康傳利,程 耀,石靈璠

(桂林理工大學(xué) a.廣西空間信息與測繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.測繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541006)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)(virtual reality,VR)是一門集成了人與信息的科學(xué),是由計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建的虛擬世界。它既是虛擬的,也是真實(shí)的,也可以是虛擬世界對真實(shí)世界的映射[1]。如今,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 與此同時(shí),計(jì)算機(jī)硬件和軟件的升級使虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得以更好地發(fā)展。 一個(gè)真實(shí)的三維場景是虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)建設(shè)的基石,因此建設(shè)一個(gè)良好的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)必須擁有一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境。 在傳統(tǒng)的三維場景建模中,需要到實(shí)地采集照片,再進(jìn)行紋理貼圖制作,同時(shí)還要花費(fèi)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更新,這就需要一種全自動(dòng)或者半自動(dòng)的三維場景建模技術(shù)來解決當(dāng)下的問題。

將無人機(jī)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(shí)系統(tǒng)中,縮短虛擬平臺(tái)的建設(shè)周期,利用無人機(jī)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(diǎn)云和三維TIN網(wǎng)格模型,結(jié)合自動(dòng)化軟件構(gòu)建三維模型,實(shí)現(xiàn)三維場景的快速、高效、低成本的真實(shí)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[2-3]。

1 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影建模技術(shù)應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。具體步驟為:①通過無人機(jī)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(jī)參數(shù)設(shè)置,無誤后便可進(jìn)行空中三角測量。 ②在確認(rèn)影像數(shù)據(jù)正確后,根據(jù)少量的野外控制點(diǎn),進(jìn)行控制點(diǎn)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(diǎn),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(shí)驗(yàn)選擇自適應(yīng)切塊,可以快速自適應(yīng)計(jì)算機(jī)RAM使用量,根據(jù)當(dāng)前計(jì)算機(jī)的性能給出一個(gè)參考范圍,在范圍內(nèi)設(shè)置目標(biāo)RAM使用量值以順利進(jìn)行三維重建。③根據(jù)三維TIN網(wǎng)格每個(gè)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(dòng)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(cuò)誤的紋理。⑤將優(yōu)化模型導(dǎo)出obj格式至Unity 3D引擎,通過C#語言寫動(dòng)態(tài)交互功能腳本,實(shí)現(xiàn)場景的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)、用戶界面和場景漫游等功能,完成該虛擬漫游系統(tǒng)。

圖1 虛擬漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design flow of virtual roaming system

1.1 傾斜影像聯(lián)合空中三角測量

由于無人機(jī)航拍的傾斜影像中不僅有垂直影像數(shù)據(jù),還包括多個(gè)傾斜角度拍攝的影像數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的同名像點(diǎn)自動(dòng)量測算法已不能適用于傾斜影像[4]。 通過在同一飛行平臺(tái)上使用多個(gè)傳感器,在拍攝影像時(shí)記錄影像參數(shù)(航高、航向、航速、旁向重疊度和坐標(biāo)等),獲取拍攝瞬間的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,計(jì)算得到多視影像上每個(gè)像元的物方坐標(biāo),進(jìn)行相對定向,再精確匹配,結(jié)合少量的野外控制點(diǎn)(像控點(diǎn))坐標(biāo),得到傾斜影像聯(lián)合空中三角測量成果。

1.2 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(shí)質(zhì)就是確定影像之間的同名像點(diǎn)。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。影像匹配的算法分為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(diǎn)。根據(jù)獲取的同名點(diǎn)坐標(biāo),生成高密度3D點(diǎn)云數(shù)據(jù),得到不同細(xì)節(jié)層次三維TIN網(wǎng)格模型。同時(shí),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)的冗余度,進(jìn)而獲取地物的三維信息[5]。因此,影像匹配是后期自動(dòng)生成數(shù)字表面模型、三維建模的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.3 多視影像聯(lián)合平差

在虛擬系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)漫游是最基本的功能,Unity 3D已經(jīng)設(shè)計(jì)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鍵控制前后左右方向,同時(shí)控制鼠標(biāo)調(diào)整視野位置,實(shí)現(xiàn)人物在場景中漫游的效果。

1.4 重建自動(dòng)紋理映射技術(shù)

從Acute3D Viewer中量測得到圖書館樓梯的長寬分別為35.77和13.90 m,實(shí)地用30 m鋼卷尺測量出的長寬分別為35.73和13.87 m。模型量測值與實(shí)地測量數(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。

