代配准。配准中，采用M估计的选择权迭代在最邻近点搜索算法中逐步消除立体像对误匹配粗差点的影响。由于该方法首先基于影像间的同名点匹配，因此会造成累积误差，并且采用点的计算量大。北京大学的赵彬做了面向真实感三维建模的纹理贴图技术研究，把用于多站点点云数据配准的ICP方法引入到纹理与点云配准之中4。其次，在特征点选取上，没有依赖缺乏稳定性的角点检测，而是使用了物
17、体的轮廓线。但是该算法是采用手动方法直接选取三维特征点，会引入一定的误差。目前国内外对于三维激光扫描技术的研究均受到复杂场景的几何结构、未知物体表面反射特性、变化的光照条件、复杂的地形以及不规则的未知遮挡物等限制，因此如何快速而又精确的扫描出复杂的三维物体仍是研究该技术的关键。1.4 本文技术路线 本文主要完成以下工作：（1）结合本课题的实例中点云数据拼接与配准，点云去噪，点云分割等操作流程，探究三维激光扫描数据预处理的过程。（2）结合实例对基于点云的三维模型建立进行探究。（3）讨论纹理映射的原理，方法，对建成的三维模型进行纹理映射。（4）合并三维模型，构建三维虚拟场景。对构建方法及过程进行探
18、究。（5）对三维激光扫描技术在三维场景建立的方法进行总结与分析。 流程图如图1-1所示： 图1-1 本文流程图2 三维激光扫描仪的系统组成及原理2.1 三维激光扫描技术的系统组成及工作原理 三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云(Points Cloud)。点云数据是大量扫描离散的矢量点的集合，它的每一个像素点所包含的是一个距离值和角度值，这种图像称为距离图像。距离图像本身蕴涵丰富的特征信息 ，可以直接构建高精度的DEM，但又没有任何明显的形体信息和拓扑关系信息 ，不能直观表达，必须用点、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型描述出来 ，构成模型。 2.2.1系统组成
19、 三维激光扫描系统的技术核心是激光发射器，激光反射镜，激光自适应聚焦控制单元，CCD技术，光机电自动传感装置等，从系统组成来看，它包括三维激光扫描仪，可携式三脚架，线缆，便携电脑及控制装置，定标球及标尺，测控软件，信息后处理软件等。如图2-1所示：图2-1 三维激光扫描系统组成图 2.2.2 工作原理 三维激光扫描测量原理（图2-2）：三维激光扫描仪的发射器通过激光二极管发射近红外波长的安全激光束，对所测对象进行立体的面状扫描，借助设备获取不同部位的反射时间差，从而测出激光与物体之间的距离，最后用编码器来测量镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，获取被测对象表面每个采样空间点的立体坐标，得到
20、被测对象的采样点（离散点）集合，称之为“点云”或“距离影像”。发射器按钮 数据显示激光二极管 计算机时间测量单元 数据传输光电二极管接受器 接收器透镜图2-2 扫描仪激光测距原理 对于激光扫描技术，目前用得最多的是光机扫描、电镜扫描、多棱镜扫描和全息光栅扫描技术。地面三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精确控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描，测量得到每个脉冲激光的横向扫描角度B和纵向扫描角度A。地面三维激光扫描系统一般使用仪器自定义的坐标系统：坐标原点位于扫描仪中心，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，常为扫描仪扫描方向，Z轴垂直于横向扫描面。设
21、扫描仪距扫描点距离S。如图2-3所示：图2-3 右手坐标系 由此可以确定被测物体的空间三维坐标为： 2.2 点云数据采集 在利用点云数据进行三维建模的过程中，数据采集是很重要的一个环节，它直接关系到最后创建出的三维模型质量。要想获得精确并且冗余度低的数据，必须减少在扫描过程中人为引入的误差5。 通常情况下，三维激光扫描时采用分测站测量，因此需要布设控制点，进行测量。其中，控制点的作用有两个：第一，用于点云的拼接；第二，将点云数据的坐标转换到绝对坐标，控制测量精度。同时，安置扫描仪与标靶的位置也很关键，直接影响到扫描的效率与精度。基于以上两点，首先要进行现场勘察，深入了解扫描目标的周围环境与目标
