正文掌上三維游把景觀世界搬進(jìn)平板電腦

掌上三維游：把真實(shí)景觀世界搬進(jìn)平板電腦：目的：探討把三維真實(shí)景觀世界搬進(jìn)平板電腦（移動(dòng)便攜設(shè)備）的技術(shù)，并以某大學(xué)校園為實(shí)驗(yàn)區(qū)，在平板電腦上重建其三維真實(shí)場景。方法：獲取能夠刻畫真實(shí)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(jié)構(gòu)、形態(tài)、大小和紋理等結(jié)果：攻克了集成iDAR點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型重建技術(shù)，以及動(dòng)態(tài)加載、動(dòng)態(tài)渲染和層次細(xì)節(jié)顯示技術(shù)，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(jié)論：圍繞“數(shù)據(jù)獲取—數(shù)據(jù)處理—三維建模—軟件開發(fā)”的主線，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，可以快速、精確地對真實(shí)場景進(jìn)行三維重建，并在性能受限的平板電腦上流暢瀏覽高精細(xì)高真的三維場景，成功實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)，即將真實(shí)景觀世界搬進(jìn)平板電腦。：真實(shí)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(nèi)外研究進(jìn) 三維重建技術(shù)研究進(jìn) 掌上三維技術(shù)研究進(jìn) 目 技術(shù)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(dòng)態(tài)加 關(guān)鍵技 航空與地面LiDAR數(shù)據(jù)自動(dòng)集成技 航空LiDAR數(shù)據(jù)建筑物信息精細(xì)提取技 集成LiDAR與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型自動(dòng)重建技 性能受限環(huán)境的大數(shù)據(jù)三維真實(shí)場景實(shí)時(shí)渲染技 初步成 附件........................................................................................................................................引地理信息產(chǎn)業(yè)是國際公認(rèn)的高新技術(shù)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(lǐng)域發(fā)揮了舉足輕重的作用。目前，地理信息產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展正從“平面三維”，“從靜態(tài)動(dòng)態(tài)”，“從應(yīng)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(shè)備上如何進(jìn)行精細(xì)三維重建，實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)，是未來各家高新技術(shù)公司的發(fā)展方向。將真實(shí)景觀世界“搬”進(jìn)平板電腦，使三維展示的真實(shí)性、動(dòng)態(tài)性與平板電腦的便攜性、易操作性結(jié)合，具有廣闊的市場前景和推廣價(jià)值：在城市規(guī)劃方面可以構(gòu)建三維城市，開發(fā)城市智能交通系統(tǒng)；在動(dòng)漫游戲方面，可以用于三維動(dòng)畫、模擬游戲等；在文物保護(hù)方面可以進(jìn)行古建等遺產(chǎn)數(shù)字化存檔、遺產(chǎn)保護(hù)；在災(zāi)害監(jiān)測方面可以加強(qiáng)預(yù)防、進(jìn)行受災(zāi)分析和災(zāi)后重建；在軍事方面可以開發(fā)戰(zhàn)場模擬、訓(xùn)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(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用三維重建技術(shù)研究進(jìn)展攝影測量技術(shù)是目前最經(jīng)濟(jì)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(gè)綜合性的復(fù)雜問題。因此，基于攝影測量的三維重（AR）應(yīng)用于城市地區(qū)這種方式較之?dāng)z影測量方法優(yōu)越。目前，使用點(diǎn)云（1）基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的（2）基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何模型重建。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的網(wǎng)格重建，基本原理是根據(jù)點(diǎn)云恢復(fù)物體表面。當(dāng)物體表面是規(guī)則的幾何形狀時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會存在大量的冗余，使得恢復(fù)出來的網(wǎng)格也高度冗余，急劇增大內(nèi)存耗費(fèi)?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何模型重建的原理是先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行面片分割，得到初始面片范圍，然后對初始面片進(jìn)行恢復(fù)，提取出面片的幾何信息，最后根據(jù)幾何信息進(jìn)行人工建模。由于航空LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)間距大概為一米，因而重建掌上三維技術(shù)研究進(jìn)展與傳統(tǒng)的桌面計(jì)算機(jī)相比，移動(dòng)設(shè)備硬件資源極為有限，在移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中，其運(yùn)算能力較差、數(shù)據(jù)能力較低、顯示設(shè)備尺數(shù)據(jù)計(jì)算能力和圖像處理能力有很大需求，使得對三維精細(xì)場景的求與動(dòng)設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)，但系統(tǒng)不具備實(shí)用性。比較成移動(dòng)三維應(yīng)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(shù)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(yīng)用。