以三維激光掃描雷達獲取精確的室內點云數(shù)據(jù)為研究對象，提出了一種快速、準確的提取點云中的建模信息和各模型相互關系的方法，對室內三維場景進行重建。首先對室內場景進行多站三維激光掃描，對獲得的三維激光點云數(shù)據(jù)進行預處理、配準得到整體的點云模型，然后進行截取取得截面圖，對截面圖進行重繪測量得到其精確數(shù)據(jù)，最后根據(jù)所得數(shù)據(jù)的特點使用不同的建模軟件對室內的框架和細部結構分別重建并組合，完成室內建模工作。

1 室內點云數(shù)據(jù)建模流程

以三維激光掃描儀獲得的高精度點云數(shù)據(jù)應用于室內建模，是目前該領域研究的一個熱點方向，本文應用采集到的三維點云數(shù)據(jù)進行室內三維場景重建，建模時根據(jù)需要選用Revit和SketchUp建模軟件，比較兩種軟件在建模時的優(yōu)缺點及適用范圍，探尋交互應用的方法，使三維室內建模工作更快速高效，如圖 1所示。

2 室內三維場景重建

SketchUp是最便利的三維草圖制作軟件，建模直觀，修改和分析也十分方便，有利于建模初期確定建模方案。而Revit具有強大的建模功能，建模完成時模型實體包含全部的信息，可以從任何角度、任何位置進行剖切、截取并成圖，保證模型在任何情況下的精確性。但Revit建模的過程十分復雜且不便于大范圍的修改，所以并不適合草圖制作，對操作者要求較高。

在實際案例中，可以先用SketchUp軟件確定方案后再用Revit建模，一般對精度要求不是非常高的情況下，可以直接使用SketchUp，這樣可提高建模效率。

2.1 室內點云數(shù)據(jù)的采集及預處理

本文選用FARO和Z+F兩款激光掃描儀，對某地區(qū)一工作室進行三維激光掃描獲取試驗用點云數(shù)據(jù)。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘和對待測區(qū)域的分析，確定了6個測站的位置，測量時將激光雷達設置為室內掃描，掃描距離為10 m。

測區(qū)含一衛(wèi)生間一廚房，將客廳部分改為工作場所。整個測區(qū)分為3部分，分別設站掃描。掃描后對整個室內情況進行拍照留取照片，留取近50張細致的照片建模時進行比較。

1) 使用Cyclone軟件對數(shù)據(jù)進行預處理，由于多站點云數(shù)據(jù)在合并時點云的釋放量有限，但在點云處理時需要較高密度。因此在Cyclone的模型空間里，需要先查看合并后模型中點的數(shù)量并調整模型參數(shù)，讓點云模型的密度更大。

2) 對點云進行了去噪、去冗、抽稀、簡化等工作獲得點云模型，并對點云模型進行截取取得截面圖，將截面圖導入AutoCAD中對點云截面圖進行重新繪制獲得簡化的截面線劃圖，對線劃圖進行測量獲得特定區(qū)域特定物體的參數(shù)信息。

3) 如果數(shù)據(jù)有缺失，可以通過延長、連接、對稱、旋轉等方法獲取所需的數(shù)據(jù)，分析所得數(shù)據(jù)，可以標注的在AutoCAD中予以標注，方便建模工作。

2.2 點云配準與點云剖切

點云數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后，需要在剖切前對點云進行坐標系的轉換，將原始的掃描坐標系轉換為建筑坐標系，對多站點云數(shù)據(jù)進行合并配準得到整體的點云數(shù)據(jù)模型，如圖 2所示。根據(jù)這個點云數(shù)據(jù)模型，可以了解室內的構造和家具家電等物品的位置信息，完成后續(xù)的各種分析、精確測量及建模工作。

將配準好的點云模型定義到某一特定的建筑坐標系下，對點云數(shù)據(jù)模型進行橫向和縱向剖切。在Cyclone中打開配準好的點云模型，使用其中的框選工具對點云進行選擇，選擇的點云數(shù)據(jù)應盡可能少。這是因為激光雷達掃描時獲取的點云數(shù)據(jù)密度大，掃描精度高導致掃描后的數(shù)據(jù)量巨大，如果不進行這樣的選擇，不僅會對計算機的硬件產(chǎn)生嚴重的損害，還會浪費很多時間在導入、導出數(shù)據(jù)上，費時費力。所以選取時應盡可能選取一個薄薄的、數(shù)據(jù)量少的點云層作為后續(xù)量測和繪制的平面。

選取平面位置時既不能過高也不能過低。選取過高的平面會導致缺少桌椅、家具和其他物品的位置信息;過低的平面會導致平面中的點云過于復雜混亂、難以分辨，導致誤差較大，無法精確建模。

