室内三维激光点云扫描建模流程

以三维激光扫描雷达获取精确的室内点云数据为研究对象，提出了一种快速、准确的提取点云中的建模信息和各模型相互关系的方法，对室内三维场景进行重建。首先对室内场景进行多站三维激光扫描，对获得的三维激光点云数据进行预处理、配准得到整体的点云模型，然后进行截取取得截面图，对截面图进行重绘测量得到其精确数据，最后根据所得数据的特点使用不同的建模软件对室内的框架和细部结构分别重建并组合，完成室内建模工作。

1 室内点云数据建模流程

以三维激光扫描仪获得的高精度点云数据应用于室内建模，是目前该领域研究的一个热点方向，本文应用采集到的三维点云数据进行室内三维场景重建，建模时根据需要选用Revit和SketchUp建模软件，比较两种软件在建模时的优缺点及适用范围，探寻交互应用的方法，使三维室内建模工作更快速高效，如图 1所示。

2 室内三维场景重建

SketchUp是最便利的三维草图制作软件，建模直观，修改和分析也十分方便，有利于建模初期确定建模方案。而Revit具有强大的建模功能，建模完成时模型实体包含全部的信息，可以从任何角度、任何位置进行剖切、截取并成图，保证模型在任何情况下的精确性。但Revit建模的过程十分复杂且不便于大范围的修改，所以并不适合草图制作，对操作者要求较高。

在实际案例中，可以先用SketchUp软件确定方案后再用Revit建模，一般对精度要求不是非常高的情况下，可以直接使用SketchUp，这样可提高建模效率。

2.1 室内点云数据的采集及预处理

本文选用FARO和Z+F两款激光扫描仪，对某地区一工作室进行三维激光扫描获取试验用点云数据。经过现场踏勘和对待测区域的分析，确定了6个测站的位置，测量时将激光雷达设置为室内扫描，扫描距离为10 m。

测区含一卫生间一厨房，将客厅部分改为工作场所。整个测区分为3部分，分别设站扫描。扫描后对整个室内情况进行拍照留取照片，留取近50张细致的照片建模时进行比较。

1) 使用Cyclone软件对数据进行预处理，由于多站点云数据在合并时点云的释放量有限，但在点云处理时需要较高密度。因此在Cyclone的模型空间里，需要先查看合并后模型中点的数量并调整模型参数，让点云模型的密度更大。

2) 对点云进行了去噪、去冗、抽稀、简化等工作获得点云模型，并对点云模型进行截取取得截面图，将截面图导入AutoCAD中对点云截面图进行重新绘制获得简化的截面线划图，对线划图进行测量获得特定区域特定物体的参数信息。

3) 如果数据有缺失，可以通过延长、连接、对称、旋转等方法获取所需的数据，分析所得数据，可以标注的在AutoCAD中予以标注，方便建模工作。

2.2 点云配准与点云剖切

点云数据经过预处理后，需要在剖切前对点云进行坐标系的转换，将原始的扫描坐标系转换为建筑坐标系，对多站点云数据进行合并配准得到整体的点云数据模型，如图 2所示。根据这个点云数据模型，可以了解室内的构造和家具家电等物品的位置信息，完成后续的各种分析、精确测量及建模工作。

将配准好的点云模型定义到某一特定的建筑坐标系下，对点云数据模型进行横向和纵向剖切。在Cyclone中打开配准好的点云模型，使用其中的框选工具对点云进行选择，选择的点云数据应尽可能少。这是因为激光雷达扫描时获取的点云数据密度大，扫描精度高导致扫描后的数据量巨大，如果不进行这样的选择，不仅会对计算机的硬件产生严重的损害，还会浪费很多时间在导入、导出数据上，费时费力。所以选取时应尽可能选取一个薄薄的、数据量少的点云层作为后续量测和绘制的平面。

选取平面位置时既不能过高也不能过低。选取过高的平面会导致缺少桌椅、家具和其他物品的位置信息;过低的平面会导致平面中的点云过于复杂混乱、难以分辨，导致误差较大，无法精确建模。

