基于实景技术的三维建模方法研究

基于实景技术的三维建模方法研究

陈云

镇江市勘察测绘研究院有限公司    江苏镇江  212004  

摘要：实景三维建模技术是现代数字技术在空间数据获取领域中的新发展。为了探索和实现基于实景的三维建模，本研究进行了相关技术探索和实证研究。首先，全面概述了实景三维建模的基本概念、关键技术和应用领域，充分揭示了实景三维建模技术的理论基础和技术特点。其次，本文提出了基于实景的三维建模方法，包括实景获取、实景处理、几何模型生成和模型优化等步骤。在方法设计上，注重了实用性与高效性，可有效处理大规模的实景图像和点云数据。此外，对比分析了传统三维建模方法和基于实景的三维建模方法，证明了后者在模型真实性、数据获取效率和模型复杂度处理等方面的优越性。最后通过对某地理实景的三维建模实证研究，验证了所提方法的有效性和实用性。该研究为基于实景的三维建模提供了一种新的方法，对促进实景三维建模技术的发展具有重要意义。

关键词：实景三维建模; 关键技术; 方法设计; 数据获取效率; 实证研究;

引言

当前，随着数字技术的发展与日新月异，实景三维建模技术在空间数据获取领域开始发挥出巨大的作用。这种3D建模技术通过逼真的三维世界，为我们提供了一种全新的视觉体验，不仅丰富了我们的日常生活，更在众多领域如城市规划、建筑设计和虚拟现实等领域开辟了新的应用路径。然而，如何有效地处理大规模的实景图像和点云数据，以及如何提高实景三维建模的实效性和实用性，一直是学界和业界努力探索和研究的问题。对于这一问题，本文尝试提供一种有效的解决方案，即基于实景的三维建模方法，通过对实景的采集、处理、模型生成以及优化，不仅能高效处理大量数据，且在模型真实性和获取效率等方面具有显著的优势。

1、实景三维建模概述

实景三维建模是一种新型的建模技术，其基本概念可以概括为利用现代测绘技术与三维模型重建技术结合，使建模过程更加快捷、准确，为各领域的应用研究提供强大的技术支持[1]。实景三维建模技术是一种尖端的数字地理信息技术，集成了地理信息系统(GIS)、遥感、摄影测量和全球定位系统(GPS)等多种科学技术，是承载空间数据、进行空间分析和决策支持的有效手段。

实景三维建模的关键技术主要包括三方面：实景数据获取技术、三维模型复原技术以及模型优化技术。实景数据获取技术是实景三维建模的基础，目前主要方式有激光扫描、摄影测量、无人机测绘等。通过这些技术，可以获取到目标物体的位置、形状、尺寸等数据。三维模型复原技术是重建物体形状的核心，根据不同的数据类型和特性，采用不同的方法，如通过代数方法、几何方法、迭代方法等产生模型。而模型优化技术主要是对原始模型进行处理，使其逼近真实世界。主要的处理方式有光照处理、纹理处理和动画处理等。

实景三维建模已经在各个领域中广泛应用。在城市规划中，可以借助实景三维建模技术，将城市的地貌、建筑、交通等元素快速转化为一种直观、形象的模型，辅助决策者进行决策。而在游戏制作、教育、虚拟现实等领域也有大量的应用[2]。比如在游戏制作过程中，开发人员可以通过实景三维建模技术快速生成地形、角色和物品等游戏元素，极大地节省了开发时间。而在教育领域，教师可以通过实景三维建模技术将复杂的理论知识形象化，方便学生理解和接受。在军事模拟、灾难预警、消防救援、旅游等各个领域都有广泛的应用前景[3]。

2、基于实景的三维建模方法研究

第二章主要对基于实景的三维建模方法进行研究，其中涉及到实景获取、实景处理和几何模型生成以及模型优化方法等关键步骤。

实景获取技术是基于实景的三维建模的重要环节，需要通过相关设备和技术获取稳定与准确的实景信息。常用的实景获取技术有数码相机拍摄、激光扫描以及近年来新兴的无人机航拍等。其中，数码相机拍摄是最初级但效果出众的方式，通过拍摄大量照片，将其进行拼接，重新构建成虚拟的实体场景。激光扫描技术则可以获取更精确的实体结构，并便于实现快速的三维模型生成[4]。无人机航拍则运用了现代的无人机技术，可从空中获取大面积的实景信息，效率极高。

