基于自動建模的室內實景三維展示系統設計與實現

魏曦 孫艷芝

【摘 要】本文初步探索利用室外大規模場景的傾斜攝影與三維實景自動建模技術用于室內三維實景精細模型構建的實驗。該方法利用高清相機作為數據獲取設備，在保證拍攝連續性、與目標物距離和一定的影像重疊度的情況下，快速構建室內三維實景精細模型，并研發了室內三維實景展示系統平臺，最后介紹了該平臺在大型展覽活動中的應用。實驗探索了全新的室內三維實景模型構建模式，模型結果更加真實，為室內三維環境構建提供了新的思路。

【關鍵詞】自動建模;室內實景三維;高精度模型;三維展示系統

中圖分類號： TM76 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0018-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.008

0 引言

在智慧城市理念的指導下，未來城市發展對城市管理與規劃提出了更高的要求。深入的室內三維建模技術是現代城市管理的必要保證條件和重要技術組成部分。在室內建模過程中存在兩個關鍵問題：快速三維建模和空間模型精度問題。然而，現代城市的功能和結構趨于多樣化和復雜化，現有底層數據庫的數據源和空間精度不能滿足快速、真實精確的要求。

傳統的室內三維模型以手工模型為主，成本高且工期長，并且相比較于三維實景模型而言真實感較差。而三維實景自動建模能夠減少人工成本，縮短工期，提升模型的真實感。本文以室內三維實景展示為出發點，設計與構建室內三維實景展示系統，綜合運用計算機技術、地理信息系統（GIS）技術、多媒體技術、數據庫技術、圖形圖像處理技術、海量數據存儲技術，地理信息數據處理和轉換、圖形編輯、三維重建技術、多媒體信息檢索查詢、二三維動態交互等功能于一體，將室內三維實景模型數據充分用于室內展館展覽。

1 室內三維實景模型構建

1.1 高清數據獲取

為建立高精度的室內三維實景模型，首先需要進行高清影像數據獲取，其主要利用高清單反相機輔助以相機高架作為高精度原始影像數據的獲取手段，每張照片有效像素為3040萬。在保證拍照連續的情況下，連續照片之間的橫向和縱向的重疊度在80%以上。

1.2 數據處理

將獲取的的高清室內影像經過分類、勻光勻色等處理后，結合第三方自動建模系統進行處理，構建室內三維實景模型數據，通過真實的三維場景進行信息集成，主要的步驟是運用光束法區域網整體平差，形成不規則三角形網格，隨后運用不規則三角網構成白膜，將其三角形網格映射其中，對模型進行精細化處理后形成三維實景場景，最終得到室內每個展臺的模型，如下圖1所示。

a.展廳整體三維實景模型? ? ? ? ? ? ? b.單個展臺模型

2 室內三維實景展示系統設計

室內三維實景展示系統空間數據基礎平臺建設目的是構建空間應用服務平臺，采用基于WebGL、SOAP、WSDL、UDDI的Web Service技術向各應用系統提供服務，提供接口使各異構系統可方便獲取數據級和應用程序級的服務。Web Service是一種新的Web應用程序分值，他們是自包含、自描述、模塊化的應用，可以發布、定位、通過Web調用。Web Service可以執行從簡單的請求到復雜商務處理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service應用程序可以發現并調用它部署的服務[4]。

2.1 總體架構

室內三維實景展示系統采用基于瀏覽器的B/S架構模式，較傳統的基于組件技術和C/S模式來說更為高效便捷，其邏輯層次上總體表現為：在信息基礎設施和支撐環境平臺上建立空間數據基礎平臺的信息體系，包括基礎地理空間信息數據庫、地理空間信息共享與管理平臺、地理空間信息應用服務平臺，在此基礎上建立室內三維實景展示系統，面向室內三維實景展示系統的各種信息實體和用戶實體提供數字化、網絡化、虛擬化、智能化應用和各種服務。

室內三維實景展示系統平臺總體結構圖如圖2所示：

室內三維實景展示系統按其組成可分為基礎數據平臺、通訊鏈路、管理平臺、Web服務四個部分。

1）基礎數據平臺

基礎的數據平臺是GIS綜合服務系統服務的內容，沒有數據就沒有很好的服務，甚至于沒有服務?；A的數據平臺包含能提供空間地理位置的空間數據庫、為指定的地名提供詳細的地址以及其他相關信息的數據庫。