22、的自身特点，根据现场情况，选择适当的测站点和测站数，尽量减少原始数据量同时确保各个扫描站最终获取的数据能代表完整的测量区域，扫描时还必须对测区的地物及特殊地形拍照，以便后期的数据处理，地形图的编辑修改。进行控制测量时可以采用全站仪或GPS测量。由于测站点的精度直接影响到点云坐标的转换精度，因此用全站仪布设控制网时应布设成具有多余约束条件的控制网，以此方便检核，如：附合导线或闭合导线。用GPS布设控制网应对高程进行拟合或采用水准测量方法进行测量，保证高程方向的精度。 在具体从某一方向对目标进行扫描时，应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体，这样做一是减少噪点，二是减少扫描时间，提高效率。因为扫描距
23、离越远，扫描时间越长，像天空这样的无限远距离会降低工作效率，不应纳入扫描范围。点云的密度取决于激光点位间隔，对楼体细节较多的建筑应采用1cm激光点位间隔扫描，墙体平滑的部分可采用2cm及以上间隔。另外，扫描区域周围的人流也会产生噪点，扫描后应及时观察点云以确定是否需要补扫或重复扫描。扫描完成后，还要对扫描区域进行拍照，获取色彩和纹理信息。当扫描仪自带摄像头像素太低不能满足贴图要求时，要用高像素数码相机手动补拍。照片可作为该区域建模后的贴图使用，也可为多站拼接提供参考。 每一测站扫描完后，还必须对3个或4个标靶进行精细扫描。该扫描过程通过选取控制标靶区域内的点，为每个标靶设置惟一的标识，然后通过
24、精细扫确定控制标靶的中心点。同时还需用无反射全站仪精确测出标靶中心在施工坐标系下的三维坐标，用于后续多站数据的配准。标靶的分布应以能获得较好的测站整体坐标配准精度为标准，应尽量避免布设为狭长形状，如布设3个标靶时布设为近似正三角形较好，此外，标靶离扫描仪的距离也要适中，太近会带来较大的坐标转换误差，太远会降低标靶中心位置的识别精度。2.3 点云数据处理 点云的处理包括去除噪声，点云拼接与配准，数据精简和三维建模几个方面。 去除噪声：三维激光扫描技术获取的原始数据是一种点云数据。它是一个空间数据的集合,数据点之间是密集冗余的、离散的、散乱分布的；同时，点云又是一个海量数据的集合，通常可达几十万甚
25、至几百万个数据点，存储量巨大；并且由于激光扫描设备、测量物体表面的反射特性和传感器、人为扰动、测量环境、处理过程中的误差等影响，在这些巨大的三维点云信息中，存在大量无用的数据，即所谓的噪声点。噪声的存在严重影响所构曲面的光顺性，甚至由于它的影响而无法达到模型重建的目的。如果不进行直接有效处理，就会降低几何模型重构的效率。 点云拼接与配准：三维激光扫描一般情况不能只经过一站扫描就将一个三维物体表面扫描完全。在多站扫描的情况下就要进行点云的拼接与配准。由于每次扫描得到的数据都处在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中，因此需要在扫描区域中设置一些控制标靶，从而使得相邻的扫描点云图有3个或3个以上的
26、同名控制标靶，通过同名控制标靶将扫描点云数据统一到同一个坐标系下，这一步叫点云数据的“配准”。 由于点云数据不存在扭曲或缩放点云数据的配准只涉及到旋转和平移的变换，三维空间内，旋转矩阵R和平移矩阵T可以表示为： 其中表示沿、表示沿X轴Y轴Z轴的旋转角，、表示位移量。 配准的基本方式有两种: 一、相对方式，通常使用的方法有：1.基于点云的拼接；2.基于标靶的拼接；3.基于点云和标靶的混合拼接。该方式以某一扫描站的坐标系为基准，其他各站的坐标系统都转换到该站的坐标系统下，相对方式扫描时只需要在不同站之间共有3个以上同名标靶即可实现坐标统一，它不需要测量标靶的绝对坐标，其统一后的坐标是在某一扫描站坐
27、标系统下的坐标，但如果连续传递的站数较多，则容易产生较大的传递误差。二、绝对方式，通常使用的方法是：基于测量点的拼接。它是一种将扫描仪和常规测量相结合的方式，其每站的标靶坐标是通过全站仪或其他仪器精确测量，直接获得标靶的绝对坐标(如工程坐标系中的坐标) 。配准时，各测站都直接转换到统一的绝对坐标系中。这种方式不存在多站坐标转换的传递误差，其整体精度均匀。在地形测绘当中一般采用绝对方式配准，也可以将两者结合起来使用，小范围的相邻站采用相对方式配准，达到一定范围后再采用绝对方式统一到绝对坐标系中。 数据精简：由于点云数据是海量数据，在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下需要对数据进行精简。常用的精
