以三維激光掃描雷達(dá)獲取精確的室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，提出了一種快速、準(zhǔn)確的提取點(diǎn)云中的建模信息和各模型相互關(guān)系的方法，對(duì)室內(nèi)三維場(chǎng)景進(jìn)行重建。首先對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行多站三維激光掃描，對(duì)獲得的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)得到整體的點(diǎn)云模型，然后進(jìn)行截取取得截面圖，對(duì)截面圖進(jìn)行重繪測(cè)量得到其精確數(shù)據(jù)，最后根據(jù)所得數(shù)據(jù)的特點(diǎn)使用不同的建模軟件對(duì)室內(nèi)的框架和細(xì)部結(jié)構(gòu)分別重建并組合，完成室內(nèi)建模工作。

1 室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模流程

以三維激光掃描儀獲得的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于室內(nèi)建模，是目前該領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向，本文應(yīng)用采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)三維場(chǎng)景重建，建模時(shí)根據(jù)需要選用Revit和SketchUp建模軟件，比較兩種軟件在建模時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，探尋交互應(yīng)用的方法，使三維室內(nèi)建模工作更快速高效，如圖 1所示。

2 室內(nèi)三維場(chǎng)景重建

SketchUp是最便利的三維草圖制作軟件，建模直觀，修改和分析也十分方便，有利于建模初期確定建模方案。而Revit具有強(qiáng)大的建模功能，建模完成時(shí)模型實(shí)體包含全部的信息，可以從任何角度、任何位置進(jìn)行剖切、截取并成圖，保證模型在任何情況下的精確性。但Revit建模的過(guò)程十分復(fù)雜且不便于大范圍的修改，所以并不適合草圖制作，對(duì)操作者要求較高。

在實(shí)際案例中，可以先用SketchUp軟件確定方案后再用Revit建模，一般對(duì)精度要求不是非常高的情況下，可以直接使用SketchUp，這樣可提高建模效率。

2.1 室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集及預(yù)處理

本文選用FARO和Z+F兩款激光掃描儀，對(duì)某地區(qū)一工作室進(jìn)行三維激光掃描獲取試驗(yàn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和對(duì)待測(cè)區(qū)域的分析，確定了6個(gè)測(cè)站的位置，測(cè)量時(shí)將激光雷達(dá)設(shè)置為室內(nèi)掃描，掃描距離為10 m。

測(cè)區(qū)含一衛(wèi)生間一廚房，將客廳部分改為工作場(chǎng)所。整個(gè)測(cè)區(qū)分為3部分，分別設(shè)站掃描。掃描后對(duì)整個(gè)室內(nèi)情況進(jìn)行拍照留取照片，留取近50張細(xì)致的照片建模時(shí)進(jìn)行比較。

1) 使用Cyclone軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，由于多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)在合并時(shí)點(diǎn)云的釋放量有限，但在點(diǎn)云處理時(shí)需要較高密度。因此在Cyclone的模型空間里，需要先查看合并后模型中點(diǎn)的數(shù)量并調(diào)整模型參數(shù)，讓點(diǎn)云模型的密度更大。

2) 對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行了去噪、去冗、抽稀、簡(jiǎn)化等工作獲得點(diǎn)云模型，并對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行截取取得截面圖，將截面圖導(dǎo)入AutoCAD中對(duì)點(diǎn)云截面圖進(jìn)行重新繪制獲得簡(jiǎn)化的截面線劃圖，對(duì)線劃圖進(jìn)行測(cè)量獲得特定區(qū)域特定物體的參數(shù)信息。

3) 如果數(shù)據(jù)有缺失，可以通過(guò)延長(zhǎng)、連接、對(duì)稱、旋轉(zhuǎn)等方法獲取所需的數(shù)據(jù)，分析所得數(shù)據(jù)，可以標(biāo)注的在AutoCAD中予以標(biāo)注，方便建模工作。

2.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)與點(diǎn)云剖切

點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，需要在剖切前對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，將原始的掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為建筑坐標(biāo)系，對(duì)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并配準(zhǔn)得到整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，如圖 2所示。根據(jù)這個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，可以了解室內(nèi)的構(gòu)造和家具家電等物品的位置信息，完成后續(xù)的各種分析、精確測(cè)量及建模工作。

將配準(zhǔn)好的點(diǎn)云模型定義到某一特定的建筑坐標(biāo)系下，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行橫向和縱向剖切。在Cyclone中打開配準(zhǔn)好的點(diǎn)云模型，使用其中的框選工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行選擇，選擇的點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能少。這是因?yàn)榧す饫走_(dá)掃描時(shí)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度大，掃描精度高導(dǎo)致掃描后的數(shù)據(jù)量巨大，如果不進(jìn)行這樣的選擇，不僅會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件產(chǎn)生嚴(yán)重的損害，還會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間在導(dǎo)入、導(dǎo)出數(shù)據(jù)上，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以選取時(shí)應(yīng)盡可能選取一個(gè)薄薄的、數(shù)據(jù)量少的點(diǎn)云層作為后續(xù)量測(cè)和繪制的平面。

選取平面位置時(shí)既不能過(guò)高也不能過(guò)低。選取過(guò)高的平面會(huì)導(dǎo)致缺少桌椅、家具和其他物品的位置信息;過(guò)低的平面會(huì)導(dǎo)致平面中的點(diǎn)云過(guò)于復(fù)雜混亂、難以分辨，導(dǎo)致誤差較大，無(wú)法精確建模。

選擇好剖切平面后，需對(duì)這個(gè)平面進(jìn)行多次剖切，這樣可以在后續(xù)精密量測(cè)時(shí)平衡剖切時(shí)偶然誤差帶來(lái)的影響，使建模更加精確。其截面圖如圖 3所示。