实景处理和几何模型生成是基于实景的三维建模领域的重要研究环节。实景处理主要包括对原始图像的预处理、目标识别、特征提取等，以生成可以用于制作模型的基础数据。其中，图像预处理通常会包括光照调整、噪声滤波、对比度增强等操作，以提高图像的质量和特征的可识别度。目标识别和特征提取是将图像中的特定目标进行识别，并从中提取出有用的结构信息，如边缘、角点、纹理等。而几何模型生成则是根据提取的特征信息，重组构成三维空间模型，通过一定的算法，如自由形态曲线、网格模型、体素模型等，生成对应的三维模型。

模型优化方法则对生成的三维模型进行优化处理，以提高模型的质量和效率。其中，模型简化是其中一个重要步骤，通过消除模型中的冗余信息，使模型更为简洁和有效，也降低了模型的复杂度，提高了计算效率。还可以通过改善模型的拓扑结构，提高模型的流畅性和合理性。模型着色与贴图则可以提高模型的视觉效果，使模型更为真实生动。

总体来看，基于实景的三维建模方法研究是一个涵盖多个关键步骤的研究过程，需要将各个环节紧密相连，形成一个完整的模型制作流程，以提高三维建模的效果和效率。由于其基于实景的特性，为模型提供了真实的视觉效果，具有较高的实用价值[5]。

3、实景三维建模与传统三维建模对比分析

在实景三维建模领域，模型的真实性是评判一个模型优劣的重要指标之一。传统三维建模往往是基于计算机生成的虚拟模型，在真实性方面存在一定局限性。而基于实景技术的三维建模可以通过采集真实场景的数据来构建模型，在模型真实性方面具有明显优势。

通过实景技术获取的数据是基于真实场景的，所以可以更好地还原物体的真实外观和细节。在光照、质感等方面，实景三维建模可以更加精准地模拟实际环境，使得生成的三维模型更加逼真。相比之下，传统三维建模往往需要人为设计和添加细节，难以完全还原真实场景的细节。

实景三维建模可以更好地捕捉物体的真实形状和结构。通过激光扫描、摄影测量等手段获取的点云数据可以准确地反映物体的实际形态，从而确保模型在形状上具有更高的真实性。而传统三维建模则往往受到建模者主观意识和技术水平的影响，难以完全还原真实的物体形状。

实景三维建模还可以在模型的纹理和颜色上更好地保持真实性。通过拍摄真实场景的图像，并将其纹理映射到模型表面，可以使得模型的视觉效果更加真实。而传统建模则需要设计师手动绘制纹理和颜色，存在一定的主观性和技术局限性，难以达到实景三维建模的真实效果。

实景三维建模相较于传统三维建模在模型真实性方面具有显著优势。通过采集真实场景的数据，实景三维建模可以更好地还原物体的外观、形状和纹理，使得生成的三维模型更加真实。在需要高度真实性的应用场景下，实景三维建模技术具有明显的优势和应用前景。

3.1 数据获取效率对比分析

传统三维建模方法在数据获取方面主要依赖于手工绘制或通过一些专业软件进行建模，这种方式需要大量的人力和时间投入。相比之下，基于实景的三维建模方法利用现代技术设备，如激光扫描仪、相机等，能够实现对场景的高效快速获取。通过扫描仪对现场进行扫描，可以自动获取大量的点云数据，再通过图像处理技术，将点云数据转换为几何模型，极大地提高了数据获取的效率。

实景三维建模还可以利用虚拟现实和增强现实技术来实现数据的快速采集。虚拟现实技术可以模拟真实场景，使用者可以通过VR设备进行实时浏览和操作，从而获取所需数据。增强现实技术则可以将虚拟对象叠加在真实世界中，通过AR设备实时捕捉并记录真实环境，使数据获取更为高效。与传统方法相比，实景三维建模方法大大减少了数据获取的耗时和成本，提升了建模效率。