28、简方法可采用下列方式：（1）平均精简：原点云中每n个点保留1个；（2）按距离精简：删除一些点后使保留的点云中点与点间的距离均大于某值。经过精简后的数据数据量大大减少，建模时的工作复杂程度也大大减小。 三维建模：依据点云数据对扫描目标表面构建三维模型。计算机图形学的应用领域中，物体三维模型大多采用多边形网格来描述描述。 建模的基本步骤表述如下： （1） 预处理以消除异常、错误和躁点数据。 （2）确定（顶点、边缘、表平面）的全局属性，同时考虑特殊约束和特殊保护。 （3）区分表面选择方法，如三角形，四面体参考平面或曲面多边形6。 在制作三维模型时，应将绘制的实体分解。先生成简单三维模型，在此基础上将
29、其组合进来。再利用多种实体编辑命令进行编辑，如：三维镜像、三维阵列、三维旋转等命令。要灵活使用布尔运算得到所需要的组合。2.4 纹理映射 为了使模型看起来更逼真，达到栩栩如生的效果，还需要给三维几何模型(点云)贴纹理，即纹理映射。纹理映射是提高模型视觉真实感的重要手段，是三维场景重建中一个重要技术环节。纹理映射是一种从二维纹理图像到三维物体表面的映射，即将纹理空间中的坐标(u，v)及其对应的颜色(或光的强度)映射到相应的三维物体的表面上，从而得到彩色的物体表面。 纹理来源于相机拍摄的照片，由于相机和激光扫描仪在获取数据时的位置和姿态的不一致，在没有确定出照片与三维模型之间的映射关系之前，直接进
30、行纹理映射的结果不能满足真实感三维重建要求。因此，在使用相机拍摄的照片作为纹理信息时就必须定量地确定出各幅照片与三维模型之间的一一映射关系，即要解决纹理图像与点云的配准问题。 根据纹理空间和屏幕空间之间的映射方式，纹理映射分为正向映射和反向映射。 （1）正向映射：也称为纹理顺序算法，指的是从纹理空间到屏幕空间的映射，即先将二维的纹理空间参数化，将纹理空间中的所有点与物体表面上的点相关联，也就是说将纹理空间映射到物体的三维空间，再通过投影变换二维的屏幕空间 ，由于正向映射是顺序处理纹理空间的元素，因此可将纹理图像存储于外存中，节省了存储空间，但正向映射的缺点也很明显，正向映射是纹理空间驱动的，在
31、表面参数化后，所得的结果可能不是连续的，也就无法保证纹理空间与屏幕空间中的一一对应关系，这样映射到屏幕空间时在纹理图像上会出现空洞和重叠的现象，使图形出现扭曲，所以，很少采用正向映射的方法。纹理空间景物空间屏幕空间 表面参数化 投影 图2-4 正向映射 （2）反向映射：也称为屏幕顺序算法，指的是从屏幕空间到纹理空间的映射，即顺序的访问屏幕空间的每一个像素，求出相应的坐标，并把求出的颜色结果赋值给像素，因为反向映射可以顺序的访问每一个像素，可以对其应用传统的显示算法，并且能避免或改善图像的不连续，所以是纹理映射中广泛使用的方法。纹理空间屏幕空间图2-5 反向映射3 数据处理及三维场景构建3.1
32、探究路线 本课题以河南理工大学世纪广场虚拟场景构建为探究路线。基于世纪广场点云对点云处理方法以及虚拟场景构建的过程的进行探索。对物体模型表面纹理映射和场景的布置与渲染阶段的操作进行探讨研究，拟定通过三维激光扫描技术达到对精细三维建模的目的从而建立具有逼真视觉效果的三维数字化模型，并构建具有真实感的虚拟三维场景。 具体流程如下：3.2 点云处理 3.2.1 点云的拼接 由于点云采集是设置了5个测站，分别scanworld1、scanworld2、scanworld3、scanworld4和scanworld6。每一站测量数据都是部分数据，要得到完整的点云数据模型就必须进行拼接。根据扫描得到的点云
33、数据的实际情况，本实例的点云拼接采用基于点云的拼接，这一过程采用徕卡公司的cyclone软件进行操作，通过在不同的测站选择同名点，完成六个站点云数据的拼接，为了保证拼接的精确度，在拼接时采用了选取4个同名点进行拼接的方式。拼接结果最大误差为0.022m，符合精度要求。 最终拼接效果如图3-1所示： 图3-1 点云拼接效果 3.2.2 点云的去噪与分割 点云拼接基本完成。但拼接后的点云还存在大量无用多余的扫描点（如校园行人以及车辆等），这些点可能对处理造成影响，所以需要将这些不需要的点删除，以免在随后处理过程中引入不必要的误差。本次点云采集包括五栋楼以及楼中间世纪广场，点云拼接后数据量非常庞大，
