三维全景与三维激光扫描相结合的数字校园初期建设

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摘要：“数字校园”是通过信息技术与数字方式对校园生活的方方面面进行展示与管理。其中校园园景的三维全景数字空间图片及校园建筑的数字化点云数据扫描是建设数字校园的基础，是当前信息技术领域的一个重要发展方向之一。本文通过讲述三维全景图片摄制技术原理并结合三维激光扫描技术，建立数字校园空间方位数据库，提出了一种较为新颖的“数字校园”建设方案，能够直观的向外界展现校园的真实景观。

关键词：数字校园 三维激光扫描 三维全景图片 点云数据

中图分类号：TD17 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）05-0106-03

“数字校园”是通过计算机信息技术等，将学校的环境、资源等各个要素进行数字化的表现。“数字校园”在大学的对外宣传、优化管理、校园规划、服务师生和学校发展等方面发挥了重要作用[1]。

通过摄制三维全景图片建立校园园景的数字三维空间图片库，建设高校独有的校园园景数据库，能够永久保存校园园景的全部信息，包括具体空间方位数据，同时可作为今后校园要实现数字化管理的基础。将三维空间全景图片嵌入于高校的“数字校园”平台，用户可以利用计算机网络进行远程访问，能够让外界更直观的了解高校的概况和特色，可以增强高校对外界的宣传作用，以及帮助新生进校对校园的熟悉与感知。

本文基于“数字校园”建设的理念，提出一种较为新颖的“数字校园”建设方案。具体创新点包括：（1）研究三维全景图片的摄制原理；（2）如何通过三维激光扫描技术快速获取精确度高的校园景观建筑的三维激光点云数据，并简述数据的后期处理及经验感受；（3）三维全景图片与三维激光扫描在“数字校园”建设上的结合应用。

1 三维全景图片技术

三维全景是以实际照片为素材，采用图像拼合插值技术，建立具有真实效果的虚拟场景，通过网络技术将全景场景加载到互联网上供用户体验观赏。它在技术上较为简单和实用的特点被广泛应用在三维电子商务，如在线的房地产楼盘展示、产品展示、虚拟旅游等领域。

三维全景图片的分类：（1）360度柱型全景：较为简单的全景场景图片。场景视角是水平360度，因此不能进行俯视和仰视。（2）720度球型全景：球形全景的场景视角是水平360度，上下360度，包含了整个天地视角的全景照片。（3）立方体切片全景：与球型全景一样，可看到场景的任意角度。与球形全景相比，在观赏效果上有效减缓了一般全景图片在改变视角时鱼眼变形效果严重的问题。

2 三维全景图片拍摄原理

三维全景图片拍摄对技术要求较高，拍摄者要清楚知道相机节点，并保证拍摄过程镜头节点尽量不被移动。对于全景拍摄，场景点的选择决定了三维全景图片的最终效果。三维全景的拍摄主要有两种方法，手持式三维全景图片拍摄法及全景云台节点调整拍摄法。

2.1 手持式三维全景图片拍摄法原理

手持式拍摄法只需要一台相机就能做到全景图片拍摄。此方法要求拍摄者能清楚知道相机节点位置。拍摄过程其实就是把拍摄者充当“全景节点云台”，通过有效练习和经验积累后可以得到很高的成功率。

保证节点位置尽量不被移动是手持全景拍摄最核心的原理技术难点，因为镜头节点位置的精确度对三维全景图片的后期拼接处理是非常重要的基础前提。下面将较为详细的分析镜头节点原理及如何精确定位节点位置。

节点是镜头的光学中心。一般我们会以相机的底座螺丝孔做为相机旋转的中心，但这样的旋转对全景拍摄的高精度拼接处理要求是远远不足的。如图1（a）所示，使用相机对前方的两根筷子以不同的角度拍摄三张照片，这种旋转的拍摄可能会因为视角导致三张照片分别对物体的表现是不可能实现高精度拼接。

