水电站三维建模纹理贴图方法研究.pdf

75 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT0 引言向家坝水电站位于滇川两省交界的金沙江下游河段，工程的开发任务以发电为主，同时改善航运条件，兼顾防洪、灌溉，并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反调节等作用，如图 1 所示。水电站是一种重要的能源发电设施，对于水资源的合理利用和环境保护起着重要作用。随着科技的发展，三维建模技术在水电站的规划和设计中得到了广泛应用。然而，水电站的三维建模需要详细的纹理贴图以提供真实感和细节1。水电站三维建模纹理贴图方法研究钱军，苏振（中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川宜宾644600）摘要：随着科技的发展，三维建模技术在水电站的规划和设计中得到了广泛应用。然而，水电站的三维建模需要详细的纹理贴图以提供真实感和细节，因此，本文提出了一种基于图像处理和计算机视觉的向家坝水电站纹理贴图方法。首先对向家坝水电站的三维模型进行建模，然后利用图像处理技术将纹理信息提取出来，并对其进行优化处理。接着，采用计算机视觉的方法将纹理信息与三维模型进行匹配，使其更加准确地贴在模型表面上，从而提高贴图的真实感和准确性。实验结果表明，所提出的纹理贴图方法可以有效地改善贴图失真和边缘模糊等问题，提高建模的真实感和细节表现能力。关键词：水电站；三维建模；纹理贴图；图像处理；计算机视觉中图分类号：TV74文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）02-0075-03Research on Texture Mapping Method for Three-dimensional Modeling of Hydroelectric Power StationsQIAN Jun，SU Zhen（China Changjiang Electric Power Co.,Ltd.Xiangjiaba Power Plant,Yibin 644600,China）Abstract：With the development of science and technology,3D modeling technology has been widely used in the planning and design of hydropower plants.However,3D modeling of hydropower plants requires detailed texture mapping to provide realism and details,so this paper proposes a texture mapping method based on image processing and computer vision.Firstly,the 3D model of the hydroelectric power plant is modeled,and then the texture information is extracted using image processing techniques and optimized.Then,the computer vision method is used to match the texture information with the 3D model so that it can be more accurately pasted on the surface of the model,thus improving the realism and accuracy of the mapping.The experimental results show that the proposed texture mapping method can effectively improve the problems of mapping distortion and edge blurring,and improve the realism and detail representation of modeling.Keywords：hydroelectric power plant；3D modeling；texture mapping；image processing；computer vision图1 向家坝水电站示意图在水电站建模过程中，纹理贴图是一种重要的技术手段，可以提高建模的真实感和细节表现能力2。然而，目前存在一些问题，例如贴图失真、贴图边缘模糊等。