34、一次性处理也是非常困难的。因此在本阶段将点云数据切割，将其分成五栋楼与一个广场分别处理，最终再整合在一起。这样不仅能有效地提高工作效率，还可以减小模型误差。 分割效果如图3-2所示： 图3-3 点云分割效果 3.2.3 三维建模 CAD建模具有方向性好和线条矢量规则等优点，比较适合规则建筑物模型的建立。而且徕卡三维激光扫描软件Cyclone还有配套应用于Auto CAD的插件Cloudworx。因而本阶段将点云数据载入已添加Cyclone配套插件Cloudworx4.1的Auto CAD 2007中对三维建模进行探究。Clouworx提供高性能的点云的处理功能，使用户能够加载，渲染，分析从高清
35、晰度的测量系统采集的可以基于AutoCAD可视化的点云数据。Cloudworx本身拥有点云隐藏与显示，点云切割，点云匹配，检查等功能，Cloudworx4.1还添加了Truspace模块，此模块可以将点云与匹配影像结合在一起是用户对点云位置和属性有一定把握。CAD是一个大众相对比较熟悉的软件，Cloudworx插件用在CAD上可以使复杂的建模工作更容易上手，更能效率地完成任务。CAD的线型编辑以及实体编辑功能也非常强大，用它建模可以保证模型的质量与准确性。 根据最终的目标要求，对建筑物模型进行结构设计，对建筑物按照块分别建模管理。不在仅仅将一栋建筑物当作一个不可拆分的模型看待。因此根据实际需要
36、对于大场景的三维景观系统中的模型进行分块，一方面可以减小建模的难度，另一方面在显示过程中可以通过分块显示提高仿真效率。 本阶段主要工作包括以下几方面： （1）对建筑物结构进行分析，找出所有特征点和特征部位。 （2） 对建筑不同结构进行线型以及实体编辑。将线条、实体与点云进行完全匹配。 （3）对所有面进行拟合处理，达到面之间的完整编辑，面与面之间无缝连接。 （4）对材质不同，结构不同的实体进行分图层管理。以便以后在3Ds MAX进行同类型的实体进行相同操作。 （5）参照点云对建筑物轮廓线进行检查，保证精度最优化。 在制作三维模型时，将绘制的实体分解。先生成简单三维模型，在此基础上将其组合进来。再
37、利用多种实体编辑命令进行编辑，如：三维镜像、三维阵列、三维旋转等命令。还要灵活使用布尔运算得到所需要的组合。 CAD的编辑，修改，三维实体功能比较常见，因此不在赘述，下面简单介绍几个在模型建立过程中常用的Cloudworx功能。 (1) 切片功能： Cloudworx切片将点云以x轴，y轴或z轴的为中轴进行面片的剖切，面片的厚度由用户掌握，依照点云切片可以画出面片所在位置的外围轮廓线。通过结合用户坐标系统，切面功能和视域管理功能，就可以将复杂的三维数据处理问题，转化为平面处理过程，大大简化了提取三维特征信息和建模过程。如图3-4： 图 3-4 切片功能 ( 2 )点云匹配： 切片中轮廓线描绘完
38、之后，与真实点云之间会存在差距，利用匹配功能将线条与点云适配，将误差降到最小。 图3-5 线未与点云匹配 如图3-5所示，依照点云描线后，视角改变，发现所画线与点云位置不对。经过点云匹配后线达到了点云的参照位置，如图3-6： 图3-6 线与点云匹配效果 ( 3 )Truspace功能： 通过选择某一位置点云数据，就可以实现点云与影像结合视图，能帮助用户直观掌握点云的位置属性。如图3-7所示： 图3-7 Truspace中点云与影像结合示意图 通过Auto CAD与Cloudworx的结合使用，在CAD中的最终效果图3-8所示： 图3-8 CAD实体模型将Auto CAD2007中建立的模型以C
39、AD原有图形的格式导入3Ds MAX2010中进行纹理映射处理。选择以CAD里图层为节点层级，由材质拆分，并自动平滑外部相邻面。导入后模型如图3-9所示： 图3-9 3Ds MAX初始模型3.3 纹理映射3Ds MAX 纹理映射是一种从二维纹理图像到三维物体表面的映射，即将纹理空间中的坐标(u，v)及其对应的颜色(或光的强度)映射到相应的三维物体的表面上，从而得到彩色的物体表面。 在二维纹理图像中，图像中的每一点的亮度反映了三维物体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置则是由三维物体表面相应点的几何位置决定的，相机对三维物体拍摄成像的过程也就是将空间中的三维物体投影到二维平面的过程，期间要
