正文掌上三維游把景觀世界搬進平板電腦

掌上三維游：把真實景觀世界搬進平板電腦：目的：探討把三維真實景觀世界搬進平板電腦（移動便攜設備）的技術，并以某大學校園為實驗區(qū)，在平板電腦上重建其三維真實場景。方法：獲取能夠刻畫真實場景的多源數(shù)據(jù)；從數(shù)據(jù)中提取出地形、建筑物等場景要素的位置、結構、形態(tài)、大小和紋理等結果：攻克了集成iDAR點云與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型重建技術，以及動態(tài)加載、動態(tài)渲染和層次細節(jié)顯示技術，解決了大數(shù)據(jù)高真三維場景渲染與平板電腦性能受限之間的。結論：圍繞“數(shù)據(jù)獲取—數(shù)據(jù)處理—三維建?！浖_發(fā)”的主線，開展關鍵技術攻關，可以快速、精確地對真實場景進行三維重建，并在性能受限的平板電腦上流暢瀏覽高精細高真的三維場景，成功實現(xiàn)了既定目標，即將真實景觀世界搬進平板電腦。：真實景觀；三維重建；平板電腦；LiDAR3Dviewinpalm:puttingreallandscapeintotablet：Aim:Westudyatechnologytoput3DreallandscapeintoatabletPC.Methods:Weacquiremulti-sourcedatatodescribescene,thenextracttheinformationaboutposition,pattern,sizetextureofterrainandbuildings.Weutilizethedatatoreconstruct3Dmodel,thendeveloptheapplicationavailableontabletPC.Results:WeintegrateairborneandterrestrialLiDARdatatoreconstruct3DbuildingsandconqueredtheinconsistencybetweentheneedofrenderinglargescenevividlyandrelativelylimitedperformanceoftabletPC.Conclusion:Aimedatmulti-sourcedata,wedevelopedautomaticalgorithmtomodelrealisticscenefastandaccuray.WiththeaidofdynamicloadingdynamicrenderingandLODtechnique,wemanagedtorunthehighlylifelikeandaccurate3Drealisticscenesmoothly.:reallandscape;3Dreconstruction;tabletPC;引 研究意 國內外研究進 三維重建技術研究進 掌上三維技術研究進 目 技術路 數(shù)據(jù)獲 CAD數(shù) 航空正射影 遙感影 數(shù)據(jù)（LiDAR數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)處 CAD數(shù) 航空正射影 遙感影 三維建 建筑 地 植 小 軟件開 觸摸操 動態(tài)加 關鍵技 航空與地面LiDAR數(shù)據(jù)自動集成技 航空LiDAR數(shù)據(jù)建筑物信息精細提取技 集成LiDAR與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型自動重建技 性能受限環(huán)境的大數(shù)據(jù)三維真實場景實時渲染技 初步成 附件........................................................................................................................................引地理信息產(chǎn)業(yè)是國際公認的高新技術產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的市闊，在資源管理、城市管理、電力資源輸送等領域發(fā)揮了舉足輕重的作用。目前，地理信息產(chǎn)業(yè)的應用與發(fā)展正從“平面三維”，“從靜態(tài)動態(tài)”，“從應用決策”，尤其是可以給人“身臨其境”平板電腦以其重量輕、體積小、便攜、觸控或聲控交互方式等特性，已經(jīng)給人們的生活方式帶來了巨大的變化。