1.5 場景漫游技術(shù)

目前傾斜攝影技術(shù)在三維場景建模方面取得了一定的成就。Smart3DCapture軟件系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能快速生成三維場景模型,但有些地方還需要進(jìn)行改進(jìn)和完善，如在樹林、水面、不規(guī)則的建筑物或建筑物遮擋比較嚴(yán)重的地方建立的模型會(huì)存在一些變形或缺失。 為了解決這些問題,后期需要對模型進(jìn)行修補(bǔ)優(yōu)化才能滿足市場的需求。常用的模型優(yōu)化軟件有3D Studio Max、Geomagic Studio、Meshmixer,還有常用的DP Modeler和OSketch修模軟件等[9]。本文以3D Studio Max進(jìn)行模型優(yōu)化處理,主要進(jìn)行模型懸浮物的刪除、裁剪、紋理錯(cuò)亂修改、變形修改等。模型紋理修改前后如圖4所示。

2 模型實(shí)現(xiàn)

采用建模系統(tǒng)為Bentley公司的Smart3DCapture全自動(dòng)三維建模系統(tǒng)。 Smart3DCapture是基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速三維場景運(yùn)算軟件,能夠運(yùn)算生成基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云,其優(yōu)勢在于全自動(dòng)、快速、穩(wěn)健,以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)輸出格式和廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性,不需要人工干涉便可以生成逼真的三維場景模型[8]。Smart3DCapture處理流程如圖2所示,局部區(qū)域三維場景如圖3所示。

2.1 三維模型的優(yōu)化

虛擬現(xiàn)實(shí)注重人機(jī)交互的過程,而場景漫游技術(shù)是在虛擬場景中借助必要的裝備實(shí)現(xiàn)全方位多角度瀏覽該虛擬場景的操作，如:通過鍵盤和鼠標(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(jì)方面,本次實(shí)驗(yàn)制作分為空中漫游和地面漫游,通過控制飛機(jī)的姿態(tài)傾斜和速度快慢實(shí)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(jī)著陸并進(jìn)行地面漫游,其界面中加入實(shí)時(shí)地圖導(dǎo)航,極大地賦予了該場景漫游的多樣性,給人不一樣的觀賞感受。

圖2 Smart3DCapture處理流程Fig.2 Process flow of smart3DCapture

圖3 局部區(qū)域三維場景Fig.3 3D scene of local area

2.2 三維模型的精度分析

本次研究表明，治療組患者治療后在心率、舒張壓、收縮壓水平等方面明顯低于對照組，且治療組在治療過程中未出現(xiàn)肝臟和血液的毒副現(xiàn)象。這說明比索洛爾在降低患者心率及血壓方面有顯著效果，在治療老年高血壓伴心功能不全方面有積極作用，具有臨床推廣價(jià)值。

Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的多平臺(tái)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(yùn)行穩(wěn)定、交互設(shè)計(jì)多樣等優(yōu)點(diǎn)[10]。以桂林理工大學(xué)為試驗(yàn)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(jì)方案,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

自動(dòng)紋理映射技術(shù)是從海量的影像數(shù)據(jù)中快速高效獲取豐富的紋理信息,能夠真實(shí)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(huì)的需求。 傳統(tǒng)的城市三維建模方法是結(jié)合正射影像、測區(qū)CAD地形圖等數(shù)據(jù),建立初始白模,實(shí)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(cái)力。 自動(dòng)紋理映射技術(shù)就能夠很好地解決這個(gè)問題。 無人機(jī)傾斜影像一般都是分辨率較高的影像,可以很好地呈現(xiàn)實(shí)地情況,滿足一定精度的建模。 自動(dòng)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(shí)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,以三維(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),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(dòng)完成紋理映射[2]。

圖4 模型紋理修改前后Fig.4 Texture model before and after modification

表1 空中三角測量誤差Table 1 Aerial triangulation error

圖5 圖書館樓梯長度量測Fig.5 Measurement of library stair length

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為更直觀地體現(xiàn)模型精度,對圖書館樓梯的長度和寬度進(jìn)行了量測和檢驗(yàn),詳見圖5。

圖6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程Fig.6 System implementation process