40、经过四个坐标系的三次转换7，如图3-10： 图3-10 右手坐标系 其中： （1）世界坐标系(Xw ，Yw，Zw)也称为全局坐标系，是客观世界的绝对坐标，一般来说三维物体都用世界坐标系来表达。 （2）相机坐标系(Xc，Yc，Zc)以相机的光心Oc为原点，Xc轴、Yc轴分别平行于CCD平面的两条垂直边，且采取前投影模型，Zc轴为相机的光轴。 （3）图像坐标系(x，y)坐标原点O1，为相机光轴与成像平面的交点，x轴、Y轴平行于相机坐标系的Xc轴、Yc轴。 （4）像素坐标系(u，v)坐标原点O0在图像的左上角，U轴、V轴分别平行于图像坐标系的X轴、Y轴，单位是像素，对于数字图像，分别代表行列方向。下
41、边以世纪广场中间校徽标志物为例进行说明3Ds MAX纹理映射的过程。 该物体纹理可以分为两部分，一部分为顶部带校徽部分和下边柱体部分。以此获取实物照片，并用Photo shop软件对照片进行裁剪，色彩，明暗度等处理处理，最终得到我们需要的部分。如图3-11所示： 图3-11 处理后的照片将照片文件存入3Ds MAX根目录下面，进行材质的制作。然后将模型上部分面分离后赋予其一个ID，设置上部分投影形式为面投影，下部分投影形式为圆柱投影。将照片材质赋予它们，并进行旋转、移动、缩放等调整，渲染效果如图3-12所示： 图3-12 校徽标志物效果图对其他模型采取同样的方法进行纹理映射，在此不再一一赘述，
42、各个建筑物最终渲染效果如图3-13所示：图3-13 模型成果3.4 场景合并 为了突出更好的视觉效果，给模型添加背景，丰富场景的细节，并在场景中设置灯光模拟器以便更好的突出光线效果。实例中仅仅添加了天光模拟器，设置渲染器类型，尽量突出虚拟场景的细节特征。并对其进行背景，添加植物等操作进行丰富场景。然后进行场景合并。 因为是基于点云的建模，所以坐标系统一在点云拼接阶段已经完成。本阶段主要是考虑模型的纹理，以及场景的灯光设置。首先将所有模型导入一个场景。它们的相对位置确定，无需调整，然后将不同模型的相同材质统一，同时统一渲染环境和灯光等参数。整场景的角度，选择合适的视觉方向进行反复调试渲染。 最终
43、效果选择几个角度呈现。视角一：图3-14 南面俯视视图视角二：图3-15 东南视角视图视角三：图3-16 东北视角视图3.5精度分析模型的误差主要有三个来源：点云采集时产生的误差，点云的拼接误差和建模过程中产生的误差。就目前技术的发展水平来看，误差又是不可避免的。为了检验在误差的影响下基于三维激光扫描技术建立的模型能否达到高精度的要求，本节初步尝试对构建的模型进行精度分析探究。 三维激光扫描方法构建的三维数字模型是由点云数据通过算法拟合而成的，点位的精度对生成的模型的误差有很大的影响，所以点位之间的相对位置是评价模型精度的一项重要指标。为了检验三维激光扫描技术在三维建模中的是否满足高精度要求，
44、本节采用对模型中部分结构的相对距离数据与全站仪采集的相应位置距离数据来进行比较分析。 建筑物是由一系列的几何体构成的，如门、窗、立柱及墙上装饰物等，这些几何体在模型构建过程中的精度直接影响着模型的整体质量8，因此在选择特征点时我们重点选择类似的点。以河南理工大学二号教学楼为例，首先在影像上选取23个特征点作为参考点。选点点位如图3-17和图3-18所示：图3-17 参考点选择（1）图3-18 参考点选择（2） 使用北京博飞免棱镜全站仪对着23个参考点进行数据采集，在此过程中，照准部对准位置十分重要。经过测量采集后将数据点以dat格式导入CASS7.0进行相对距离分析。 在模型上量取这23个参考点之间的距离。 模型测量的距离结果与全站仪测量的距离结果进行比较，如表3-1所示：表3-1 全站仪测距与模型测距对照分析表（单位：m）两点位D1-D2D2-D3D3-D4D4-D5D5-D6D6-D7全站仪（S1）4.19410.1496.8738.6396.7614.193模 型(S2 )4.17410