因此，针对向家坝水电站三维建模纹理贴图方法的研究，通收稿日期：2023-12-04作者简介：钱军（1985.11-），男，汉族，四川巴中人，硕士，高级工程师，研究方向：水电站建筑物及闸坝金结设施运行维护及相应项目管理工作。76 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT过对水电站的实地调研和数据采集，获取了水电站各个部位的纹理样本。然后，采用图像处理的方法对纹理样本进行预处理，包括去噪、边缘检测和颜色校正等步骤，以提高纹理贴图的质量。然后，针对现有问题，提出了一种基于图像处理和计算机视觉的纹理贴图方法。该方法首先对水电站的三维模型进行建模，然后利用图像处理技术将纹理信息提取出来，并对其进行优化处理。接着，采用计算机视觉的方法将纹理信息与三维模型进行匹配，使其更加准确地贴在模型表面上，从而提高贴图的真实感和准确性。为了验证所提出方法的有效性，本文选取了某水电站作为研究对象，进行了实验。实验结果表明，所提出的纹理贴图方法可以有效地改善贴图失真和边缘模糊等问题，提高建模的真实感和细节表现能力。1 水电站三维建模纹理贴图方法纹理贴图是计算机图形学中的一个重要研究领域，广泛应用于三维模型的外观渲染、虚拟现实、游戏开发等方面3。当前纹理贴图方法主要包括基于图像的方法和基于样本的方法两大类。基于图像的纹理贴图方法是通过获取现实中的图像信息来生成纹理贴图。它通常依靠摄像机或扫描设备获取现实世界中的图像，并利用图像处理技术进行纹理合成或纹理映射。这种方法可以直接捕捉自然界中的纹理特征，生成逼真的纹理贴图，但对输入图像的质量要求较高。基于样本的纹理贴图方法则是通过建立纹理样本库，利用已有的纹理样本对三维模型进行纹理映射。这些纹理样本可以是由专业纹理艺术家手工绘制的，也可以是通过图像采集仪等设备获取的。基于样本的纹理贴图方法具有良好的灵活性和可扩展性，但需要大量的纹理样本来支持各种不同的纹理效果。近年来，随着深度学习的兴起，基于神经网络的纹理贴图方法也受到了广泛关注4。通过训练深度卷积神经网络，可以从输入的几何特征或低分辨率的纹理图像中生成高质量的纹理贴图。这种方法能够克服传统方法中对纹理样本的依赖，并能够学习到更复杂的纹理特征。总体来说，纹理贴图方法的研究已经取得了不少的进展，但仍然存在一些挑战。首先，当前的纹理贴图方法在处理局部纹理特征、纹理重复性等问题上仍然存在一定的局限性。其次，如何提高纹理合成的效率和质量也是一个亟待解决的问题。最后，纹理贴图的规范化和标准化也需要进一步加强，以提高纹理贴图方法的可移植性和通用性。在未来的研究中，我们可以进一步探索基于深度学习的纹理贴图方法，并结合基于样本和基于图像的方法，进一步提高纹理贴图的效果和效率。此外，我们还可以研究纹理贴图在虚拟现实和增强现实等领域的应用，为用户提供更真实、沉浸式的视觉体验。1.1 纹理样本预处理当使用三维激光扫描仪采集数据时，不可避免的受到外界环境、人为因素和仪器本身精度的影响，从而导致采集到的数据包含大量噪声，这些噪声会加大数据处理的负担，并降低数据的准确度，对后续的配准与三维重建会造成极大的干扰。因此必须进行噪点的剔除，目前常用的去噪算法主要有以下两种5：统计滤波：针对距离被测物体较远的噪声点云，一般采用统计滤波算法进行去噪。该算法的主要原理是：通过对空间内所有点云的邻域进行统计分析，判定距离主体点云较远的噪声点，并进行去除。双边滤波：其最初主要应用于二维图像领域，之后经过推广被应用到三维点云去噪领域。当对二维图像进行噪声去除时，主要思想是通过高斯函数获取权重，并以该权重对多个像素邻域间的距离与灰度值进行加权计算。1.2 特征点提取算法ISS 特征点提取算法：内部形状描述子特征点提取算法是由 Yu 等人在 2009 年提出的，它通过主成分分析计算点云邻域间的特征值，并通过对特征值大小进行比较来筛选特征点。ISS 特征点提取算法计算速度较快，对大部分点云数据都有较好的适应性，但抗噪性较差，并且所提取的特征点分布比较均匀，难以体现物体的局部特征，会造成后续配准效率与精度下降6。1.3 基于贴图映射的三维建模纹理贴图方法在使用时空采样选择了一组关键帧后，利用它们为简化的三维网格生成全局纹理图。该过程包括全局纹理映射生成和纹理坐标优化两个步骤。第一步是通过三维网格的参数化和关键帧图像的混合来生成全局纹理贴图。第二步通过优化对混合图像施加光度一致性的目标函数来细化生成的全局纹理贴图7。全局纹理贴图生成：通过混合关键帧，为简化的三维网格生成一个单一的全局纹理映射。其分别表示三维网格的顶点和面。首先，对于每个面，我们找到一组面可见的关键帧。我们取消这个设置子纹理。同时，通过将顶点反向投影到每个子纹理上，来估计每个面的顶点的二维子纹理坐标。由于每个面都有多个子纹理，所以面的一个顶点有多个子纹理坐标，这些子纹理坐标是顶点在子纹理上的投影坐标。然后，使用子纹理坐标可以将每个子纹理映射到网格上8。