在便攜設備上如何進行精細三維重建，實現(xiàn)更好的用戶體驗，是未來各家高新技術公司的發(fā)展方向。將真實景觀世界“搬”進平板電腦，使三維展示的真實性、動態(tài)性與平板電腦的便攜性、易操作性結合，具有廣闊的市場前景和推廣價值：在城市規(guī)劃方面可以構建三維城市，開發(fā)城市智能交通系統(tǒng)；在動漫游戲方面，可以用于三維動畫、模擬游戲等；在文物保護方面可以進行古建等遺產(chǎn)數(shù)字化存檔、遺產(chǎn)保護；在災害監(jiān)測方面可以加強預防、進行受災分析和災后重建；在軍事方面可以開發(fā)戰(zhàn)場模擬、訓練等產(chǎn)品；此外在虛擬旅游景觀，虛擬駕駛，樓盤展示等很多方面也都能實現(xiàn)廣泛應用三維重建技術研究進展攝影測量技術是目前最經(jīng)濟快捷的城市建筑物的建模方法。但（1）影像數(shù)據(jù)包（2）（3）利用攝影測量的方法從影像重三維模型是一個綜合性的復雜問題。因此，基于攝影測量的三維重（AR）應用于城市地區(qū)這種方式較之攝影測量方法優(yōu)越。目前，使用點云（1）基于點云數(shù)據(jù)的（2）基于點云數(shù)據(jù)的幾何模型重建?；邳c云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格重建，基本原理是根據(jù)點云恢復物體表面。當物體表面是規(guī)則的幾何形狀時，點云數(shù)據(jù)會存在大量的冗余，使得恢復出來的網(wǎng)格也高度冗余，急劇增大內存耗費?；邳c云數(shù)據(jù)的幾何模型重建的原理是先對點云數(shù)據(jù)進行面片分割，得到初始面片范圍，然后對初始面片進行恢復，提取出面片的幾何信息，最后根據(jù)幾何信息進行人工建模。由于航空LiDAR點云數(shù)據(jù)的點間距大概為一米，因而重建掌上三維技術研究進展與傳統(tǒng)的桌面計算機相比，移動設備硬件資源極為有限，在移動計算環(huán)境中，其運算能力較差、數(shù)據(jù)能力較低、顯示設備尺數(shù)據(jù)計算能力和圖像處理能力有很大需求，使得對三維精細場景的求與動設備有性之間生了諸多。VainioBrachtl等人分別研發(fā)了用于瀏覽簡單三維圖形的瀏覽器和基于PDA的三維導航系統(tǒng)，但系統(tǒng)不具備實用性。比較成移動三維應用代表是版的Earth，雖然分析功能有限，但借助其以3D為主要技術特征的制圖公司，在其的產(chǎn)品已經(jīng)使用到三維的地圖應用。然而這些產(chǎn)品以犧牲真實場景的真度為代價，發(fā)展目本作品的技術路線為：數(shù)據(jù)獲取——三維建模軟件開發(fā)。3.1IKONOS遙感影像和航空（LiDAR）點云等已有數(shù)據(jù)，并使用LeicaScanstation2三維激光掃描儀通過實地掃描獲取地面LiDAR數(shù)據(jù)來獲取真實的地表覆蓋信息。下面就獲取到的以上幾種CADCAD數(shù)據(jù)主要是為了獲取道路分布和地形起伏情況，同時確定各個建筑模型的位置信息和邊緣信息。獲取的實驗區(qū)的原始CAD數(shù)據(jù)共有699個，、.2 航空正射影像本作品研制過程中，使用正射影像圖來直觀獲得建筑的詳細紋理和圖形信息。獲取得到的正射影像原始數(shù)據(jù)為TIF格式，大5000*5000，含紅、綠、3個波段3.3所示，實驗區(qū)的大部分區(qū)域位于圖中左下部分。細節(jié)展示圖見圖遙感影像IKONOS是世界上第一顆提供高分辨率影像的商業(yè)遙感衛(wèi)KONOS大21016像素*21891素，分率0.86m*0，段為，紅、藍三個波段（3.5所示。數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)遙感iDAR)是一種光學遙感技術，其利用激光脈沖的反射信息獲取被測目標與遙感器的距離或被照物體的固有屬性。根據(jù)搭載平臺可大致分為航天iDAR(paceboneiDAR)、航空iDAR(AiboneiDAR)、地面iDARTeestialiDAR)與車載iDAR(VehicleboneiDAR)。本作品研制過程中，使LiDAR數(shù)據(jù)有航空LiDAR點云和地面LiDAR點云兩種，航LiDAR數(shù)據(jù)用于獲取建筑物屋頂面片的形態(tài)、高程、傾向等信息，地面LiDAR數(shù)據(jù)用于獲取建筑物側面的點間1m，高程精15cm30cm，點數(shù)1100萬個，圖3.6(b)所示。要想獲得建筑物全方位的信息，需LiDAR點云與地面LiDAR點云進行集成，即配準到一起。