如图2（b）所示，当相机的旋转位置是镜头节点处时，这时旋转相机，三张照片对物体的表现是一致的，这个点就是节点，以光学中心旋转镜头，前后物体透视不会发生变化，这样才能保证我们拼接照片的精度。只要固定住节点，无论以水平或垂直甚至任何方向去旋转相机，它都可以保证在画面中物体的关系是统一的。

通过对手持全景拍摄法有效练习和经验积累后我们可以得出一些选点结论，手持全景摄影入门时最好遵循下面几个选点规则：①由于全景图片拼接处理对节点精确度要求很高，尽量不要到狭窄空间拍摄；②尽量不要在有很多规则线条的地方进行拍摄。

2.2 全景云台节点调整拍摄法原理

全景节点云台能够保证相机在三角架上旋转构图的时候保证相机运动轴心位于节点上，大大提高后期拼图的精度度。不过仅仅有云台是不行的，还需正确的调整全景云台使相机的旋转位置位于镜头节点处。调整全景云台上相机的节点需要精确的计算和不断的调整，主要按一下两步调整。①对准镜头轴与三角架旋转轴。传统方法是目测，正向面对相机，观察镜头中心点是否在脚架的中心轴线上，误差控制到2mm左右，调整节点时，还要考虑中轴没对准的因素，使全景云台的调整变得相当复杂；②在镜头轴线上找到并对准节点位置（镜头节点位置的确定方法如2.1所述）。

2.3 全景图片的后期拼接处理

全景无缝拼接处理软件主要有PTGui Pro、Autopano Giga等。现有的全景图像拼接生成算法主要可以分为三类：基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相关的方法。在得到拼接好的图像后，还需要对图像重叠部分进行处理，以实现图像的无缝拼接。目前经常采用的一种简单的图像缝合技术就是线性插值法[2]（Linear Interpolation）。

本文使用PTGui Pro进行全景图片的无缝拼接，步骤如下：①照片素材的对齐。将相邻图像按照重叠影像部分叠放在一起，通过软件计算照片素材重叠区域自动对齐；②照片素材的变形处理。图像边缘会由于相邻两张图像的角度不同而无法100%完全拼接，因此必须将重叠影像进行一定程度的变形操作；③混合。相邻两张图像的边界处不能完全接合，很可能产生边界线。所以软件能够自动对边界部分进行淡化处理，使其透明度降低，从而达到两个图像混合在一起的目的。④全景图片色彩处理。由于拍摄过程的环境光线明暗、旋转角度差异等因素导致全景图片有些区域曝光过度等问题，通过手动调整曝光修正等操作达到满意效果。

3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一种新技术，已成为空间数据采集的一种重要技术手段，可用于城市建筑三维重建和建筑信息采集、智慧城市构建、数字校园可视化管理、工程测量、古建筑和文物保护、建筑信息BIM模型（Building Information Modeling）等领域。

3.1 三维激光扫描技术原理

目前主流的三维激光扫描系统主要有美国的FARO Focus 3D系统、瑞士的Leica HDS系统等。本文将以Focus 3D扫描仪简单的介绍三维激光扫描原理。

在Focus 3D三维激光扫描仪内，有1个激光脉冲发射体，2个反光镜快速旋转，将发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测站点。扫描过程中，自动测量每个激光脉冲从发出到被测物表面再返回仪器所经过的时间来得出距离，同时编码器测量每个脉冲的角度，获取被测物体的三维真实坐标，形成了被测物体的点云图。利用FARO SCENE软件可快速处理点云原始数据，并能够输出各类点云数据（如.ptx、.ptc、.xyz等），用于三维建模、断面图的绘制等。数据也可用Navisworks、Pointools软件在完成乏维交互式可视化检测及概念设计等。

3.2 三维激光扫描技术在数字校园建设中数据采集的工程流程及三维建模方法

使用FARO三维激光扫描系统采集校园建筑数据的工作流程及三维建模大致分为三部分，如图3所示：①计划制定；②外业数据采集；③内业数据处理。

（1）三维激光扫描计划制定：首先要制定详细的工作计划，外业数据采集的质量直接决定了项目后续的进展和最终成果，主要包括：设计合理的扫描路线、确定扫描精度、设站数、标靶的布设等。