然而這些產(chǎn)品以犧牲真實(shí)場景的真度為代價(jià)，發(fā)展目本作品的技術(shù)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(diǎn)云等已有數(shù)據(jù)，并使用LeicaScanstation2三維激光掃描儀通過實(shí)地掃描獲取地面LiDAR數(shù)據(jù)來獲取真實(shí)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(shí)確定各個(gè)建筑模型的位置信息和邊緣信息。獲取的實(shí)驗(yàn)區(qū)的原始CAD數(shù)據(jù)共有699個(gè)，、.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(xì)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(gè)波段3.3所示，實(shí)驗(yàn)區(qū)的大部分區(qū)域位于圖中左下部分。細(xì)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(lán)三個(gè)波段（3.5所示。數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)遙感iDAR)是一種光學(xué)遙感技術(shù)，其利用激光脈沖的反射信息獲取被測目標(biāo)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(diǎn)云和地面LiDAR點(diǎn)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(cè)面的點(diǎn)間1m，高程精15cm30cm，點(diǎn)數(shù)1100萬個(gè)，圖3.6(b)所示。要想獲得建筑物全方位的信息，需LiDAR點(diǎn)云與地面LiDAR點(diǎn)云進(jìn)行集成，即配準(zhǔn)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(dòng)配準(zhǔn)技術(shù)，技術(shù)詳情參見本文4.1節(jié)及附件八所述內(nèi)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(gè)DWG圖形文件，提取實(shí)驗(yàn)區(qū)所有建筑物輪廓線第三步、在ArcCatalog中將其導(dǎo)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(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)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(yù)處理相對于其他數(shù)據(jù)較ArcMap中將其轉(zhuǎn)換到WGS84坐標(biāo)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(jìn)行裁剪和投影糾正。具體步驟如下：中新建一個(gè)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(shí)驗(yàn)區(qū)的范圍，并保存。在ArcMap中對原始LiDAR數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要對其進(jìn)行裁剪和格式轉(zhuǎn)換的操作點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Shapefile數(shù)據(jù)格式第二步，在ArcMap中裁剪出實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)的點(diǎn)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(dòng)態(tài)的航空LiDAR數(shù)據(jù)建筑物點(diǎn)精細(xì)分割技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)從原始航空LiDAR數(shù)LiDAR數(shù)由于通常需要幾個(gè)測站才能完成掃描過程，需要對幾個(gè)測站的地面iDAR數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)換為其他格式以方便后續(xù)使用。第一步，在布設(shè)相鄰兩個(gè)站點(diǎn)的時(shí)候，需要對站點(diǎn)的范圍進(jìn)3Cycone點(diǎn)的公共同名標(biāo)靶，確定站點(diǎn)之間的位置關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算兩個(gè)測站第三步，在Cyclone軟件中將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.xyz格式數(shù)3.10所示建，其中以建筑物最為復(fù)雜。建筑LiDR與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型自動(dòng)重建技術(shù)從iDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取建筑（4.3節(jié)及附件十中內(nèi)容對于形狀不規(guī)則的復(fù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剖面圖的制作主要有兩個(gè)途徑，即通過AutoCADoinCloudCAD軟件。使用AutoCAD進(jìn)行剖面圖的制Leica公司開發(fā)了一個(gè)AutoCAD的插件CloudWorx，可以將Scanstation2掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入AutoCAD中，進(jìn)行剖面（2）使用PointCloudCAD進(jìn)行剖面圖的制PointCloudCAD2010是一套高性能CAD、測量和點(diǎn)云系統(tǒng)。接在點(diǎn)云上繪制曲線。③臨時(shí)和現(xiàn)場繪制模式顯示在CAD被建立的圖元。④點(diǎn)云處理搭配TechsoftHoops可處理上幾千萬個(gè)點(diǎn)。(a) 2從剖面圖到三3dsMax中導(dǎo)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(cè)視圖對建筑物的各個(gè)墻體單獨(dú)進(jìn)行刻畫。建好模型后，使用實(shí)拍進(jìn)行貼圖。地證。由于實(shí)驗(yàn)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(yù)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(diǎn)及確定道路起伏變調(diào)整道路節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(dá)。