摘? 要：照片建模技術(shù)，是指通過相機(jī)等設(shè)備對(duì)物體進(jìn)行采集照片，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形圖像處理以及三維計(jì)算，從而全自動(dòng)生成被拍攝物體的三維模型的技術(shù)，屬于三維重建技術(shù)范疇。針對(duì)傳統(tǒng)建模方法對(duì)建模初學(xué)者存在一定難度，本文將介紹照片建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)原理，并分別以Agisoft Metashape、Trnio兩個(gè)軟件設(shè)計(jì)具體案例介紹其工作流程。

關(guān)鍵詞：照片建模;Agisoft Metashape;Trnio? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0134（2020）01-123-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.01.036

本文著錄格式：廖無雙.照片建模技術(shù)研究及其運(yùn)用——以Agisoft Metashape和Trnio為例[J].中國傳媒科技，2020，01（01）：123-125.

1.幾種建模方法分析

1.1傳統(tǒng)建模方法的局限

傳統(tǒng)建模方法是指模型師通過平面圖作為參考，利用三維模型制作軟件（如3DMAX、MAYA等），從基礎(chǔ)的三維幾何體開始，不斷調(diào)整和優(yōu)化，最終創(chuàng)建出目標(biāo)三維模型。這種方式存在許多局限： 首先，對(duì)建模人員的要求較高，復(fù)雜模型類型需模型師達(dá)到高專業(yè)水平;其次，時(shí)間成本高，建模人員需要先讀圖，了解目標(biāo)物體的大體及細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)后再根據(jù)圖紙創(chuàng)建三維幾何形狀直至完成建模。

1.2三維激光掃描技術(shù)的缺點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它存在幾個(gè)問題：一是對(duì)被掃描物體的空間尺寸有一定限制，雖然能對(duì)大型物體進(jìn)行掃描，但工作難度太大;二是激光掃描設(shè)備價(jià)格與其掃描質(zhì)量成正比，對(duì)于一些簡(jiǎn)單物體進(jìn)行三維重建，投入成本太高。

1.3照片建模的優(yōu)勢(shì)

照片建模的主要目的是由二維圖像恢復(fù)物體的三維幾何結(jié)構(gòu)，目前主要應(yīng)用于3D打印、廣告制作、虛擬現(xiàn)實(shí)、影視制作等領(lǐng)域，市場(chǎng)上的照片建模軟件眾多。與傳統(tǒng)建模方法相比，這種方法操作簡(jiǎn)單，時(shí)間及人工成本低廉，對(duì)硬件的要求較低，基本不受空間限制，應(yīng)用前景十分廣泛。

2.照片建模軟件流程簡(jiǎn)介及實(shí)際應(yīng)用案例

通過多視角、多層次的拍攝獲取一組重復(fù)率高的目標(biāo)照片，通過提取各照片的特征點(diǎn)，依據(jù)這些特征點(diǎn)算出照片的三維位置，得到稀疏點(diǎn)云，進(jìn)而經(jīng)過密集匹配獲得物體表面密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)，得到的密集點(diǎn)云包含大量場(chǎng)景信息，往往需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，剔除多余信息，處理完點(diǎn)云之后，下一步是進(jìn)行網(wǎng)格化，目前都是基于三角面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，最后是紋理優(yōu)化。工作流程如圖1所示：

2.1 Agisoft Metashape

俄羅斯Agisoft Metashape是一款獨(dú)立的軟件產(chǎn)品，單機(jī)運(yùn)行，程序穩(wěn)定，數(shù)字地形繪制、三維重建等功能應(yīng)有盡有，已經(jīng)成功用于影視、地形測(cè)繪、3D打印等諸多領(lǐng)域。而且界面友好，可擴(kuò)展性強(qiáng)， 可與其他圖形圖像軟件互聯(lián)互通，配合使用，綜合性能一流。

2.1.1獲取素材

拍攝時(shí)避免虛焦、反光、曝光過度或曝光不足等問題，將ISO盡量設(shè)置為最低值，避免高ISO值對(duì)圖像產(chǎn)生額外的噪點(diǎn)，拍攝背景保持簡(jiǎn)潔，拍攝時(shí)保持每?jī)蓮埾噜徴掌g的重復(fù)區(qū)域在50%-60%，另外，為避免模型表面形成空洞，可對(duì)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行捕捉。本次測(cè)試場(chǎng)景選在室內(nèi)，光照均勻，拍攝相機(jī)設(shè)備選擇Canon EOS，拍攝對(duì)象為毛絨玩具，相機(jī)設(shè)置如下：光圈：f/11，快門速度：1/5，感光度：400。對(duì)其360度環(huán)繞、垂直方向2個(gè)機(jī)位拍攝共計(jì)45張照片。

2.1.2處理數(shù)據(jù)

導(dǎo)入照片：在Agisoft Metashape中導(dǎo)入圖片后，為了確保三維重建的質(zhì)量，首先應(yīng)在照片窗口全選素材-右鍵菜單-評(píng)估照片質(zhì)量，在保證重疊度的前提下將照片質(zhì)量小于0.8的照片刪除。

