無人機傾斜攝影建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用

摘 要
針對于虛擬現(xiàn)實平臺中構(gòu)建三維場景的費時費力問題，基于無人機傾斜攝影建模技術(shù)構(gòu)建三維模型，利用 3DS Max 建模軟件進(jìn)行模型優(yōu)化，并結(jié)合 Unity 3D 引擎構(gòu)建并完成了虛擬校園平臺的開發(fā)。實踐結(jié)果表明，構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實平臺，能夠?qū)o人機傾斜攝影建模技術(shù)構(gòu)建的三維場景模型很好的應(yīng)用在該平臺上，同時 Unity 3D 引擎具有良好的開發(fā)環(huán)境，是虛擬現(xiàn)實平臺的強大開發(fā)工具。
關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；傾斜攝影測量技術(shù)；Unity 3D；三維模型；虛擬漫游
引 言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，特別是在智慧城市建設(shè)方面。所謂虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)是一門集成了人與信息的科學(xué)，是由計算機技術(shù)構(gòu)建的虛擬世界。它既是虛擬的，也是真實的，也可以是真實世界對虛擬世界的映射。
如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。與此同時，計算機硬件和軟件的升級使虛擬現(xiàn)實技術(shù)得以更好的發(fā)展。一個真實的三維場景是虛擬現(xiàn)實平臺建設(shè)的基石，所以需要建設(shè)一個良好的虛擬現(xiàn)實平臺，必須擁有一個逼真的虛擬環(huán)境。在傳統(tǒng)的三維場景建模中，需要到實地采集照片，進(jìn)行紋理貼圖制作，同時還得花費大量的人力進(jìn)行模型場景的構(gòu)建。城市在高速發(fā)展，城市三維場景需要不斷的更新，這時需要一種全自動或者半自動的三維場景建模技術(shù)來解決當(dāng)下的問題。如果將無人機傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建的三維場景模型應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，將大大縮短虛擬平臺的建設(shè)周期，利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲取豐富的紋理信息數(shù)據(jù)，生成高密度三維點云和三維TIN 網(wǎng)格模型，結(jié)合自動化軟件構(gòu)建三維模型，實現(xiàn)三維場景的快速、高效、低成本的真實還原，用現(xiàn)勢的三維場景模型呈現(xiàn)城市信息，在城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和應(yīng)急響應(yīng)中起著極其重要的作用。
應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計流程及關(guān)鍵技術(shù)
本文將無人機傾斜攝影建模技術(shù)應(yīng)用于在虛擬現(xiàn)實中，其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計流程如圖 1 所示。具體步驟為：
①通過無人機航拍采集傾斜影像，檢查相鄰航帶側(cè)視影像飛行方向是否一致，確定圖像放置位置和攝像機參數(shù)設(shè)置，確定無誤后便可以進(jìn)行空中三角測量。