选择好剖切平面后，需对这个平面进行多次剖切，这样可以在后续精密量测时平衡剖切时偶然误差带来的影响，使建模更加精确。其截面图如图 3所示。

图 3 横向与纵向点云截面图

2.3 点云剖面重绘制与量测

将剖切后得到切面点云数据导出CAD可以打开的.dxf格式，使用AutoCAD打开截取的点云剖面，如图 4所示。

图 4 点云剖面图

在剖面图中重新绘制轮廓。室内建模与室外建模不同，从某一单独部分开始建模，室内建模需要一个基础的框架信息即房屋内的墙体，有了基础的框架才能根据截面所得的家具家电的位置信息完成细部模型的位置摆放。

由于在扫描时墙体会被柜子座椅等物品遮挡，所以会在很多位置存在点云数据的空缺，这需要根据没有被遮挡的位置补全缺失的部分，就可完成整个墙体框架的重新绘制。同理，可以完成一些结构简单的家具的轮廓绘制。

在CAD中准确地绘制墙体和室内物品的轮廓是最关键的一步，准确绘制才能展现室内的确切样貌，对点云数据精确地重新表示和重建。否则会导致建模不准确，不能顺利地完成分析及展示。

同理，在其他截面图中，如立面截面图，可以获得室内物体的高度和位置等信息，还可以得到顶部的很多细节信息。本实验中的屋顶经过装修，呈现凹凸不平，并安装了灯具，但是凹凸的高度差又不大，很难在水平方向上获取到很好的数据，这样立面截面图的信息就显得尤为重要。

水平方向的横向截面图中存在很多的点云缺失，可能是门、窗等位置或者是因为遮挡而不能获取信息。可以在纵向相同位置进行截取来判断具体属于哪种情况，如果遮挡可以用其相邻位置的点云数据进行延伸和连接，补全该位置缺失;如果是门、窗等本身就没有数据的部位，那么在其他截面图中也会在该位置缺失数据。根据具体情况，精确建模，在建模时需截取大量的不同方向的截面图才能完成整个室内三维模型重建。

量测绘制好的基本图，利用CAD中的量测标志功能对墙体进行测量并予以显示，为后续建模提供更加直观的数据展示。对同一位置的不同截面重绘图进行量测并取平均值，可以减少偶然误差带来的影响，提高建模的精度。

2.4 室内三维场景重建

室内建模首先需要将外部墙体框架搭建起来。室内扫描仅能获得内部墙体的三维点云数据，在SketchUp中先绘制内部墙体的轮廓;然后根据墙体的厚度即可绘制出外部墙体的轮廓，从而获得墙体的平面整体框架;最后使用拉伸工具对墙体进行拉伸，使拉伸长度与纵截面数据相吻合，这样就搭建成一个完整的三维墙体框架(图 5)。基于三维墙体整体框架就能完成屋顶和室内其他物品的建模。根据墙体整体轮廓可以绘制屋顶的轮廓;再根据屋顶截面图即可绘制屋顶三维模型，由室内获取照片可以看出屋顶还有一些灯具，可以在软件的自带模型库中寻找形式相同或相近的模型放置到相应的位置上，这就完成了屋顶的建模工作。

图 5 墙体框架的三维建模

将窗户、门等墙体框架的细节部分分别建模，并添加到墙体框架上，室内物体建模可以将原本软件模型库中已有的模型直接添加到已经完成的三维整体框架模型中，如桌子、柜子等建立相应的模型建模。最后将所有的模型赋予材质，使得室内模型更加精细美观。最后的效果图如图 6所示。

图 6 室内三维场景重建结果图

3 结束语

本文证明了室内的三维场景重建可以基于离散的三维扫描点云，通过一系列的步骤将点云内隐含的结构和形态信息分析出来，使用一些基础的操作软件并利用不同软件的特点和相互联系就可以将室内原本的结构信息，物品的位置信息和物品之间的相互关系描绘展示出来，对室内地物进行精确的重建，完美的进行了三维场景的复原。同时本文也提出并实例验证了一个基于室内散乱点云到室内精细三维模型重建的完整流程，并对使用的建模软件进行实例分析，总结了软件的优缺点，希望能为需要室内三维建模的工作提供有益的借鉴。