對(duì)齊照片：在菜單欄Workflow選項(xiàng)中選擇Align Photos即可進(jìn)行對(duì)齊圖片，在這里可以對(duì)精度等參數(shù)進(jìn)行選擇，精度越高對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求越高，一般選High。這個(gè)過程根據(jù)重建對(duì)象的復(fù)雜程度大概耗時(shí)幾分鐘到幾小時(shí)不等，此次目標(biāo)對(duì)象較簡(jiǎn)單，耗時(shí)僅8分鐘，得到的稀疏點(diǎn)云模型生成9413個(gè)空間像素點(diǎn)，這時(shí)我們可以看到模型的大體樣貌。

建立密集點(diǎn)云：在菜單欄Workflow選項(xiàng)中選擇Build Dense Cloud，此步驟也要選擇精度，在此例中依舊選擇High，下面的Depth filtering（深度濾波）選項(xiàng)可以選Mild或Aggressive，Mild對(duì)噪聲處理效果有限，但是對(duì)模型細(xì)節(jié)的破壞少，Aggressive降噪的效果好，但是對(duì)模型產(chǎn)生細(xì)節(jié)破壞，本例中選擇Aggressive。此步驟耗時(shí)約25分鐘，最后生成505萬個(gè)空間像素點(diǎn)，得到的密集點(diǎn)云已經(jīng)很清楚地還原了模型的大致樣貌，多余的場(chǎng)景部分可以用點(diǎn)云編輯工具直接去掉，非常方便。

生成網(wǎng)格：執(zhí)行Workflow-Build Mesh，耗時(shí)20分鐘，生成101萬個(gè)三角面。以上各步驟得到的結(jié)果如圖2所示：

建立紋理：同樣點(diǎn)擊菜單欄Workflow，選擇Build Texture，保留默認(rèn)選擇即可，耗時(shí)約5分鐘，得到的模型結(jié)果從各個(gè)角度展示如圖3所示。

最后得到的模型還原效果基本滿意，雖然還有一些需要改進(jìn)的地方，但相比傳統(tǒng)的建模方法，其最大的優(yōu)點(diǎn)便是節(jié)約了時(shí)間成本，該軟件還可以一次批量處理多個(gè)模型重建，互不影響。

為了驗(yàn)證建模對(duì)象材質(zhì)對(duì)建模結(jié)果有一定影響，本次研究進(jìn)行了第二組測(cè)試。第二組測(cè)試拍攝對(duì)象為雕塑，從各個(gè)角度共拍攝了30張照片。各流程截圖及結(jié)果如圖4所示：

可見，在照片建模過程中，表面平滑堅(jiān)硬的材質(zhì)更容易進(jìn)行重建，紋理細(xì)節(jié)還原度越高。經(jīng)過查閱相關(guān)資料和其他數(shù)次試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響建模結(jié)果的因素還有很多，如圖像質(zhì)量、光照等，這里不再進(jìn)行贅述。

2.2 Trnio

Trnio是一款交互型手機(jī)APP，目前僅支持iPhone，它的工作流程和Metashape基本一致，但它采用云處理，用戶只要將照片上傳至云端，即可全自動(dòng)生成三維模型。Trnio采用三種掃描方式，一種是用手機(jī)相機(jī)拍攝，拍攝時(shí)啟動(dòng)一種突發(fā)模式，360度跟蹤物體周圍的路徑，會(huì)自動(dòng)最多拍攝70張照片。第二種模式是ARKit模式，它使用Apple的ARKit技術(shù)來指導(dǎo)用戶掃描，這是最快最簡(jiǎn)單的掃描模式。第三種模式是直接從iPhone的相機(jī)膠卷中加載（最多80張）照片。在捕獲照片之后，照片將上傳到云端并進(jìn)行處理，處理時(shí)間大概十幾分鐘到幾十分鐘不等。處理完成后可以進(jìn)行低分辨率預(yù)覽。此外，該應(yīng)用程序具有裁剪功能，通過從模型的頂部和側(cè)面視圖進(jìn)行選擇，可以選擇要保留的部分。

本次測(cè)試場(chǎng)景選在室內(nèi)，光照強(qiáng)，拍攝設(shè)備為iPhone 6S Plus，拍攝對(duì)象為顏色鮮艷的毛絨玩具，采用第一種掃描方式共獲取51張有效照片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由于Trnio上的所有內(nèi)容都在云中，它本身也是一個(gè)類似于Instagram的社交網(wǎng)絡(luò)APP，可直接從應(yīng)用程序共享3D掃描，在線導(dǎo)出3D模型到展示網(wǎng)站Sketchfab，在瀏覽器中訪問Sketchfab后，可導(dǎo)出OBJ文件以便后期制作。

結(jié)語

無論是利用智能手機(jī)或者數(shù)碼相機(jī)獲取的素材都可在照片建模軟件中進(jìn)行三維重建，建模精度基本滿足需求。相比于傳統(tǒng)的建模方式，可節(jié)約大量的時(shí)間人力成本，在經(jīng)過重拓?fù)浜蚒V布局等操作之后的模型完全可以運(yùn)用到影視制作中。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和照片建模軟件不斷地完善，利用照片建模三維重建的質(zhì)量將繼續(xù)提升，發(fā)揮更強(qiáng)大的作用。

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作者簡(jiǎn)介：廖無雙，女，漢族，湖南長(zhǎng)沙，北京電影學(xué)院中國電影高新技術(shù)研究院2017級(jí)碩士研究生，研究方向：數(shù)字電影技術(shù)。