（2）外业数据采集：可分为几个步骤：①踏勘扫描场地，根据现场情况估计扫描站点数②为了布设高精度的标靶网，要保证每个标靶和至少两个控制点通视。③三维扫描，扫描的分辨率设置为1/4，为了能够准确地提取靶标中心点，对靶标分别采取了较高分辨率的扫描。

（3）内业数据处理：①点云去噪与补洞。由于扫描场景有人员车辆等导致原始数据含有较大噪点，使用Pointools Edit中进行彻底的去噪。②站点配准。使用球形控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下；③三维模型重建[4]。在大楼周围布设一条闭合导线，用电子全站仪SET230R测定导线的边长和转折角，经过平差计算得到各控制点的平面坐标，得到建筑物结构体的三维线划图，将测得的全部数据用AutoLISP程序处理，进行自动连线，并按要求添加轴线以及进行注记。对总线框图进行渲染和三维处理，得到其三维模型。

3.3 三维激光扫描技术在数字校园建设中的操作应用技能总结

我们总结了大量数字校园三维激光扫描项目的经验并结合FARO Focus 3D三维激光扫描仪的工作特点等总结了以下三维激光扫描技术的操作应用技能经验：（1）扫描区域扫描路线草图绘制：外业数据采集工作之前，根据实地勘探绘制扫描区域草图，标明控制点、扫描站点和标靶布设位置等，以便后续数据处理时参考。（2）扫描站点布设：在标靶点附近选择扫描站点。扫描站点的布设要符合：①站点必须选择在平坦、稳定的地方，严禁在路上的石块、杂草丛生等地方安置仪器；②在保证精度的情况下，每个扫描站点应能最大范围地扫描到目标场景；③尽量确保每个扫描站点上无被遮挡区域。（3）标靶布设：根据扫描要求和扫描环境的实际情况，在扫描区域内布设标靶。应将标靶布设在站点与站点的重叠区域内，且至少布设三个以上的标靶，布设标靶时应注意不能将其布设在一条直线上。

4 三维全景图片结合三维激光扫描技术在构建数字校园上的实际应用

4.1 基于三维全景图片的数字校园可视化平台的建设

通过全景数据采集，对采集的实景数据分类和处理，将实景数据和数字地图坐标数据进行整合，形成较为完整的校园全景漫游观看服务；通过互联网及管理信息系统技术，将含有全景漫游及地图数据的管理服务提供给客户端用户。如图4所示，该平台主要包含全景漫游在线观看服务和可视化管理服务两大模块。

4.2 全景拍摄结合三维激光扫描技术的一种数字化三维空间全景图片格式

一般的全景图片摄制方法已经较为成熟被广泛应用于各个领域。本文通过将三维激光扫描技术与全景摄像技术结合起来用于景点图像，获取实验数据和最佳配置的参数范围，提出了制作一种包含景点空间环境xyz坐标信息的三维全景图片的新方法。其基本原理是应用Foucs 3D扫描仪，激光扫描获取景点空间点云数据，结合全景摄像将RGB信息标定贴敷到点云数据上，使得最后形成的图片是真正的三维空间彩色图片，而且还可以提供图片中物体的三维空间坐标信息。

5 结语

本文主要论述了三维全景图片摄制技术结合三维激光扫描技术在数字校园建设上的实际应用。较为全面的分析了三维全景技术的拍摄及制作原理。通过研究三维激光扫描技术应用于校园建筑及地理信息的空间信息采集、校园建筑三维模型重建等技术原理、操作方法、具体项目工作流程，详细总结归纳了三维激光扫描技术的实际应用技能，给数字校园建设提出了一些创新的思路。

参考文献

[1]赵毅力，徐丹.基于全景图像的虚拟漫游系统研究[J].计算机与现代化，2011.06.11-14.

[2]刘德利，张亚双.数字校园三维景观建模方法的分析与应用[J].工程技术，2011.05.73-74.

[3]刘春，杨伟.三维激光扫描对城市空间特征的采集和建模[J].同济大学学报，2000.09.315-321.

[4]石银涛，程效军.地面三维激光扫建模精度研究[J].河南科学，2010.02.182-186.