對此，使用了一種建筑物輪廓約束的航空與地面LiDAR自動配準技術，技術詳情參見本文4.1節(jié)及附件八所述內容。(a)航空LiDAR數(shù) (b)地面LiDAR數(shù)圖3.6數(shù)據(jù)(LiDAR數(shù)據(jù)CAD邊線、柵欄欄桿、臺階這4種圖形信息。下面就以建筑物輪廓線的提取過程為例簡要敘述提取過第一步、在AutoCAD2012中將包含建筑物輪廓信息的圖層。第二步、新建一個DWG圖形文件，提取實驗區(qū)所有建筑物輪廓線第三步、在ArcCatalog中將其導出為GeoDatabase格式第四步、新建Shapefile文件，把建筑物輪廓數(shù)據(jù)到其中，第五步、將文件轉換到WGS84坐標系統(tǒng)中3.7航空正射影像在作品研制過程中，航空正射影像的預處理相對于其他數(shù)據(jù)較ArcMap中將其轉換到WGS84坐標系統(tǒng)中。遙感影像由于本數(shù)據(jù)覆蓋市主城區(qū)，幅面較大，給直接處理帶來一定難度。因而不適宜直接使用，需對其進行裁剪和投影糾正。具體步驟如下：中新建一個與原始IKONOS影像有相同的投影的Shapefile多邊形文件，在其中描繪出實驗區(qū)的范圍，并保存。在ArcMap中對原始LiDAR數(shù)數(shù)據(jù)預處理主要對其進行裁剪和格式轉換的操作點云數(shù)據(jù)轉換為Shapefile數(shù)據(jù)格式第二步，在ArcMap中裁剪出實驗區(qū)范圍內的點云數(shù)據(jù)建筑物信息提取本作品在研制過程中，使用了一種基于三角網(wǎng)動態(tài)的航空LiDAR數(shù)據(jù)建筑物點精細分割技術，以實現(xiàn)從原始航空LiDAR數(shù)LiDAR數(shù)由于通常需要幾個測站才能完成掃描過程，需要對幾個測站的地面iDAR數(shù)據(jù)進行拼接、去噪處理；掃描使用的儀器為eicacanaton2，其數(shù)據(jù)格式也為格式，也需轉換為其他格式以方便后續(xù)使用。第一步，在布設相鄰兩個站點的時候，需要對站點的范圍進3Cycone點的公共同名標靶，確定站點之間的位置關系，進而計算兩個測站第三步，在Cyclone軟件中將點云數(shù)據(jù)導出為.xyz格式數(shù)3.10所示建，其中以建筑物最為復雜。建筑LiDR與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型自動重建技術從iDAR點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)中自動提取建筑（4.3節(jié)及附件十中內容對于形狀不規(guī)則的復雜建筑物，使用航LiDAR數(shù)據(jù)獲取頂部1制作剖面根據(jù)集成的點云數(shù)據(jù)進行剖面圖的制作主要有兩個途徑，即通過AutoCADoinCloudCAD軟件。使用AutoCAD進行剖面圖的制Leica公司開發(fā)了一個AutoCAD的插件CloudWorx，可以將Scanstation2掃描得到的點云數(shù)據(jù)直接導入AutoCAD中，進行剖面（2）使用PointCloudCAD進行剖面圖的制PointCloudCAD2010是一套高性能CAD、測量和點云系統(tǒng)。接在點云上繪制曲線。③臨時和現(xiàn)場繪制模式顯示在CAD被建立的圖元。④點云處理搭配TechsoftHoops可處理上幾千萬個點。(a) 2從剖面圖到三3dsMax中導入制作好的剖面圖（三視圖，首先根據(jù)俯視圖描繪出建筑物的水平輪廓，根據(jù)側視圖對建筑物的各個墻體單獨進行刻畫。建好模型后，使用實拍進行貼圖。地證。由于實驗區(qū)地形整體較為平坦，選用編輯網(wǎng)格方式建模。使用AutoCAD格式圖件作為參考底圖，繪制1：1的平面地形模型，再根據(jù)航空iDAR等數(shù)據(jù)繪制高低起伏形態(tài)，并預留建筑物模型落圖區(qū)域，具體步驟如下：CAD底圖繪制道根據(jù)LiDAR點及確定道路起伏變調整道路節(jié)點高繪制不同高程的面片以填充道路間的區(qū)根據(jù)CAD底圖繪制建筑物區(qū)域并留給道路、草地貼3.13植由于實驗區(qū)植被覆蓋度較高，為減小數(shù)據(jù)量，植被的模型使用十字面片表達。在hotoshop3sMax中新建兩個垂直相交等大的面片，將制作好的植被透明貼圖貼“”。3.14小小品包括路牌、宣傳欄、路燈、紀念碑石、石凳、雕塑等，難易程度不一。對于簡單的小品，按照建筑物的思路進行建模即可；對于十分復雜的小品（如雕塑等（如eomagic等生成不規(guī)則三角網(wǎng)，3dsMax中進行貼圖。