《SU曲面建模》26節圖像逆向重建（IBMR）

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老怪《SU曲面建模》系列講座第26節

圖像逆向重建（IBMR）

“圖像逆向重建”就是俗稱的“照片實景建模”。這不是傳統意義上以點、線、面、體幾何元素為基礎的建模形式，也不是SketchUp 自帶的“照片匹配”，而是近些年快速發展起來的新技術之一：“基于圖像的逆向重建與渲染”（Image-Based Modeling and Rendering）即“IBMR”（請區別于AI建模）。“IBMR”在國內外各學科應用中都已取得了豐碩的成果，是最近幾年高速發展的新技術之一，并有可能從根本上改變人類對計算機圖形學的認識、理念與方法。即便我們暫時不參與研究與應用，至少也需要提前對其有所了解與布局。

IBMR這種建模技術是以普通數碼相機（甚至手機）或者無人機對物體在多角度下拍攝的若干照片為依據，經計算機自動重構獲得對象精確３Ｄ模型的方法。這種技術能在幾乎零設備成本，接近零學習成本的條件下，為SketchUp 用戶提供一種輕易完成傳統建模方法根本做不了的復雜模型，大大擴展了SketchUp 的應用領域。本節將介紹一些相關的概念、工具與方法，并展示幾個應用成果。

1，圖像逆向重建概述

1.1. 3D建模的歷史與發展

以點、線、面、體幾何元素加上貼圖為基礎的3D 建模，幾十年來，歷史上出現過的3D建模軟件至少有上百種，目前仍有10 多種方興未艾，SketchUp 就是其中之一。后來又出現了“接觸式掃描儀”，用來捕捉物體表面的點信息建模，設備價格便宜、精度有限，還因局限較多、使用不便，已成非主流，目前僅在少數機械行業應用。

大概10 多年前，非接觸式的3D 掃描儀異軍突起，其特點是不需接觸便可捕捉對象的3D 信息。所用的傳感器包括超聲波、電磁波、可見光與激光等多種類型。其中光學的方法有結構簡單、精度高、工作范圍廣等優點，從衛星測繪到產品設計都有廣泛的應用。

1.2基于幾何學的3D 建模

這是計算機輔助設計的一個分支。它們的共同特點是利用一些基本的幾何元素，如直線、圓弧、矩形、圓形、立方體、球體等，通過如平移、旋轉、拉伸及布爾運算等來構建復雜的幾何場景。此種方式要求操作人員具有豐富的專業知識，熟練使用建模軟件，而且操作復雜、周期較長，同時最終完成的3D 模型真實感不強。一般用于機械與建筑、室內外環藝設計。

在SketchUp 建模領域，傳統建模方法仍然以平面圖為參考的居多，從基礎3D幾何體開始，不斷調整和優化，最終創建出目標3D模型。這種方式存在許多局限：首先對建模人員的要求較高，創建并不太復雜的曲面模型就需要建模者達到很高的專業水平；其次，時間成本高，建模人員需先讀圖，了解目標物體的大體與細節后，再根據圖紙創建3D幾何形狀，直至完成建模。目前市場上能見到的很多優秀建模軟件，建模的麻煩程度跟SketchUp 相比，有過之而無不及。

1.3 光學非接觸掃描建模

這一類掃描建模的形式與手段很豐富，大到衛星上所用的各種光譜波長對整個地球掃描的成像方式，小到對于具體產品或考古出土器物的掃描建模，在這大與小兩個極端中間還有對整個城市、某個區域、某個工地、某個建筑物的掃描建模，應用范圍更為廣闊。對于SketchUp 用戶關系最為密切的光學掃描建模大致有以下兩種。

1）激光掃描建模（Laser Scanning Modeling）

3D 激光掃描技術又稱為“激光實景復制”，是測繪建模領域繼GPS 技術之后的一次技術革命。這種技術是當前光學非接觸掃描的主流方向之一，可以達到非常高的掃描精度和公里級別的規模；SketchUp的東家Trimble（天寶）公司就有成系列的激光掃描儀與配套的點云建模處理軟件，筆者曾在《SketchUp 材質系統精講》一書中對此做過詳細的介紹。激光3D掃描儀以其精度高、掃描距離遠的優勢在大工程中得到較多的應用。但易產生噪聲干擾，須進行后期專業處理，如刪除散亂點、點云網格化、模型補洞、模型簡化等。