在hotoshop3sMax中新建兩個(gè)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(jì)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(jìn)行建模即可；對于十分復(fù)雜的小品（如雕塑等（如eomagic等生成不規(guī)則三角網(wǎng)，3dsMax中進(jìn)行貼圖。3.15流。但要將三維場景中各種資源進(jìn)行整合，再現(xiàn)真實(shí)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(shí)場景實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，技術(shù)詳情參見本文4.4節(jié)及附件十一所述內(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)，雙擊進(jìn)行跳躍。觸摸區(qū)域可以感知觸摸的點(diǎn)擊和滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)和場景的交互。通過控制機(jī)的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)力的大小，使得三維場更為真實(shí)。動(dòng)態(tài)加C樣流暢，有時(shí)甚至?xí)?dǎo)致程序或者設(shè)備死機(jī)，開發(fā)了智能動(dòng)態(tài)模型信息打包通過程序?qū)⒛Ｐ鸵约八玫降牟馁|(zhì)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(shè)備的器和內(nèi)存之間，建立機(jī)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(shí)有很多模型需要同時(shí)加載，建立線程控制。當(dāng)主線程空閑時(shí)，進(jìn)行加載，有效避免了同時(shí)加載過多模型造成的主線動(dòng)態(tài)加模型需要加載。動(dòng)態(tài)卸最后，通過一系列的調(diào)試與內(nèi)存使用優(yōu)化，達(dá)到了整個(gè)場景模型的負(fù)載均衡與動(dòng)態(tài)加載，實(shí)現(xiàn)了平板設(shè)備上運(yùn)行大場景三維模型航空與地面LiDAR數(shù)據(jù)自動(dòng)集成技RiDAR物詳盡的側(cè)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(yīng)地物各個(gè)尺度，各個(gè)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(diǎn)，兩者之間的配準(zhǔn)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(jì)匹配輪大于閾配準(zhǔn)關(guān)系計(jì)建筑角點(diǎn)提輪廓投二維角角點(diǎn)高三維角地?cái)?shù)航數(shù)點(diǎn)云配地面LiDAR數(shù)據(jù)自動(dòng)配準(zhǔn)方法（流程如圖41，詳細(xì)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(diǎn)——第三步、配準(zhǔn)關(guān)系計(jì)算——使用航空角點(diǎn)與地面角點(diǎn)迭代計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣，用該轉(zhuǎn)換矩陣對地面輪廓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并使用航空輪廓與轉(zhuǎn)換后地面輪廓的匹配度作為控制約束條件，當(dāng)航空輪廓與轉(zhuǎn)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(shí)停止迭代。最后使用CP算法對匹配的角點(diǎn)計(jì)算點(diǎn)云配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系。第四步、LiDAR數(shù)據(jù)配準(zhǔn)——使用配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換關(guān)系對地面數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到最終配準(zhǔn)結(jié)果(a)航空LiDAR點(diǎn)云數(shù) (b)地面LiDAR點(diǎn)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(xì)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(xué)形態(tài)學(xué)的建筑物點(diǎn)分割方法和一種基于三角網(wǎng)動(dòng)態(tài)的建筑物點(diǎn)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(diǎn)確 以一定步長縮小窗反向迭代數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算濾波結(jié)果對比尋找點(diǎn)（差>閾值濾波結(jié) 保留否是迭代結(jié)44iDAR數(shù)據(jù)，使用反向迭代數(shù)45iDAR點(diǎn)的粗糙度，第三步、輪廓精化。為了在初步分割的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大幅的精度R譜信息，以初步分割基礎(chǔ)上獲得的可靠建筑物區(qū)域?yàn)閰^(qū)域，設(shè)對粗略分割后的建筑物點(diǎn)與非建筑物點(diǎn)進(jìn)行二維網(wǎng)格劃根據(jù)劃分的網(wǎng)格內(nèi)LiDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)的粗略分割結(jié)果，將網(wǎng) 46LiDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)即為建筑物點(diǎn)，從而完成集成 與影像數(shù)據(jù)的三維建筑模型自動(dòng)重建技單純地以影像數(shù)據(jù)或者是LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物的自動(dòng)重建都R三維建筑模型自動(dòng)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(gòu) 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(dòng)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(zhǔn)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