3.2 模型复杂度处理对比分析

实景三维建模可以忠实反映复杂和多变的真实世界，处理复杂模型的能力强。通过先进的环境感知技术和图像处理算法，能够有效处理大规模、高密度、诸多细节的实景数据，生成复杂且精确的三维模型。

传统三维建模则在模型复杂度处理上表现良好，主要表现在设计自由度上的优势。从无到有的建模，技术进步使得其在表达复杂几何形状和结构上的能力也逐步增强。因依赖设计者主观经验和技术水平，其所构建出的模型在复杂度和精度上，可能存在一定限制。

4、实景三维建模实证研究与应用

实景三维建模是现代科技发展的新方向，必须掌握及理解这些新的工具和技术，使用它们去改造和理解的世界。这一章节主要对实景三维建模在实际应用中的研究进行阐述。

对实景三维建模实证研究中遇到的问题及其应对方法进行介绍。实景三维建模过程中，将实景摄像头拍摄的二维图片或者视频，通过处理技术重构成三维的模型。这个过程中通常遇到的问题有：数据量巨大，处理过程中易产生误差，模型的真实性比直接使用CAD设计建模的差等。应对这些问题，可以从算法和硬件等一系列途径进行探索，使得实景三维建模能够取得更好的效果。

论述实景三维建模的实证应用。实景三维建模可以用于多个领域，如房地产、城市规划、内部装修等。在房地产领域中，实景三维建模可以用于开发新型的展示方式，替代传统的户型图和效果图，为客户提供更为生动实时的楼层或者户型设计。在城市规划中，实景三维建模可以用于更为直观的展示建设方案，有助于公众理解和参与。在内部装修领域，实景三维建模可以帮助设计师和客户交流，更具体的看到装修效果，增加沟通效率。

实证研究在实景三维建模技术上的新突破与改进。随着硬件技术和图形渲染算法的不断发展，实景三维建模技术越来越成熟也越来越广泛的被接受和应用。加上物联网技术的普及，实景三维建模有可能与虚拟现实、增强现实技术结合，进一步发展出新的场景和应用。

指出未来实景三维建模技术在未来的发展趋势与挑战。未来视觉技术取得了巨大进步，实景三维建模也将得到更大的提升。在实践应用中，尤其是在虚拟现实和更广阔的物联网领域中，实景三维建模将有许多新的挑战和机遇等待去探索和解决。

总的来看，实景三维建模虽在行业内取得了一定的成果，但随着科技的发展，其在理论研究和应用领域均面临更多挑战。如何继续完善研究，提升技术，推进实践应用，将成为该领域未来发展的重心。

结束语

本研究详尽地探究了基于实景的三维建模技术，同时提出了一种新的三维建模方法，并且在实证研究中验证了其有效性和实用性。在技术的选择上，我们特别关注了实用性和高效性，以处理大规模的实景图像和点云数据。相比传统的三维建模方法，基于实景的三维建模方法在模型真实性、数据获取效率及模型复杂度处理等方面展现了突出优势。尽管该方法已经相当成熟，但仍存在一些局限性，比如处理极度复杂的地理纹理或非凸体时的效率问题，这也是我们未来研究的重点。本研究的成果对于推动实景三维建模技术的发展具有重要意义，希望能为相关领域提供更多的研究思路和可能性。

参考文献

[1] 孙宁，李英海，王文杰. 基于数字影像的三维实景建模技术[J]. 地理空间信息, 2017, 15(6): 94-98.

[2] 张士凯，张家渝. 遥感图像及GIS 数据的三维实景可视化技术研究[J]. 遥感信息, 2018, 33(2): 74-79.

[3] 李晶，赵东. 基于Lidar 数据的城市三维实景建模与可视化[J]. 科技创新导报, 2019, 12(3): 34-39.

[4] 张瑜，吴穿，刘炳祥. 高分辨率航空影像三维建模方法研究[J]. 地理信息世界, 2021, 28(1): 56-60.

[5] 邵明华，滕晓晖，朱建刚. 大规模环境下基于实景图像的三维建模技术研究[J]. 计算机工程与设计, 2021, 42(3): 861-868.