②在確認(rèn)影像數(shù)據(jù)正確后，進(jìn)行空中三角測量。根據(jù)少量的野外控制點，進(jìn)行控制點加密，獲得精確外方位元素，并通過多視影像密集匹配尋找連接點，構(gòu)建三維 TIN 網(wǎng)格。對于數(shù)據(jù)較大區(qū)塊，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊處理，本次實驗選擇自適應(yīng)切塊，可以快速的自適應(yīng)計算機 RAM 使用量，根據(jù)當(dāng)前計算機的性能給出一個參考范圍，在范圍內(nèi)設(shè)置目標(biāo) RAM 使用量值來順利進(jìn)行三維重建。
③根據(jù)三維 TIN 網(wǎng)格每個三角形瓦片的法線方程與二維圖像之間的夾角篩選出對應(yīng)的最優(yōu)紋理信息，完成自動紋理映射；
④ 輸出并獲得 OBJ 格式三維場景模型，并導(dǎo)入 3DS Max 中進(jìn)行場景優(yōu)化。將其轉(zhuǎn)為可編輯多邊形，便可進(jìn)行懸浮物刪除，模型裁剪、變形修改等操作，然后在 UVW 展開界面修改映射錯誤的紋理。
⑤將優(yōu)化好的模型導(dǎo)出 OBJ 格式至 Unity 3D 引擎，通過C#語言寫動態(tài)交互功能腳本，實現(xiàn)場景的實時驅(qū)動、用戶界面和場景漫游等功能，完成該虛擬漫游系統(tǒng)。
01
傾斜影像聯(lián)合空中三角測量
由于無人機航拍的傾斜影像中不僅有垂直影像數(shù)據(jù)還包括多個傾斜角度拍攝的影像數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的同名像點自動量測算法已不能適用于傾斜影像。通過在同一飛行平臺上使用多個傳感器，在拍攝影像時記錄影像參數(shù)：包括航高、航向、航速、旁向重疊度和坐標(biāo)等，獲取以拍攝瞬間的 POS 觀測值作為原始影像粗略的初始外方位元素，結(jié)合傳感器的成像模型，通過成像模型可計算得到多視影像上每個像元的物方坐標(biāo)，進(jìn)行相對定向，再進(jìn)行精確匹配，結(jié)合少量的野外控制點(像控點)坐標(biāo)，得到傾斜影像聯(lián)合空中三角測量成果。
02
多視影像密集匹配及TIN網(wǎng)格構(gòu)建
多視影像進(jìn)行密集匹配的實質(zhì)就是確定影像之間的同名像點。為防止遮擋對匹配造成的影響，匹配過程中還需過濾冗余信息。影像匹配的算法分 3 類：灰度匹配、特征匹配和關(guān)系匹配，匹配的共性就是在影像上按照匹配策略找同名點。根據(jù)獲取的同名點坐標(biāo)，生成高密度 3D 點云數(shù)據(jù)，得到不同細(xì)節(jié)層次三角 TIN 網(wǎng)格模型。同時，通過相關(guān)算法的優(yōu)化，簡化了相對平坦區(qū)域的三角網(wǎng)絡(luò)，減少了數(shù)據(jù)冗余，進(jìn)而獲取地物的三維信息。因此，影像匹配是后期自動生成數(shù)字表面模型、三維建模的技術(shù)基礎(chǔ)。
03
多視影像聯(lián)合平差
目前相對成熟的多視影像聯(lián)合平差方法為:利用由粗到精的金字塔匹配方法。利用 POS 系統(tǒng)得到的多視影像外方位元素，實現(xiàn)每級影像同名點的自動匹配以及自由網(wǎng)光束法平差。當(dāng)獲得了比較好的同名點匹配結(jié)果時，建立像控點坐標(biāo)、GPU/IMU 輔助數(shù)據(jù)和連接點線的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，經(jīng)過聯(lián)合解算，保證平差結(jié)果的準(zhǔn)確性。
04
重建自動紋理映射技術(shù)
傾斜攝影技術(shù)在虛擬城市中作為一項重要數(shù)據(jù)源，自動紋理映射技術(shù)可以從海量的影像數(shù)據(jù)中，快速、高效獲取豐富的紋理信息，能夠真實地反映地面的客觀情況，生成高質(zhì)量的三維場景，滿足現(xiàn)代社會的需求。
傳統(tǒng)的城市三維建模的方法是：
結(jié)合正射影像、測區(qū) CAD 地形圖等數(shù)據(jù)，建立初始白模，在實地采集照片，然后對照片進(jìn)行處理，將紋理映射在白模上。這種方法消耗大量的人力、物力、財力。