2）照片建模（IBMR）

上述專業的3D 激光掃描儀雖然可以很高的速度和精度完成大規模區域的建模，但其昂貴的設備費用、專業的操作步驟，令它難以得到廣泛的應用；它還有個致命的缺點，就是只能得到物體表面的幾何信息，難以同時獲得掃描對象表面的精細紋理（最近有所改善）。而本章將要介紹與討論的“基于圖像的建模與渲染”（Image-Based Modeling and Rendering，IBMR）則可揚其所長，避其所短，這種建模技術是以普通數碼相機甚至普通手機對物體在多角度下拍攝的若干照片為依據，經計算機自動重構獲得對象精確3D 模型的方法。

1.4 再聊“照片實景建模”

照片建模，也稱“照片實景建模”或“圖像逆向重建”，是一種通過拍攝幾十張甚至上百、上千張普通照片，依靠相關軟件的數學算法，重建出被拍攝物體3D 模型的建模方法（IBMR）。因為這種方法重建的模型是依據對象的實景照片，原始圖像本身包含著豐富的場景信息，因而可以生成照片般逼真的場景模型，生成的模型在空間結構與表面紋理兩方面與真實物體相似度都極高。此外，普通的單反相機（甚至手機）拍照與學習的成本幾乎可略去不計，生成模型的時間成本也很低，所以照片建模技術已成為計算機圖形圖像領域的研究熱點。作為一種容易普及、高品質、低成本的“逆向設計技術”，在很多行業被廣泛應用，當然也適用于廣大SketchUp 用戶。

對SketchUp用戶而言，很可能要對既有建筑或地形做逆向復原，但有相當難度，原因在于大部分老建筑缺乏符合現狀的圖紙，而用傳統的測繪方法不僅精度難以保證，并且耗時久、成本高。SketchUp 的“照片匹配”功能曾經一度成為低門檻的、對既有建筑逆向重建的希望，但因諸多限制和功能缺陷（見SketchUp 官方幫助中心文檔），所以SketchUp 的“照片匹配”功能始終難以成為“建筑逆向建模”技術的有效手段。隨著新的照片實景建模技術的發展與普及，尤其是民用無人機的普及，舊城改造項目中的“照片建模”就成了對既有建筑逆向建模唯一可用的最佳方案。最低4 位數的設備投資、極低的時間成本和工程費用，與傳統測繪方式相比幾乎可略去不計。后面的篇幅會做簡單介紹。

現在歸納一下：“照片實景建模”與傳統的、基于幾何的建模方式（包括SketchUp）相比，IBMR 技術至少具有以下特點與優點。

（1）能為SketchUp 用戶輕易完成傳統建模方法根本做不了的復雜模型，譬如后面要介紹的幾個模型，大大擴展了SketchUp 的應用領域。

（2）現在有多種照片逆向建模軟件可供選擇，都可在本地計算機上簡單操作，幾乎能自動生成模型。也有一些只要上傳照片，在云端自動生成模型的網站，不用學習便可使用。

（3）建模變得更快、更容易。生成的模型有照片級別的真實感與最自然的形態。

（4）IBMR 的研究已經取得了許多豐碩的成果，并有可能從根本上改變對計算機圖形學的認識和理念，這些對于SketchUp 用戶與Ruby 腳本作者是非常好的研究和應用課題。

1.5 產品設計逆向建模

SketchUp 用戶中有大量是從業于產品設計或者需要接觸產品設計的，如建筑與景觀設計業的小品設計、木材加工與家具業、石材加工業、展覽陳設業甚至婚慶布置業等，其中很多都需要接觸復雜的曲面建模，譬如“石獅子”“華表”“盤龍柱”“門墩抱鼓石”“傳統雕花家具”“仿古陳設”，以及各種石雕、磚雕、木雕模型……以前在SketchUp 里是根本無法完成的，現在有了“照片逆向建模”的手段，往日的難題便可迎刃而解。后面會展示一些實例。

