那些与三维激光扫描有关的建模

文章目录

一、前言

二、正文

建模的方式

正向设计建模

参照点云数据逆向建模

粗略参照式逆向建模

精细参照式逆向建模

基于点云数据直接建模

基于照片建模

建模的目的

提升视觉及感观效果

附加属性信息

适用于承载平台

数据轻量化存储

打印输出

远离建模误区

见到点云就想建模

一种建模方式打天下

三、结语

一、前言

谈到三维激光扫描技术的应用，总少不了建模这件事情，但又不是所有的应用都需要建模，到底哪些应用要建模，建什么样的模，模型用来做什么？曾接触到一些应用三维激光扫描技术的朋友们，发现大家对上述问题并不是很明确，写这段文字的目的就是为更多应用三维激光扫描技术的朋友们提供一个思路。你可以做个小测试，现在就拿出笔来，列出你想到的建模的目的，看一看你列出了哪些条目，然后我们再做进一步的交流。

二、正文

建模的方式

建模的方式方法是非常灵活多样的，如垒墙、盖房子、搭桥、制陶器等等，当然这都是传统意义上的建模，接下来我们要谈的是与数字化建模。

正向设计建模

正向建模是最传统的计算机三维设计建模，根据设计者的构想，预先定制好设计的内容及尺寸信息，在计算机环境下进行三维模型的建立。很多CAD（包含但不单指AutoCAD）类软件都是从绘制二维平面图发展到后来具有三维建模功能的，这类软件就是用于将设计人员的思路展绘到计算机上。称其为正向设计建模，也是相对于后来的逆向建模而言，正向建模是起源最早且应用最广泛的建模方式。

参照点云数据逆向建模

逆向建模，相对于传统设计建模是一个反向过程，因此被称为逆向。基于点云数据的逆向建模是指通过三维激光扫描技术对已真实存在的物体进行扫描，这样就获取了该物体的空间几何信息，相当于对其进行了数字化，然后再将已被数字化的物体导入三维设计软件，参照该数字化信息进行模型的建立，就是我们通常所讲的逆向建模。根据应用方向及精度，逆向建模可以大致分为以下几种。

粗略参照式逆向建模

这一类逆向建模通常发生在正向设计软件中，随着三维激光扫描技术的不断发展与应用，很多正向建模软件具备了加载点云数据的功能，而这类软件多数是以设计功能来实现逆向建模的，换句话说，它们所绘制出来的模型依然是横平竖直。例如扫描了一面墙，从点云上可以看出墙体有凹凸不平，但在这类软件中我们只能照葫芦画瓢，直接绘制一面笔直的墙体出来，如果你想在这儿表现墙体的凹凸变化，那难度是非常大的！而从应用需求的角度来讲，只要模型与点云所表达的几何形体大差不差就行了，因此把这种逆向建模归为粗略参照式。

精细参照式逆向建模

术业有专攻，精细参照的逆向建模通常发生在较为纯粹的逆向建模软件中，而有意思的是，这类软件又大都具备一定的正向设计功能。其对逆向建模精度的控制更加灵活有效，它可以通过切片工具将点云数据进行细致的分割，以做到精细化提取点云数据所表达的空间位置信息，再以此来建立模型。在这种逆向模式下，去对付那些凹凸不平的墙体就显得尤为轻松了！当然，事情都是有利有弊，精细参照式建模的操作步骤较为细致，这大大增加了建模人员的操作频繁度。

基于点云数据直接建模

常常有人问起，有没有更方便直接，或者傻瓜式的建模方法？也许基于点云直接建模的方式会是答案。这种方式确实是智能化程度非常高，基本不需要建模人员有太多的操作即可完成模型的建立，而且，精细化程度比上面所讲的精细参照式可能要更高！那么它是不是终级建模方式呢？听起来就像，有了这种建模方式，其他方式完全可以不用了！其实这种方式也是需要应用人员付出代价的！基于点云数据直接建模，从原理上来讲是直接将相互临近的点进行连接构网，从而形成模型。自动化程度虽高，但智能化程度还有待于提高，建模人员在使用这种方式时所需要付出的“代价”是细致地滤除那些不需要的噪声点，而后方能享受到自动化带来的轻松。

基于照片建模

基于照片建模并不属于三维激光扫描技术，但其与建模的相关性是需要我们一并了解的。传统摄影测量是基于正射影像进行数据的解析，而近几年蓬勃发展的倾斜摄影则是摄影测量技术的一大进步。有了这项技术，基于相应的软件，只要一部数码相机，即可通过对目标的多角度拍照来直接建立模型。

这是不是更神奇了呢？连点云数据都不需要采集了，也没有从点云到模型的繁琐过程！而且，模型还能够转换为点云，这灵活性是相当高啊！如果把相机挂载在飞行器上，就可以实现高效率的数据采集等等，这些都是倾斜摄影测量的优势所在。因此也常会有人问，它能否取代三维激光扫描技术？

倾斜摄影测量技术为空间数据采集提供了新思路，是一项价值非凡的应用技术。不过想要用好这项建模技术，需要使用人员对摄影、控制测量等方面的知识有所了解，若建模的范围较大且细致化程度要求高，还要有强有力的计算机资源，更要耐得住数据解算的周期等等……当然，这并不是说倾斜摄影测量技术不好，而是每一种数据采集及建模方式都有各自的优势、劣势存在。

