基于三维激光扫描的雕像建模与贴图
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方毛林;谢海荣;高飞;叶周润
【摘 要】在完成雕像三维建模的基础上,提出了一种结合CG动画软件ZBrush完成模型后期贴图的制作,实现了CG动画和传统三维建模的结合,最终得到了较好的效果.解决了Geomagic和3dsMax主流贴图软件对于不规则模型可能出现的贴图接缝问题,并指出了相关的注意事项,为三维激光扫描技术在三维建模及古物重建等方面的应用提供了案例参考. 【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】4页(P120-123)
【关键词】三维激光扫描;点云;建模;贴图;ZBrush
【作 者】方毛林;谢海荣;高飞;叶周润
【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009
【正文语种】中 文
前言讲座
【中图分类】P204;P225.2
三维激光扫描技术是一种非接触式的测量技术，能够直接采集目标对象表面的三维信息。该项技术突破了传统的测量方法，因此又被称为“实景复制技术”，其连续、自动、快速等优点，被广泛认为是继GPS之后的又一项测绘新技术，该项技术已成为空间数据获取的重要手段。三维激光扫描技术作为新兴的测量手段，目前已经应用于古文物保护、数字城市建设、变形监测、智慧城市等诸多领域[1]。传统测量能够较高精度的满足规则物体的测绘，但对于复杂的不规则的对象，通过传统测量则很难达到用户的要求。随着城市的数字化、智慧化，当下对于三维建模的要求越来越高，用户对于三维模型的要求不仅仅局限于模型的精确化，也逐渐对模型的真实感可视化有越来越高的要求。鉴于以上分析，本文利用ZBrush数字和雕刻软件，以三维建模为主线，重点阐述了ZBrush软件的使用，利用其中 的笔刷工具在建好的模型后完成了模型的贴图(总体流程如图1所示)。
矿业研究与开发2.1 点云数据采集及处理
本文采用徕卡P40三维激光扫描仪，拟对某雕像进行三维建模[2]。经过现场勘察，依据扫描的目的和精度要求，结合雕像周边的环境，考虑到扫描仪获取数据的功能，拟采用公共点(标靶)数据拼接方式对雕像进行4站扫描。在雕像的4个角分别设站，站与站之间有三个公共标靶球，设置精度为高等精度，每站扫描时间约10分钟，每站扫描完成后在显示屏上查看点云数据。待扫描全部结束，关闭仪器，检测点云数据是否完整或者是否有效果不好的区域，然后决定是否要进行加密测量或者本站重测，最后确保得到精确可靠的点云数据。数据采集完成后，导入到徕卡配套预处理软件Cyclone进行点云的拼接、降噪、点云统一化等处理,然后保存为asc或obj格式输出。 纹理信息采集是一项复杂且细致的工作，采集要满足包括采集时间、采集设备、数据格式、透视角度、环境和记录等要求。采集的方法为先全景、后特征，采集顺序为前视、前左视、左后视、后视、右后视、右视、右前视等八个全景和意义对应的特征。
本文雕像的纹理信息采集采用的是佳能EOS 5DMarkIII相机，对雕像的整体以及局部进行了细致纹理的采集，每张相片采用5760×3840像素，完成了约30张的纹理照片采集，纹理采集完成后需要使用Photoshop进行处理，对纹理进行处理的工作主要包括：
(1)影像裁减：根据三维模型面的范围对原始影像进行裁减；
(2)图像纠正：对倾斜的面进行水平方向正
射影像纠正；
(3)杂物消除：消除图像上存在的树木、行人等无关景物；
(4)影像拼接：将不同的图像块拼接为完整的纹理影像；
(5)调调整：对影像调灰暗，或者与整体场景调不协调的图像的调进行调整。
(6)大小调整：对非正面影像，可以适当减少纹理大小；
(7)命名保存：按照规范要求对影像进行命名保存。
文章通过上述方法对采集的纹理进行了修改和制作(如图2所示)。
本文使用Geomagic studio 13软件进行雕像的三维建模工作[3]。Geomagic软件遵循由点到边，由边到面的建模流程，可以利用处理后的点云数据生成三角网多边形，并自动拟合出NURBS曲面。曲面重构的技术流程包括点阶段，多边形阶段。
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3.1 点阶段
点阶段主要是对预处理后的点云数据做进一步的处理，使之更为精简，完成后进行封装。具体步骤如下：第1步就是给点云着，刚导入的点云数据呈黑，着后点云呈绿，方便观察(如图3(a)所示)。第2步是去除非连接项以及体外孤点，根据不同模型的大小和精度设置不同的比例，具体比例可以通过实验进行确定，一般选择默认比例即可，然后删除选中的点云。第3步是减少噪音，这里的减少噪音与Cyclone里面的减少噪音是不同的，这里是删除移动偏差比较大的点云，使其变得平滑，直接决定封装后形成曲面的精度。第4步是封装数据，设置好相应参数后即可进行封装。
3.2 多边形阶段
