基于点云数据的传统村落VR...究——以井陉于家石头村为例_张慧.pdf

Planning Design规划设计48张慧汪杰2*（1 河北工业大学建筑与艺术设计学院 博士 副教授 硕士生导师）（2 河北工业大学建筑与艺术设计学院 硕士研究生）#基金项目：河北省社会科学基金项目（HB20YS015）摘要 随着传统村落数字化保护进程的日益开展，利用虚拟现实技术（VR）对传统村落进行展示宣传契合现实需求。本文针对目前传统村落 VR 展示存在的场景建模效率低、真实感缺失等问题，提出结合地面三维扫描与低空倾斜摄影技术融合建模、高效建立村落实景模型，以增强虚拟现实场景的真实性。以于家石头村为例，阐述点云数据的采集路线，着重探讨模型的融合方法，然后将融合后的模型进行虚拟现实展示，最后对展示效果进行评价，并提出修正建议，以期为传统村落 VR 展示的场景建立提供借鉴与参考。ABSTRACT:With the development of digital protection of traditional villages,the use of virtual reality technology(VR)to display and publicize traditional villages meets the practical needs.Aiming at the low efficiency of scene modeling and lack of realism in the current traditional village VR display,this paper proposes to combine 3D scanning and photogrammetric surveys to integrate modeling,and to efficiently establish a village scene model to enhance the authenticity of the virtual reality scene.The Case Study of the Yujia Stone Village,it elaborates the collection route of point cloud data,focuses on the model fusion method,then displays the model in virtual reality,and finally evaluates the display effect and proposes correction suggestions.关键词 传统村落；逆向建模；虚拟现实技术KEY WORDS:Traditional Village;Reverse Modeling;Virtual Reality Technology(VR)基于点云数据的传统村落 VR 展示研究#以井陉于家石头村为例VR Display of Traditional Villages Based on Point Cloud Data:A Case Study of Yujia Stone Village1 引言传统村落是中国传统文化的“根据地”，但随着城镇化的快速发展，一些传统村落正不断遭到侵蚀和破坏，甚至面临消失。因此，保护传统村落和及其承载的文化遗产刻不容缓。虚拟现实技术（Virtual Reality，缩写为VR）是一种可以脱离原物而模拟其视听感觉的技术，可以在不破坏原物的基础上进行重建、修复和保存1。VR 技术以新的展示方式与呈现手段，跨越时空和地域的限制，能让观众更加方便地体验传统村落，有利于传统村落的保护与文化传播。目前，一些学者在国内外文献研究的基础上进行了相关的实践。例如，段林峰2、喻晓琛3、潘修强4、严钧5、樊强强6等国内学者通过实例探讨了传统村落的虚拟现实展示。国外相关的实践有德国7、英国8、土耳其9、以色列10和塞尔维亚11的学者用 VR 实现了宗教类历史建筑和文化遗址的可视化展示。经文献分析可知，当前 VR 场景构建方法主要分为四种方法（表 1）。从表 1 中分析得知，目前 VR 场景构建多采用逆向建模+正向建模的方法，逆向建模主要利用无人机倾斜摄影或三维激光扫描技术采集原始数据，然后再利用正向建模方法优化模型，经过渲染或贴图的方式进行色彩还原。这种方法对建筑单体现实可行，但对于传统村落的 VR 展示，其场景构建需求量大，表 1 VR 场景建模方法总结序号建模方法技术应用效果评价代表案例1正向建模AutoCAD、SU、3DMax 等正向建模软件建模效率低，无场景真实感与沉浸感。楠溪江古村落 VR 展示研究42逆向建模三维激光扫描、或低空倾斜摄影两种技术各有千秋，三维扫描屋顶点云数据缺失较多，而低空倾斜摄影室内无法呈现校园虚拟漫游设计研究123正向+逆向 三维激光扫描+正向建模整体表现实景感较强，室内外空间衔接顺畅，但需后期建模渲染，降低了真实性德国国王大教堂 VR展示74正向+逆向 摄影测量建模+正向建模室内壁画等装饰细节部位表现较好，但外部空间真实感较弱，室内外空间结合困难。塞尔维亚圣尼古拉教堂 VR 展示11Planning Design规划设计49它的范围包括村域内的公共建筑与广场，民居建筑与院落，并需要街巷空间将其串联，使之形成连接的整体空间。现有方法不能同时满足建模效率高和场景真实感强的需求。2“空-地”点云融合建模传统村落 VR 场景构建需要综合运用多类型的信息技术，对于真实感的要求，逆向建模的优点十分明显。首先数据来源于现实，真实性强，可视化程度高，并且建模速度快。针对传统村落点云数据采集，无人机采集建筑屋顶数据机动灵活，地面三维扫描精度高，其采集的点云数据能真实地描述建筑的整体结构和细部纹理，能有效补充倾斜摄影的局限性。若能将两种技术融合，“空-地”协同进行数据采集，优势互补，可高效建立传统村落实景模型，全方位实现村落建筑室内外场景的结合，同时能够满足传统村落虚拟场景的真实性要求。