2）通訊鏈路

通訊鏈路在系統中是傳輸數據的通道，由于用戶對空間信息需求的不同，系統向用戶傳輸的數據量也不同，因此系統就必須考慮用戶所能接受的系統響應時間，而通訊鏈路從根本上決定了數據的傳輸速率，所以通訊鏈路的不同影響了終端上實現的功能。

3）管理平臺

在整個系統中，管理平臺是整個系統的核心，提供基本的地理信息服務，所有基于地理信息的服務都是基于管理平臺提供的地理信息之上的。管理平臺的職能是響應用戶各類基本地理信息服務要求，完成用戶所需信息的定制，根據不同的用戶類型和不同的請求決定信息發送策略，將用戶所需信息高效安全的發送到至用戶。

4）Web服務開發接口

開發接口解決應用級地理空間數據共享，即應用系統通過平臺提供的開發接口來訪問平臺地理空間數據和地理信息功能。本系統提供的開發接口是通過Web Service來實現的?？蛻舳送ㄟ^管理平臺門戶獲取最新開發接口的Web Service地址和口令?？蛻舳碎_發接口無須了解平臺本身復雜、繁瑣的空間數據結構和GIS功能，而直接使用與開發平臺相對應的開發接口，簡化開發，降低開發與集成難度，并且有效避免開發人員直接面對空間數據帶來的安全隱患。

2.2 架構模式

室內三維實景展示系統采用分層式系統架構，從上至下分別為表示層、業務邏輯層、GIS支撐層、數據訪問層和數據層。

1）數據層，負責存放大型關系數據庫和文件;

2）數據訪問層，負責數據庫的訪問和操作;

3）GIS支撐層，負責實現地理信息系統的相關功能和服務;

4）業務邏輯層，是整個系統的核心，與系統的業務有關;

5）表示層，是系統的UI部分，負責用戶與整個系統的交互。

系統技術邏輯架構圖如圖3所示：

圖3 室內三維實景展示系統技術邏輯架構圖

2.3 系統運行模式

室內三維實景展示系統的運行模式是指各類用戶如何借助室內三維實景展示系統實現各自的業務處理和邏輯應用。隨著Internet技術的飛速發展，出現了現代網絡計算模式。室內三維實景展示系統的運行采用基于Internet的分布式、異構互聯、多協議的體系模式。該系統用戶的絕大部分邏輯應用都是通過Web瀏覽器呈現出來的。用戶的事務包括兩個方面，即應用邏輯處理和網絡生活方式。

用戶的應用邏輯處理采用的是網絡計算模式。用戶通過Web服務器的安全機制登錄到相關站點，提出應用處理請求（如查詢、分析等），應用請求經網絡傳輸協議傳達給Web服務器，Web服務器接收到請求信息后，通過安全認證、身份識別等過程，確認用戶請求的有效性。然后對用戶應用進行歸類，根據應用類別選擇應用服務器中的應用組件，以消息形式命令應用組件完成用戶的應用，或允許Web服務器下載相關組件。應用服務器將響應結果返回Web服務器，經由Web服務器傳送到用戶Web瀏覽器中。其中，對室內三維實景展示系統的數據庫訪問由應用組件通過ODBC或JDBC接口完成。用戶不直接訪問和操縱數據庫中的數據，從而保證了數據的安全性。

2.4 Web GIS設計

從Web GIS的設計角度，Web GIS的設計策略可以概括為“側重服務器”和“側重客戶端”兩種策略，而兩種策略各有其優缺點。

1）側重服務器的策略

側重服務器的策略以服務器為中心，主要目的是根據客戶端的需要向其提供GIS數據和分析結果。在這種策略下，數據與數據處理軟件都運行于服務器上，客戶端沒有數據處理能力，僅僅組織、發送請求和顯示服務器的響應結果。

其優點在于如果使用一個高性能服務器，可以讓一些用戶訪問到許多比較難于通過網絡進行傳輸或在客戶端本地處理的復雜數據;可以讓一些即使沒有使用復雜軟件的用戶也可以使用一些復雜的分析程序;可以有效地控制用戶對數據的訪問，以保證數據得到正確的使用。