3.15流。但要將三維場景中各種資源進行整合，再現(xiàn)真實世界組合用了一種性能受限環(huán)境的大數(shù)據(jù)三維真實場景實時渲染技術，技術詳情參見本文4.4節(jié)及附件十一所述內容。觸摸操3.16在屏幕添加兩塊觸摸區(qū)域，通過的控制，分別用于行走和口轉動，雙擊進行跳躍。觸摸區(qū)域可以感知觸摸的點擊和滑動，實現(xiàn)和場景的交互。通過控制機的移動、轉動力的大小，使得三維場更為真實。動態(tài)加C樣流暢，有時甚至會導致程序或者設備死機，開發(fā)了智能動態(tài)模型信息打包通過程序將模型以及它用到的材質與貼圖，打包成一種3D引擎定位置，用于后期加載使用緩存的使用在設備的器和內存之間，建立機制。一次加載之后，下次加載就能顯著提高加載速度。線程控由于同時有很多模型需要同時加載，建立線程控制。當主線程空閑時，進行加載，有效避免了同時加載過多模型造成的主線動態(tài)加模型需要加載。動態(tài)卸最后，通過一系列的調試與內存使用優(yōu)化，達到了整個場景模型的負載均衡與動態(tài)加載，實現(xiàn)了平板設備上運行大場景三維模型航空與地面LiDAR數(shù)據(jù)自動集成技RiDAR物詳盡的側面信息，掃描精度也極高，然而掃描范圍有限，頂部信息也難以獲得。兩者的集成能夠全面地反應地物各個尺度，各個方iDARiDAR數(shù)據(jù)獲取平臺、獲取視角、空間分辨率、覆蓋范圍等差異，且數(shù)據(jù)為三維離散點，兩者之間的配準十分。本作品研制過程中，使用了一種基于建筑物輪廓約束的航航航空輪廓提 提取初始輪廓提 的輪廓精 地面輪廓提高差閾值篩選格 輪廓密度估計匹配輪大于閾配準關系計建筑角點提輪廓投二維角角點高三維角地數(shù)航數(shù)點云配地面LiDAR數(shù)據(jù)自動配準方法（流程如圖41，詳細步驟如下第一步、提取建筑物輪廓使用格網(wǎng)最大高差法從航空LiDAR數(shù)據(jù)中提取建筑物輪廓，簡稱航空輪廓；使用層次格網(wǎng)密度法從地面LiDAR數(shù)據(jù)中提取建筑物輪廓，簡稱地面輪廓。第二步、提取建筑物角點——第三步、配準關系計算——使用航空角點與地面角點迭代計算轉換矩陣，用該轉換矩陣對地面輪廓進行轉換，并使用航空輪廓與轉換后地面輪廓的匹配度作為控制約束條件，當航空輪廓與轉換后地面輪廓之間成功匹配的線段對數(shù)滿足給定閾值時停止迭代。最后使用CP算法對匹配的角點計算點云配準轉換關系。第四步、LiDAR數(shù)據(jù)配準——使用配準轉換關系對地面數(shù)據(jù)進行轉換，得到最終配準結果(a)航空LiDAR點云數(shù) (b)地面LiDAR點云數(shù) (c)航空輪廓與航空角 (d)地面輪廓與地面角4.2ABCDABCD4.3航空 數(shù)據(jù)建筑物信息精細提取技從iR過程。已有的分割方法大多難以區(qū)分靠近或緊貼建筑物的樹木，建本作品研制過程中，使用了一種基于反向迭代數(shù)學形態(tài)學的建筑物點分割方法和一種基于三角網(wǎng)動態(tài)的建筑物點分割精化方法，iDAR建筑提取后處輪廓精 基線選建筑提取后處輪廓精 基線選 候選點確 以一定步長縮小窗反向迭代數(shù)學形態(tài)學算濾波結果對比尋找點（差>閾值濾波結 保留否是迭代結44iDAR數(shù)據(jù)，使用反向迭代數(shù)45iDAR點的粗糙度，第三步、輪廓精化。為了在初步分割的基礎上實現(xiàn)大幅的精度R譜信息，以初步分割基礎上獲得的可靠建筑物區(qū)域為區(qū)域，設對粗略分割后的建筑物點與非建筑物點進行二維網(wǎng)格劃根據(jù)劃分的網(wǎng)格內LiDAR數(shù)據(jù)點的粗略分割結果，將網(wǎng) 46LiDAR數(shù)據(jù)點即為建筑物點，從而完成集成 與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型自動重建技單純地以影像數(shù)據(jù)或者是LiDAR數(shù)據(jù)進行建筑物的自動重建都R三維建筑模型自動重建方法，具體流程如圖4.7，包括以下步驟： 影像邊緣線 邊緣線段左 共線方程解 多視屋脊 多邊形構 屋脊線高 編組、融第一步、屋頂面片提取。使用了一種三角形簇和三角形動態(tài)傳第二步、屋脊線生成。對于人字形屋頂，采用屋頂面片相交方法獲取準確屋脊線；對于階躍式屋頂，使用了一種基于LiDAR數(shù)據(jù)和影像的屋脊線精確提取算法，包括影像線段提取、屋脊線篩選、第三步、三維屋頂重建。綜合屋脊線與建筑物外緣