这个阶段是建模过程中的关键一步，它的效果直接决定了后面的模型效果以及纹理贴图。由于点云封装完成后会有三角网的重叠和缺失，会形成重叠三角形和缺失三角网的孔，需要进行填充孔的工作，修补好孔洞后，然后进行的是平滑工作，首先是选择模型表面褶皱明显进行平滑，可以通过去除特征工具进行修复,修复完成之后，使用网格医生检测模型有问题的格网并对其进行修复，修复之后要对模型表面进行检查，如有问题继续进行修复工作直至模型表面无问题为止。对无问题的模型进行最后的平滑工作，可以使用删除钉状物、松弛多边形工具进行最后的平滑工作，最后是简化多边形，通过简化工具让模型保持原有的形状并减少三角格网的数量。对于一些有明显起伏，通过上述步骤无法达到效果的，可以使用删除钉状物和砂纸打磨等步骤做进一步处理。 在完成上述工作后，可以再次使用一次网格医生命令，确保模型修复成功。至此，就完成了雕像的的点云三维模型重建工作(如图3(b)所示)。然后将模型导出为obj格式，便于后面的纹理贴图[4]。
三维模型要进行纹理映射，就必须要有纹理坐标，所以要进行模型的UV展开工作[5]。本文使用3ds Max 2012软件，3ds Max软件是一款主流的三维建模软件，使用此软件展UV需要安装两个插件，Unwrap和Unwrella。主要操作步骤如下：
(1)使用Unwrella自动展开UV，设置texture stretch为0.02，数值越小展UV越细致(通常情况下，设置值的范围在0.02到0.05之间)；
(2)在材质编辑器中给模型赋予一个棋盘格材质，用于查看UV 的质量；
2007女足世界杯(3)点击”UVW”展开，打开UV编辑器，全部选中后点击“重新塑造元素”按钮，对模型进行伸展，着重伸展不好的区域。
(4)伸展后用UV-packer进行重排，直接点击Pack UV map即可，保证所有展开UV都在黑框内，然后保存MAX文件(如图4所示)。
模型UV展开完成后，就可以对带有纹理坐标的模型进行纹理贴图了。
ZBrush 是一个数字雕刻和绘画软件，它以强大的功能和直观的工作流程彻底改变了整个三维行业。在一个简洁的界面中，ZBrush 为当代数字艺术家提供了世界上最先进的工具。以实用的思路开发出的功能组合，在激发艺术家创作力的同时，ZBrush 产生了一种用户感受，在操作时会感到非常的顺畅。ZBrush 能够雕刻高达 10 亿多边形的模型，能够处理很大的数据，可以满足一般模型的需求。ZBrush 软件是世界上第一个让艺术家感到无约束自
由创作的 3D 设计工具。它的出现完全颠覆了过去传统三维设计工具的工作模式，解放了艺术家们的双手和思维，告别过去那种依靠鼠标和参数来笨拙创作的模式，完全尊重设计师的创作灵感和传统工作习惯。ZBrush虽然是一款数字雕刻和绘画软件，但是它的部分功能在三维模型贴图上发挥了很好的作用。本文使用的软件版本为ZBrush 4R6，主要利用ZBrush中“ZProject”笔刷工具完成模型贴图[6]。
具体步骤如下：
(1)在打开ZBrush软件后，选择Material(材质)按钮，选择Flat Color材质球，将三维模型导入进去。之所以选择Flat Color材质球是因为该材质球没有任何颜和光影信息，不会影响参考图片填充到视图中是的颜信息。
(2)选择Texture(纹理)按钮，将Photoshop处理后的纹理图片导入进去，然后在弹出的选择窗口中单击CropAndFill(填充视图)。
(3)单击Import按钮，导入带有UV的OBJ文件，在导入之前，先在Material(材质)菜单中选择MatCap Pearl Cavity材质球(选择这个材质球的原因是因为它的高光比较接近人的皮肤)，
关闭纹理图片。然后按住Shift键在视口中拖曳出模型，然后单击视图上方的Edit按钮进入模型的编辑状态。
(4)将模型调整与图片对齐(如图5所示)，然后选择ZBrush菜单中的ZProject笔刷，然后关闭视图上方的Zadd按钮，调整笔刷的大小，接着在图形上进行随意涂抹，纹理图片就被映射到模型上。如果刷上去的纹理不够清晰，则必须要增加模型的细分，单击右侧Geometry，然后选择Divide增加细分。
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(5)逐步调整，在完成一个面的贴图后，对模型进行旋转，进行另一面的贴图，直到最后完成所有的纹理映射(如图5所示)。
(6)完成各个方向的纹理贴图，并且进行贴图检查，对接缝不好的区域进行修补，最后得到成果模型(如图6所示)。
本文首先介绍了三维模型的建模过程，在完成模型建模的基础上，使用数字雕刻软件ZBrush
软件进行了模型的贴图，该方法步骤简单，可以快速的完成模型的贴图，解决了传统软件
常见的贴图接缝的问题，得到了较好的效果。将数字雕刻软件应用在三维模型的贴图上，实现了CG动画和传统三维模型的结合。从数据采集到完成模型的贴图，整套流程体现了三维激光扫描在不规则模型的建模方面的优势,为三维激光扫描技术在不规则物体三维建模及古文物重建等方面的应用提供了一定的参考价值。
【相关文献】
[1] 谢宏全,谷风云等.基于三维激光点云数据的三维建模应用实践[M].武汉:武汉大学出版社，2014.
[2] 梁振华,王晨,谢宏全.基于徕卡C10获取校园三维点云数据设计[J].测绘科学，2013,22(1):47-50.
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