于家石头村位于太行山区深处，是一座保存完好的明清时期石头文化传统村落，十分具有地域文化特性。本文以石头村为研究对象，利用三维激光扫描与低空倾斜摄影技术，采集村落典型建筑及街巷空间点云数据，后借助 VR 技术，对石头村虚拟现实展示。下文以石头村的典型建筑观音阁来说明“空地”点云融合建模方法。观音阁是一座具有太行山区地域特征的乡土建筑，它体量虽小，但风格独特，其主体硬山顶与卷棚抱厦相融合，屋顶特色明显。但在地面点云数据采集过程中，由于周围建筑与树木对操作空间的限制，再加上建筑屋檐的遮挡，使得地面采集的建筑屋顶出现“盲区”，无法采集点云数据，造成屋顶数据缺失（如图 1 红色虚线框中所示）。故此，利用无人机倾斜摄影采集建筑屋顶数据，通过数据解算生成屋顶模型。然后对两种模型进行优化后在第三平台进行模型融合，最后以一定格式输出到虚拟现实平台进行 VR 展示（图 2）。3 建模关键方法解析3.1 点云数据采集与处理点云数据的采集分为两个方面，一是地面三维激光扫描，主要采集建筑的外立面、建筑室内、街巷空间等。二是利用低空无人机倾斜摄影方法采集建筑“第五立面”屋顶的点云数据。具体采集与处理方法总结如下：（1）低空无人机点云数据采集与处理低空无人机倾斜摄影就是在飞行平台上搭载传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像，获取丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，记录旁向重叠和坐标参数，然后对倾斜影像进行分析和整理13。然后根据空中三角测量算法生成真实景象三维模型。在采集前先分析测区，规划航线，选择适宜的天气。影像采集时间为正午，此时房屋的投影最小。在影像采集时设置照片重叠率为 30%，按照规划好的航线进行影像采集。在数据采集完成后导出影像数据与 POS（采集点的地理坐标与相机角度）数据，整理后导入内业处理软件中进行多视角影像密集匹配，然后进行三维 TIN 格网重建，创建素模后进行自动纹理映射，从而生成屋顶密集点云模型。（2）地面点云数据采集与处理采集地面点云数据时，在建筑周围或街巷中均匀分布扫描站点，多次暴露特征明显的物体。扫描建筑内部时，留出室内外的过渡空间，保证公共参考点全部覆盖，当特征点不足时，采用贴标签纸或者标靶球，建立公共参考点。点云数据预处理完成之后进行点云数据拼接，以点云处理软件 SCENE 为例，图 1：观音阁 VR 场景构建图 2：“空-地”点云数据融合建模流程图表 2 观音阁点云拼接误差群集/扫描连接最大点错误 mm中点错误 mm最小重叠观音阁 _646.440.192观音阁 _7542.40.209观音阁 _875.43.30.142观音阁 _4593.60.03观音阁 _ 街巷 1411.77.40.03观音阁 _ 街巷 212.62.60.632观音阁 _5511.74.20.278观音阁 _156.140.075观音阁 _256.44.60.278观音阁 _365.23.60.174观音阁 _942.72.10.519观音阁 _ 室内15.25.20.174点错误20mm重叠25.0%10.0%最大点错误11.7mm中点错误3.9mm最小重叠3.00%Planning Design规划设计50首先用俯视图，手动操作对应各测站的位置，然后利用“点云注册”功能，根据扫描时获取的 GPS 信息、高度仪、倾角仪等传感信息进行拼接。完成后，检查所拼接模型的误差。例如表 2 中，观音阁第 4 站与第 5 站之间的最大点误差高于 8mm20mm 区间值，且最小重叠率低于 3.0%，则需要对两数据重新进行拼接，直到满足最小重叠率。3.2 点云数据融合数据融合的原理是将两种点云模型转化为同一格式，然后在统一坐标系下进行拼接，其主要步骤如下：（1）控制点布设在 CGCS2000 国家大地坐标系下进行数据采集，在进行地面三维激光扫描时，需要提前在被扫描对象周围或者在其上选择三个以上容易识别的坐标点。具体的方法可以在扫描的建筑物上贴靶标点，或者摆放标靶球。然后用全站仪或RTK测出每个点的相对坐标，这种方法较为通用，程序相对简单，适合村落单体建筑的数据融合。同样在无人机图像采集中需要设置图像控制点，然后测量每个图像控制点的绝对坐标。在软件进行影像自动计算时就会带有绝对的大地坐标系。（2）坐标系转换以 Faro 三维激光扫描仪为例，首先在SCENE 软件中找到提前布设的坐标点，在软件中调出该点的相对坐标点，然后重新导入新的坐标，也就是绝对坐标。逐点依次转换完成后，地面点云模型所带有的坐标就是与无人机倾斜摄影相匹配的统一坐标（图 3）。（3）数据融合“空-地”点云数据融合时按照地面数据为主，空中数据为辅的原则。首先把地面点云数据以 xyz 格式导出，同时把*.las 格式的空中点云模型在 Recap 软件中导出为相同格式，然后统一将两个模型导入到 Geomagic Wrap 软件中进行拟合。拼接时参照模型中容易识别的公共点进行拟合。当公共参考点较少时，利用统一坐标系的方法，进行坐标点控制拟合。3.3 融合后模型精度分析与优化建议融合后对点云模型进行观察分析，屋顶部分与建筑主体部分总体拼接完好，特征点部位的点云拟合程度较高（图 4）。但细节特征较多的建筑构件表面存在一定的误差，例如观音阁正脊宝顶尖端作为数据融合的公共点，融合后点附近有交叉分层，原因是地面大空间三维扫描的精度在 1mm2mm，而无人机倾斜摄影的精度一般大于 2mm，所以两者在数据融合时会存在一定误差。综合以上分析对模型融合前的各个环节提出优化建议：（1）在数据采集时，无人机要对屋顶的特征物进行多角度数据采集，照片重叠率建议在 30%以上，增加模型的精细程度。（2）地面三维激光扫描和无人机倾斜摄影要多预留出建筑山墙和檐口部分的公共区域，以便提供更多公共参考点。（3）在融合过程中公共点的分布要尽可能分散布置，以便合模型时减少误差，提高模型融合的精度。4 虚拟现实展示4.1 VR 平台搭建与功能分析将融合后的点云模型加载到虚拟现实平台上进行展示。需要