全局纹理贴图优化：不同于优化非刚性变换的关键帧，我们直接优化每个顶点的子纹理坐标的简化网格。因为简化网格包含相对较大的脸比初始密集网格，测量光度一致性只有顶点不足以细化全局纹理地图。为了考虑整个网格的一致性，我们在每个面面上选择几个样本点。设其表示面的样本点上的子纹理坐标，它是由的三个顶点的子纹理坐标与组合权重的组合决定的。我们的目标是通过修改顶点的子纹理坐标来减少子纹理之间的不一致性。2 实验验证依托中国测绘科学研究院研制的 IMS 软件平台，在稠密重建功能模块中嵌入本文方法以及 ACMP 方法，采用大疆 M350 无人机采集的 Garden 倾斜摄影数据集进行实验，并利用 IMS 软件平台计算稠密重建所需的稀疏点 77 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT云和影像位姿信息。2.1 实验选取IMS 软件平台是自主研发的集群并行三维重建软件，结合摄影测量、计算机视觉等领域最新研究成果，输入倾斜影像即可生成高精度真实三维模型。强大的空三处理能力，可以应对各种复杂场景；空地多源数据智能化联合重建能力，既能生成高精度三维模型，也能制作正射影像。大疆 M350 无人机是目前市场上用于获取多视倾斜影像的主流无人机型号之一。作为一种消费级无人机具有操作简单的特点，因此能够很好的完成低空拍摄任务。由于大疆M350 无人机搭载的镜头为单镜头，无法通过一次性飞行获取场景的全部倾斜影像，但可以采用重复规划航线的方法获取倾斜影像。本文采用“井”字形航线，在飞行过程中保证相机倾角固定不变，采用“井”字形反复飞行，保证同一地物可以被 3 个以上的不同方向航拍到。所采集的Garden 倾斜摄影数据集具体信息如表 1 所示。表 1 摄影数据集采集名称摄影数据影像张数566航高100影像分辨率4864*3648航向重叠率75%旁向重叠率70%重建范围（km2）0.072.2 结果分析针对稠密重建阶段存在的弱纹理区域深度信息估计不准确、深度图融合效率低以及生成密集点云密度过大等问题进行研究。在深度估计阶段，本文提出基于场景特征约束的多视深度估计。利用场景特征约束，保证在弱纹理区域构建高质量的平面先验模型，优化弱纹理区域深度信息估计的准确性，提高生成密集点云的平整性。在深度融合阶段，本文提出顾及像素区域预测的多视深度图融合。在深度图融合中加入预测的思想，利用多尺度传播可靠测度估计、物方到像方变换等策略，将场景中的影像像素区分为有效像素区域以及无效像素区域，后续步骤中只对有效像素区域进行深度值融合，从而消除冗余计算，提高融合效率。此外在深度值融合过程中，利用物方体素约束点云密度，同时为保证点云质量，结合入射角、匹配代价、重投影误差等多个约束条件联合构建质量权重函数，在保证点云质量的前提下，实现点云密度的降低。本节主要展示了摄影数据集在稠密重建阶段生成的密集点云结果。图 2展示了本文方法产生的密集点云结果。从图 2 可以看出，本文方法生成的密集点云，在建筑物表面光滑且噪点较少，能够较好的保持建筑物的结构特征，且从实验区域密集点云的立面图中可以看出本文方法生成的密集点云具有较高的平整性。这主要是由于本文方法在深度估计阶段利用构建的高质量平面先验模型优化深度估计，提高了深度信息估计的准确性。且在深度值融合过程中通过融合点质量权重函数，筛选保留了高质量的融合点。由于本文方法能够通过多尺度传播策略，准确预测影像中的有效像素区域，生成的密集点云较为完整。3 结论本文通过对向家坝水电站三维建模纹理贴图方法的研究，提出了一种基于图像处理和计算机视觉的方法，有效地解决了贴图失真和边缘模糊等问题。该方法在水电站建模中有着潜在的应用价值，可以提高建模的真实感和细节表现能力。然而，仍然存在一些问题有待改进，例如对局部纹理的处理能力有限，对于大面积纹理的处理还有待进一步研究。因此，未来的工作可以继续深化纹理贴图方法的研究，以进一步提升建模的效果。参考文献：1 陈晓飞.面向医学图像的三维模型纹理贴图研究与应用D.山东大学,2023.2 罗先波,钟约先,李仁举.三维扫描系统中的数据配准技术 J.清华大学学报(自然科学版),2004(08):1104-1106.3向卓龙,张启灿,吴周杰.结构光投影三维面形测量及纹理贴图方法J.光电工程,2022,49(12):68-80.4王龙.无人机倾斜影像密集匹配点云的处理与应用D.贵州师范大学,2021.5郑悦,何婕,黄子硕等.基于渐变纹理贴图的机载图形显示抗锯齿方法研究J.无线互联科技,2022,19(15):125-130.6李亚楠.真实世界下多视图重建模型的纹理映射研究D.武汉大学,2023.7张靖,张爱能,刘国栋.三维激光扫描仪技术在地形测量中的应用J.西安科技大学学报,2014,34(02):199-203.8刘春,吴杭彬.基于真三维 TIN 的三维激光扫描数据压缩方法J.武汉大学学报(信息科学版),2006(10):908-911.