其缺點在于任何一個請求都必須返回到服務器端進行處理，并在處理完請求后通過Internet返回響應給客戶端;服務器與瀏覽器之間的Internet的網絡帶寬和流量是影響系統性能的主要因素，特別是在服務器響應需要傳輸大量數據的情況下，系統沒有有效利用客戶端計算機的處理能力，僅僅利用它提交請求和顯示響應結果。

2）側重客戶端的策略

側重客戶端的策略，客戶端應用程序分擔了一部分原來由服務器負責的處理任務。往往是一部分GIS功能下載到或駐存于客戶端，對數據的某些處理在客戶端本地完成。

其優點是利用了客戶端計算機的處理能力;用戶可以對數據分析過程進行更多的控制;一旦服務器返回了響應，用戶即可以不再通過網絡與服務器進行信息交換，就可以對返回的數據進行處理。

其缺點主要表現在來自服務器的響應可能包含大量的數據或對數據進行處理的小程序，從而可能導致較長的響應等待;如果客戶端處理能力不足，則處理數據量較大或比較復雜的數據比較困難，復雜的GIS分析可能運行緩慢;為了正確使用數據和分析功能，用戶必須進行必要的培訓。由上述可以得知，純粹的側重服務器或純粹的重客戶端的策略都存在明顯的局限：如果需要頻繁的數據傳輸，側重服務器的策略情況下，系統的性能對Internet的網絡帶寬和網絡流量非常敏感;側重客戶端的策略對客戶端的計算機處理能力非常敏感。也就是說，如果某些任務超出其處理能力，則運行起來可能非常緩慢。

綜合這兩種策略，最終形成了一種混合型的解決辦法，可以更好地發揮服務器和客戶端的優勢與潛力。涉及到繁重的數據庫操作或復雜分析的任務讓性能高的一方來承擔，一般來說是服務器;涉及到用戶控制的任務讓客戶端承擔。這樣，雙方共享彼此的計算處理能力，從而使數據和小程序可以進行合理分配，以使整個系統的性能達到最高。

2.5 系統功能設計

室內三維實景展示系統的界面包含一個與三維地圖進行交互的工具欄、展示主窗口、右側功能窗口和主窗口下方的狀態欄。其中右側功能區包括圖層管理、區域查詢、兩部分，可以分別選擇相應的功能進行操作。系統界面如下圖所示：

系統的主要功能有漫游、放大、縮小等對模型的基本操作功能，以及模型切換、二三維的聯動、空間屬性互查和展廳信息展示的功能。系統主界面右下角添加了功能按鈕用于切換展廳導航圖。點擊導航圖上面的展臺區域即可定位至對應的展臺。在展臺列表上方輸入展臺稱或展臺名稱關鍵字，按回車鍵或查詢按鈕即可搜索對應的展臺并自動定位至該展臺。在展臺列表左側為展臺重點展示內容按鈕，點擊展示功能按鈕即可彈出展臺重點展示內容。

3 結束語

本文提出了一種基于自動建模的室內三維實景模型構建方法，其模型分辨率能夠達到厘米甚至亞厘米級，可為用戶提供超高精度和分辨率的室內三維模型，并以某展覽展廳為例，構建了室內三維實景展示系統，給人以直觀的視覺沖擊以及切身感受。其目的是為展覽保存歷史檔案，查詢相關信息，保存展覽真實生動的電子檔案和持續利用，為以后室內三維實景展示展覽提供有力保障。同時，也為室內三維模型構建提供了新的思路。

【參考文獻】

[1]馬威，熊漢江，鄭先偉，龔健雅.室內三維場景紋理手機圖片的自動更新方法[J].武漢大學學報（信息科學版），2019，44（2）：254-267.

[2]李世和.室內效果圖與虛擬現實三維建模對比分析[J].電腦知識與技術，2018，14（35）：205-206.

[3]秦文.基于Web Service的分布式三維渲染[D].西北大學，2006.

※基金項目：國家重點研發計劃（No.2017YFC0803300）;北京市科技計劃項目（No.Z181100009818020）。

作者簡介：魏曦（1986.06—），男，河北唐山人，漢族，博士研究生，中國電子科技集團公司電子科學研究院，工程師，研究方向：傾斜三維實景建模及遙感。