自動紋理映射技術(shù)的出現(xiàn)就能夠很好地解決這個問題。無人機傾斜影像一般都是較高分辨率的影像，可以很好地呈現(xiàn)實地情況，滿足一定精度的建模。自動紋理映射技術(shù)是利用影像的內(nèi)、外方位元素，恢復(fù)拍攝影像時的瞬間姿態(tài)，然后通過聯(lián)系模型面與傾斜影像之間的索引關(guān)系，以三角網(wǎng)（TIN）模型為基礎(chǔ)，根據(jù)數(shù)字三維技術(shù)和空間幾何技術(shù)相結(jié)合，對每一張影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間篩選，找出最符合模型的影像集，進(jìn)行影像像素采樣并讀入到模型上，自動完成紋理映射。
05
場景漫游技術(shù)
虛擬現(xiàn)實注重人機交互的過程，其中場景漫游技術(shù)的重要性便不言而喻了。場景漫游技術(shù)是指在虛擬場景中借助必要的裝備實現(xiàn)全方位多角度瀏覽該虛擬場景的操作。如：通過鍵盤控制和鼠標(biāo)控制,能讓用戶在虛擬場景中前后左右任意方向行走等。在設(shè)計方面，本次實驗制作分為空中漫游和地面漫游，通過控制飛機的姿態(tài)傾斜和速度快慢實現(xiàn)對虛擬場景的鳥瞰、俯視和穿梭等操作，另外也可將飛機著陸并進(jìn)行地面漫游，其界面中加入實時地圖導(dǎo)航，極大的賦予了該場景漫游的多樣性，給人不一樣的觀賞感受。
模型實現(xiàn)
本次實驗采用的建模系統(tǒng)為 Smart3D Capture 全自動三維建模系統(tǒng)。Smart3D Capture 處理流程如圖 2 所示，局部區(qū)域三維場景如圖 3 所示。
▲圖3 局部區(qū)域三維場景
01
三維模型的優(yōu)化
如今，傾斜攝影技術(shù)在三維場景建模方面取得了一定的成就。Smart3D Capture 軟件系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理能快速生成三維場景模型，但是還是有些地方是需要進(jìn)行改進(jìn)和完善的。如在樹林、水面、不規(guī)則的建筑物或是在建筑物遮擋比較嚴(yán)重的地方，建立的模型會存在一些變形或缺失。為了解決這些問題，后期我們可以用 ZR-Modeler進(jìn)行模型優(yōu)化處理，主要進(jìn)行模型懸浮物的刪除、模型的裁剪、模型紋理錯亂修改、模型變形修改等，模型紋理修改前后如圖 4 所示。
▲圖 4 模型紋理修改前后
02
三維模型的精度分析
在三維模型瀏覽平臺下查看模型的結(jié)果，地形的紋理、顏色、形狀和空間位置基本上與現(xiàn)實環(huán)境相同。地理要素類型齊全，建筑、道路等主要設(shè)施輪廓清晰。進(jìn)行空中三角測量的影像成功率為 96.99%，空中三角測量誤差報告中誤差各值小于 1 像素。空中三角測量誤差見表 1。
▲表 1 空中三角測量誤差
為更直觀體現(xiàn)模型精度，對模型中圖書館樓梯的長度和寬度進(jìn)行了量測和檢驗，詳見圖 5 所示。
▲圖 5 圖書館樓梯長度量測
從 Acute3D Viewer 中量測可以得到圖書館長寬分別為 35.77 和 13.90 m，實地用 30 m 鋼卷尺測量出的長寬分別為 35.73 和 13.87 m，模型中量測值與實地量測數(shù)據(jù)十分接近，充分體現(xiàn)了模型的高精度，為后續(xù)的系統(tǒng)應(yīng)用提供了精度保障。
系統(tǒng)實現(xiàn)
Unity 3D 是由 Unity Technologies 開發(fā)的多平臺集成游戲開發(fā)工具，可讓用戶輕松創(chuàng)建交互式內(nèi)容。本文采用 Unity 3D 引擎構(gòu)建校園虛擬漫游系統(tǒng)，具有模型兼容性好、運行穩(wěn)定、交互設(shè)計多樣等優(yōu)點。以桂林理工大學(xué)為試驗地區(qū)，規(guī)劃功能需求，制定桂林理工大學(xué)虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)實現(xiàn)流程如圖 6 所示。