建模的目的

为什么有了点云数据却还要进行建模，建模到底有哪些不可取代的意义，暂且简单列举以下几条供大家交流参考。

提升视觉及感观效果

相对于二维线划图、三维线框，甚至是三维点云，模型在视觉效果的直观性上都更胜一筹，它更能给我们带来最真实的空间存在感。无论是查看整体，还是剖切局部，模型在几何空间信息的表现力方面一直都有着不可替代的地位。非专业人士在查看传统的二维线划图时会有一定的困难，但对三维模型信息的读取却不存在任何障碍，点云虽然能够直接呈现三维场景，但从视觉效果上来讲，与实体的模型还是有着一定的差距。

附加属性信息

模型相对于点云数据而言，更容易被赋予属性信息，这能够让原本单纯的几何空间信息具备更丰富的含意，从而使模型具有更广泛的用武之地，BIM即是如此。

适用于承载平台

有些时候建模是为了把模型载入某个特定的平台中进行应用，如果仅使用点云，即便可以导入该平台，但多数应用功能却无法基于点云实现。也许这只是个阶段性的问题，但至少目前仍然存在。

数据轻量化存储

尽管点云数据有多种多样的格式，压缩比例也各不相同，但存储及传递过程中常会遇到数据量过大的问题。这时候你会发现，粗略参照点云进行建模，最终成果要比原始点云所占用的空间小得多。

打印输出

加工制造行业中用模具制作实体模型、用车床加工模型、通过逆向建模获取电子三维模型，还有将电子三维模型进行三维打印输出……这些过程都离不开模型的概念。与今天话题相关的逆向工程建模就是我们应用点云时还需要建模的又一个原因。

远离建模误区

建模方式很多，建模的目的也很多，应用时当根据需要合理选择，如未能根据情况搭配合适的方法，就容易走入建模误区。

见到点云就想建模

建模的意义虽然丰富、重要，但很多情况下，有了点云数据并不一定都需要建模。不论使用哪一种方式建模，都要耗费大量的时间和精力，而且在一些特定的应用里，如果方法选择不当，就会在浪费时间的同时令数据精度大打折扣。

点云数据本身就有直接应用价值，对于空间位置信息存档、古迹遗产保护、三维可视化设计、教育等领域，很多情况下，点云数据就可以作为最终成果实际应用。

曾有从事建筑文化遗产保护相关工作的朋友与我讨论三维激光扫描技术在这方面的应用，他们的主要工作内容是获取精确、全面的古建结构信息，用于现状信息的存档，同时为建筑物在后期的修缮维护提供数据参照。而目前他们的做法是采集完现场的数据后使用Autodesk 3ds Max参照点云进行建模，然后在模型上贴图，将现场采集的影像叠加到建好的模型上。这项工作耗费了他们大量时间。如果说是为了更加形象地复原并三维展现遗产保护现场，这种做法是可以达到一定效果的，但代价也不容小觑，而且这种类型的应用，对成果精度的要求是非常高的，他们却使用了粗略参照的建模方式。其实关键问题在于，这些并不是他们工作内容的重点。我给他的建议是：针对信息存档，将点云数据做好拼接、去噪、分类、标注、索引、存储等方面的处理；针对后期维护，基于点云准确提取并生成适用于修缮维护使用的平、立、剖面图，在图中做完善的尺寸标注与信息注记。

这是一个比较典型的见了点云就想建模的例子，其实应用的目的也很明确，但似乎不知不觉地就去建模了，可能是因为大家都在这么做，也可能是因为除了建模以外还不太明确应该做什么。在这种情况下，带有贴图的三维模型确实是一种成果，但从实际应用的角度来讲，那只是个美丽的空壳。当然，不可否认展示方面的应用价值，只是以此建议大家在建模前要先明确目的，抓重点。

一种建模方式打天下

建模方式众多，主要源于应用需求的多样化，选择恰当的工具才能正确与高效。应用不同的建模方式便会得到不一样的成果，结果不同，其适用的领域自然就会有所区分。接触过很多关注三维激光扫描技术应用的朋友，多数是从事技术类相关工作的，但发现很多朋友还是容易走入工具选择的误区，容易将某一种建模方式套用到所有应用项目中，这种错误的思路很可能导致大家误以为三维激光扫描技术不适合某种应用。

对于建模方式的选择，正向设计建模人员一般不易走入误区，但对于逆向建模应用来讲，就需要先明确建模的目的，再选适当的工具，根据应用的复杂程度，甚至一个项目中要综合应用多种建模方式。

前面提到3ds Max做建筑文化遗产保护方面的应用就是一个走入误区的例子。建模方式决定了成果精度无法满足实际应用，且时间成本巨大。3ds Max是正向设计建模软件，随着应用技术的发展，该软件也可以在建模环境中直接加载点云数据，但其模式更倾向于粗略参照式建模。你若非想在这款软件中实现精细参照也不是不可以，只是工作量有极大的差别。正向设计软件的优势是为我们建立表面规则化的模型。如果想精确参照点云建立那些砖墙上麻麻点点的凹凸表面、优美复杂的墙壁雕刻等的模型，基于点云直接建模的逆向建模软件是更合适的选择。