選擇好剖切平面后，需對這個平面進行多次剖切，這樣可以在后續(xù)精密量測時平衡剖切時偶然誤差帶來的影響，使建模更加精確。其截面圖如圖 3所示。

圖 3 橫向與縱向點云截面圖

2.3 點云剖面重繪制與量測

將剖切后得到切面點云數(shù)據(jù)導出CAD可以打開的.dxf格式，使用AutoCAD打開截取的點云剖面，如圖 4所示。

圖 4 點云剖面圖

在剖面圖中重新繪制輪廓。室內建模與室外建模不同，從某一單獨部分開始建模，室內建模需要一個基礎的框架信息即房屋內的墻體，有了基礎的框架才能根據(jù)截面所得的家具家電的位置信息完成細部模型的位置擺放。

由于在掃描時墻體會被柜子座椅等物品遮擋，所以會在很多位置存在點云數(shù)據(jù)的空缺，這需要根據(jù)沒有被遮擋的位置補全缺失的部分，就可完成整個墻體框架的重新繪制。同理，可以完成一些結構簡單的家具的輪廓繪制。

在CAD中準確地繪制墻體和室內物品的輪廓是最關鍵的一步，準確繪制才能展現(xiàn)室內的確切樣貌，對點云數(shù)據(jù)精確地重新表示和重建。否則會導致建模不準確，不能順利地完成分析及展示。

同理，在其他截面圖中，如立面截面圖，可以獲得室內物體的高度和位置等信息，還可以得到頂部的很多細節(jié)信息。本實驗中的屋頂經(jīng)過裝修，呈現(xiàn)凹凸不平，并安裝了燈具，但是凹凸的高度差又不大，很難在水平方向上獲取到很好的數(shù)據(jù)，這樣立面截面圖的信息就顯得尤為重要。

水平方向的橫向截面圖中存在很多的點云缺失，可能是門、窗等位置或者是因為遮擋而不能獲取信息。可以在縱向相同位置進行截取來判斷具體屬于哪種情況，如果遮擋可以用其相鄰位置的點云數(shù)據(jù)進行延伸和連接，補全該位置缺失;如果是門、窗等本身就沒有數(shù)據(jù)的部位，那么在其他截面圖中也會在該位置缺失數(shù)據(jù)。根據(jù)具體情況，精確建模，在建模時需截取大量的不同方向的截面圖才能完成整個室內三維模型重建。

量測繪制好的基本圖，利用CAD中的量測標志功能對墻體進行測量并予以顯示，為后續(xù)建模提供更加直觀的數(shù)據(jù)展示。對同一位置的不同截面重繪圖進行量測并取平均值，可以減少偶然誤差帶來的影響，提高建模的精度。

2.4 室內三維場景重建

室內建模首先需要將外部墻體框架搭建起來。室內掃描僅能獲得內部墻體的三維點云數(shù)據(jù)，在SketchUp中先繪制內部墻體的輪廓;然后根據(jù)墻體的厚度即可繪制出外部墻體的輪廓，從而獲得墻體的平面整體框架;最后使用拉伸工具對墻體進行拉伸，使拉伸長度與縱截面數(shù)據(jù)相吻合，這樣就搭建成一個完整的三維墻體框架(圖 5)?；谌S墻體整體框架就能完成屋頂和室內其他物品的建模。根據(jù)墻體整體輪廓可以繪制屋頂?shù)妮喞?再根據(jù)屋頂截面圖即可繪制屋頂三維模型，由室內獲取照片可以看出屋頂還有一些燈具，可以在軟件的自帶模型庫中尋找形式相同或相近的模型放置到相應的位置上，這就完成了屋頂?shù)慕９ぷ鳌?/span>

圖 5 墻體框架的三維建模

將窗戶、門等墻體框架的細節(jié)部分分別建模，并添加到墻體框架上，室內物體建模可以將原本軟件模型庫中已有的模型直接添加到已經(jīng)完成的三維整體框架模型中，如桌子、柜子等建立相應的模型建模。最后將所有的模型賦予材質，使得室內模型更加精細美觀。最后的效果圖如圖 6所示。

圖 6 室內三維場景重建結果圖

3 結束語

本文證明了室內的三維場景重建可以基于離散的三維掃描點云，通過一系列的步驟將點云內隱含的結構和形態(tài)信息分析出來，使用一些基礎的操作軟件并利用不同軟件的特點和相互聯(lián)系就可以將室內原本的結構信息，物品的位置信息和物品之間的相互關系描繪展示出來，對室內地物進行精確的重建，完美的進行了三維場景的復原。同時本文也提出并實例驗證了一個基于室內散亂點云到室內精細三維模型重建的完整流程，并對使用的建模軟件進行實例分析，總結了軟件的優(yōu)缺點，希望能為需要室內三維建模的工作提供有益的借鑒。