▲圖 6 系統(tǒng)實現(xiàn)流程
01
場景模型導(dǎo)入
將 3DS Max 導(dǎo)出的 OBJ 格式的模型文件置入 Unity3D 場景中進(jìn)行位置擺放。創(chuàng)建燈光以實現(xiàn)在不同氣候條件下的校園場景，如晴天，陰天，霧天、雨天等場景。調(diào)節(jié)光線，調(diào)整至合適亮度，體現(xiàn)出空間層次感。添加碰撞，可以用內(nèi)置的 Box Collider 或者 Mesh Collider 碰撞組件，對地面、建筑和樹等場景添加該屬性。
02
角色漫游的設(shè)計與實現(xiàn)
在虛擬系統(tǒng)中，實現(xiàn)漫游是最基本的功能，Unity 3D 已經(jīng)設(shè)計有角色控制器組件（Characters），import Package→Characters，可以直接調(diào)用，需要調(diào)整視角、位置、奔跑速度和加速度等參數(shù)。默認(rèn)情況下，用戶按下 W、S、A 和 D 鍵，同時控制鼠標(biāo)調(diào)整視野位置，實現(xiàn)人物在場景中漫游的效果。
03
GUI界面的設(shè)計和實現(xiàn)
在本漫游系統(tǒng)中，GUI 界面是用戶與系統(tǒng)之間的橋梁。通過 GUI 界面的引導(dǎo)，用戶可以進(jìn)入其他界面進(jìn)行瀏覽，同時用戶也可以自行選擇不同的場景，實現(xiàn)相應(yīng)的漫游功能。在 GUI 主界面，共創(chuàng)建了多個菜單選項，包括校園漫步、校園航飛、學(xué)校簡介、導(dǎo)航、幫助等菜單選項。本系統(tǒng)中 GUI 界面的創(chuàng)建，首先在工程視圖中，右擊 Create→UI，將所需要的控件加入到 Canvas，并調(diào)整到合適的位置，最后將控件所要實現(xiàn)的功能代碼加入到 UI 中。由于組件較多，可以構(gòu)建思維導(dǎo)圖用來規(guī)劃邏輯，以免遺漏。主界面 GUI 如圖 7 所示。
▲圖 7 主界面 GUI
3.4 系統(tǒng)生成先點擊頁面左上方的 file→Building settings，或者用快捷鍵 Ctrl +Shift +B 快速進(jìn)入，點擊 PC、Mac 所在的圖標(biāo)，選擇 Windows 系統(tǒng)，根據(jù)電腦選擇×86 還是×64，點擊 Build，給生成的文件夾重命名和選擇導(dǎo)出位置。
三維數(shù)字校園漫游界面如圖 8 所示。
▲圖 8 三維數(shù)字校園漫游界面
結(jié)束語
本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)和無人機傾斜攝影技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了校園虛擬漫游系統(tǒng)。利用傾斜攝影技術(shù)以及強大的圖像幾何運算軟件（Smart 3D Capture）來生產(chǎn)城市三維模型方法的可行性，快速構(gòu)建三維場景，并應(yīng)用 3DS Max 建模軟件進(jìn)行場景優(yōu)化，最后導(dǎo)入 Unity 3D 引擎實現(xiàn)虛擬漫游的技術(shù)路線和實施方案，實現(xiàn)了三維交互式校園布局展示功能。該系統(tǒng)開發(fā)基本達(dá)到預(yù)期目的，實現(xiàn)了碰撞檢測、虛擬漫游等功能，該系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)對后續(xù)虛擬城市項目建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。
來源：《桂林理工大學(xué)學(xué)報》
作者：康傳利、程耀、石靈璠
原標(biāo)題：《學(xué)術(shù)丨無人機傾斜攝影建模技術(shù)在虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用》