3.1 場景模型導(dǎo)入

將3DS Max導(dǎo)出的obj格式模型文件置入U(xiǎn)nity 3D場景中進(jìn)行位置擺放。創(chuàng)建燈光以實(shí)現(xiàn)在不同天氣條件下的校園場景,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M(jìn)esh Collider碰撞組件,對地面、建筑和樹等場景添加該屬性。

3.2 角色漫游的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前相對成熟的多視影像聯(lián)合平差方法為由粗到精的金字塔匹配法。該方法利用POS系統(tǒng)得到的多視影像外方位元素,實(shí)現(xiàn)每級影像同名點(diǎn)的自動(dòng)匹配以及自由網(wǎng)光束法平差[6]。當(dāng)獲得了比較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果時(shí),建立像控點(diǎn)坐標(biāo)、GPU/IMU輔助數(shù)據(jù)和連接點(diǎn)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[7]。

在三維模型瀏覽平臺(tái)下查看模型結(jié)果,地形的紋理、顏色、形狀和空間位置基本上與現(xiàn)實(shí)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(bào)告中各誤差值小于1像素，詳見表1。

3.3 GUI界面的設(shè)計(jì)和實(shí)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(shí)用戶也可以自行選擇不同的場景,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的漫游功能[11]。 在GUI主界面,共創(chuàng)建了多個(gè)菜單選項(xiàng),包括校園漫步、校園航飛、學(xué)校簡介、導(dǎo)航、幫助等。 本系統(tǒng)中GUI界面的創(chuàng)建過程為： 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(shí)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。

[期刊] 序號 作者(不超過3人者全部寫出，超過者只寫前3名，后加“等”或“et al.”).文題[J].期刊名，年，卷(期)：起止頁碼.

吸附材料上還存在著3點(diǎn)不足：（1）重金屬的吸附有限制條件，比如溫度、pH值的不同，對重金屬的吸附都有影響，中藥材的水煎液大都為中性，會(huì)對材料的官能團(tuán)有限制。（2）中藥材里重金屬的種類較多，且都是微量存在，但脫除材料對于金屬的吸附有選擇性，現(xiàn)有的天然材料已不能滿足吸附效果，應(yīng)針對不同的重金屬加以結(jié)構(gòu)修飾改造，以便提高重金屬的吸附率。（3）中藥材里的基質(zhì)成分復(fù)雜，需要注意脫除過程中吸附材料對有效成分的影響，可以根據(jù)不同藥物的性質(zhì)及主要含量選用不同的材料。同時(shí)也可以將幾種方法與吸附材料結(jié)合使用，相互補(bǔ)足。

（2）糯米50克，連須蔥白2根，生姜5片，先煮糯米，快熟時(shí)放入已經(jīng)搗爛的蔥白和生姜，同煮片刻后趁熱給寶寶服用。

根據(jù)學(xué)生在問卷中對應(yīng)具體表征、抽象表征和形象表征測試的四個(gè)問題的作答情況進(jìn)行分析。A.選出你認(rèn)為的概念中的關(guān)鍵詞。B.對你所認(rèn)為的關(guān)鍵詞，選出你所能想到的可能含義。C.理解上述關(guān)鍵詞的含義，你調(diào)用了哪些已學(xué)過的知識(shí)？（請按解決問題的順序書寫）D.利用生物學(xué)用語、圖形語言或表格等具體工具，把這段文字在你腦海中形成的信息以外在的形式呈現(xiàn)出來。

圖7 虛擬漫游系統(tǒng)主界面GUIFig.7 Virtual roaming system main interface of GUI

3.4 系統(tǒng)生成

先點(diǎn)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(diǎn)擊PC、Mac所在的圖標(biāo),進(jìn)入界面后選擇Windows系統(tǒng),根據(jù)電腦系統(tǒng)選擇×86還是×64,點(diǎn)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Fig.8 Interface of 3D digital campus roaming

4 結(jié)束語

本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了校園虛擬漫游系統(tǒng)。利用傾斜攝影技術(shù)以及強(qiáng)大的圖像幾何運(yùn)算軟件(Smart3DCapture)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U(xiǎn)nity 3D引擎實(shí)現(xiàn)虛擬漫游的技術(shù)路線和實(shí)施方案,實(shí)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(shí)現(xiàn)了碰撞檢測、虛擬漫游等功能,本文的研究和實(shí)現(xiàn)對后續(xù)虛擬城市項(xiàng)目建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。