圖 3 橫向與縱向點(diǎn)云截面圖

2.3 點(diǎn)云剖面重繪制與量測(cè)

將剖切后得到切面點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出CAD可以打開的.dxf格式，使用AutoCAD打開截取的點(diǎn)云剖面，如圖 4所示。

圖 4 點(diǎn)云剖面圖

在剖面圖中重新繪制輪廓。室內(nèi)建模與室外建模不同，從某一單獨(dú)部分開始建模，室內(nèi)建模需要一個(gè)基礎(chǔ)的框架信息即房屋內(nèi)的墻體，有了基礎(chǔ)的框架才能根據(jù)截面所得的家具家電的位置信息完成細(xì)部模型的位置擺放。

由于在掃描時(shí)墻體會(huì)被柜子座椅等物品遮擋，所以會(huì)在很多位置存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空缺，這需要根據(jù)沒(méi)有被遮擋的位置補(bǔ)全缺失的部分，就可完成整個(gè)墻體框架的重新繪制。同理，可以完成一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的家具的輪廓繪制。

在CAD中準(zhǔn)確地繪制墻體和室內(nèi)物品的輪廓是最關(guān)鍵的一步，準(zhǔn)確繪制才能展現(xiàn)室內(nèi)的確切樣貌，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確地重新表示和重建。否則會(huì)導(dǎo)致建模不準(zhǔn)確，不能順利地完成分析及展示。

同理，在其他截面圖中，如立面截面圖，可以獲得室內(nèi)物體的高度和位置等信息，還可以得到頂部的很多細(xì)節(jié)信息。本實(shí)驗(yàn)中的屋頂經(jīng)過(guò)裝修，呈現(xiàn)凹凸不平，并安裝了燈具，但是凹凸的高度差又不大，很難在水平方向上獲取到很好的數(shù)據(jù)，這樣立面截面圖的信息就顯得尤為重要。

水平方向的橫向截面圖中存在很多的點(diǎn)云缺失，可能是門、窗等位置或者是因?yàn)檎趽醵荒塬@取信息?？梢栽诳v向相同位置進(jìn)行截取來(lái)判斷具體屬于哪種情況，如果遮擋可以用其相鄰位置的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行延伸和連接，補(bǔ)全該位置缺失;如果是門、窗等本身就沒(méi)有數(shù)據(jù)的部位，那么在其他截面圖中也會(huì)在該位置缺失數(shù)據(jù)。根據(jù)具體情況，精確建模，在建模時(shí)需截取大量的不同方向的截面圖才能完成整個(gè)室內(nèi)三維模型重建。

量測(cè)繪制好的基本圖，利用CAD中的量測(cè)標(biāo)志功能對(duì)墻體進(jìn)行測(cè)量并予以顯示，為后續(xù)建模提供更加直觀的數(shù)據(jù)展示。對(duì)同一位置的不同截面重繪圖進(jìn)行量測(cè)并取平均值，可以減少偶然誤差帶來(lái)的影響，提高建模的精度。

2.4 室內(nèi)三維場(chǎng)景重建

室內(nèi)建模首先需要將外部墻體框架搭建起來(lái)。室內(nèi)掃描僅能獲得內(nèi)部墻體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在SketchUp中先繪制內(nèi)部墻體的輪廓;然后根據(jù)墻體的厚度即可繪制出外部墻體的輪廓，從而獲得墻體的平面整體框架;最后使用拉伸工具對(duì)墻體進(jìn)行拉伸，使拉伸長(zhǎng)度與縱截面數(shù)據(jù)相吻合，這樣就搭建成一個(gè)完整的三維墻體框架(圖 5)?；谌S墻體整體框架就能完成屋頂和室內(nèi)其他物品的建模。根據(jù)墻體整體輪廓可以繪制屋頂?shù)妮喞?再根據(jù)屋頂截面圖即可繪制屋頂三維模型，由室內(nèi)獲取照片可以看出屋頂還有一些燈具，可以在軟件的自帶模型庫(kù)中尋找形式相同或相近的模型放置到相應(yīng)的位置上，這就完成了屋頂?shù)慕９ぷ鳌?/span>

圖 5 墻體框架的三維建模

將窗戶、門等墻體框架的細(xì)節(jié)部分分別建模，并添加到墻體框架上，室內(nèi)物體建?？梢詫⒃拒浖Ｐ蛶?kù)中已有的模型直接添加到已經(jīng)完成的三維整體框架模型中，如桌子、柜子等建立相應(yīng)的模型建模。最后將所有的模型賦予材質(zhì)，使得室內(nèi)模型更加精細(xì)美觀。最后的效果圖如圖 6所示。

圖 6 室內(nèi)三維場(chǎng)景重建結(jié)果圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文證明了室內(nèi)的三維場(chǎng)景重建可以基于離散的三維掃描點(diǎn)云，通過(guò)一系列的步驟將點(diǎn)云內(nèi)隱含的結(jié)構(gòu)和形態(tài)信息分析出來(lái)，使用一些基礎(chǔ)的操作軟件并利用不同軟件的特點(diǎn)和相互聯(lián)系就可以將室內(nèi)原本的結(jié)構(gòu)信息，物品的位置信息和物品之間的相互關(guān)系描繪展示出來(lái)，對(duì)室內(nèi)地物進(jìn)行精確的重建，完美的進(jìn)行了三維場(chǎng)景的復(fù)原。同時(shí)本文也提出并實(shí)例驗(yàn)證了一個(gè)基于室內(nèi)散亂點(diǎn)云到室內(nèi)精細(xì)三維模型重建的完整流程，并對(duì)使用的建模軟件進(jìn)行實(shí)例分析，總結(jié)了軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能為需要室內(nèi)三維建模的工作提供有益的借鑒。