1，圖像逆向重建例

下面展示的是用手機拍的照片逆向重建的模型，雖然面部等主要細節非常清晰，但因石像有2.5米高，頂部沒有拍到完整的照片，所以帽子的頂上有個破洞，有點遺憾。

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圖17.2.18　照片建模、SketchUp 導入OBJ 文件后

下面這個是在桌子上用手機對一個玩偶拍照重建的模型，右側的模型是以3DS格式導入的，質量差，線面數量大很多倍，不推薦。

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圖17.2.20　導出DAE 與3DS 格式的對比

這個石獅子有3米多高，拍照時帶了自拍桿，圍繞著它，分別在頂部中部和下部拍了3圈照片，一共有40張。（實際上有24張就夠了）。雖然它有3米多高，逆向重建后的頂部和各處細節仍然非常清晰完好，非常成功。

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圖17.6.1　照片建模（石獅子）

這是公園里的4塊石碑，因后面是繁密的植物，無法環繞拍照，只拍了正面的幾幅照片，在SketchUp里也還原了3維的凹凸感和體量。

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圖17.7.4　導入SketchUp后待修整

下面圖17.8.6所示的例子，原始圖像來源于網絡，全套共14 幅，以弧形路徑，多角度拍攝于同一個高度，拿來作為一個“高浮雕”圖像逆向建模的素材。逆向重建后的浮雕凹凸細節纖毫畢露，非常清晰，似與原始照片的質量有關。

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圖17.8.6　導入SketchUp后的浮雕模型（待修整）

下面的模型，原始照片也來源于網絡，全套照片繞著建筑在同一個高度完成拍攝；還加拍了6 幅“近景細節”（用于自動貼圖）共50 幅。因為只有在地面上拍攝的單層圖像，所以重建的模型沒有屋頂的，而且頂部與底部的墻體沒有明確的界限。

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圖17.9.4　導入SketchUp 后的模型（無頂部，待修整）

下面左側是無人機空拍后逆向生成的“實景模型”，右側是根據“實景模型”生成的“City Information Model”，即城市信息模型“CIM” 。“CIM”能全面準確地反映城市的各類信息，為城市規劃、建設、管理以及各類應用提供統一的數字化基礎平臺，實現城市信息的互聯互通和共享，推動智慧城市的發展。

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無人機空拍還原與CIM模型

3，圖像逆向重建工具簡介

SketchUp現在還沒有能完成圖像逆向重建的插件，所以需要使用外部工具完成后再導入到SketchUp里去。能夠完成圖像逆向重建的工具有很多，下面介紹幾種比較知名并且是筆者曾經較長時間試用或使用過的。

聲明：筆者跟下面要提到的軟件與公司無業務與經濟往來，也不承擔任何責任。

（1）Photoscan是它的原名（仍然通用），現在改名為Metashape，功能有所改良（全自動攝影測量與三維建模），最新的版本是Agisoft Metashape 1.8.1。該軟件在中國的中文網站是www.photoscan.cn/ 網站可在Demo模式下嘗試Agisoft Metashape 軟件（無法保存和導出），也可申請30天全功能免費模式。每個月在北京都有收費的培訓課程。在我撰寫的《SketchUp材質系統精講》和《SketchUp曲面建模思路與技巧》里都有詳細使用方法、大量中英文學習資料和視頻教程，當然還有“綠色”的軟件。是我實戰中用得最久的，特別推薦。

（2）另一款知名的照片建模工具—— RealityCapture。該軟件官網的介紹RealityCapture 是最先進的攝影測量軟件解決方案，正在改變行業。它是目前市場上最快的解決方案，為你的工作帶來了有效性，并使你能夠專注于自己的目標。完全自動地從圖像和（或）激光掃描中創建虛擬現實場景、紋理、 3D 網格、正交投影、地理參考地圖等。想要深入了解ealityCapture 的讀者可訪問其官網www.capturingreality.com （只有英文），該網也有英文教程和測試用照片素材的下載鏈接。愿意嘗試的讀者可去官網下載免費試用版（只有英文版），也有按工作量收費的經濟套餐。

（3）“3DF Zephyr”是要向你介紹的第三種“圖像逆向建模”工具。該軟件官方網站：https://www.3dflow.net/ （英文）或 http://www.3df.top/ （中文）。 3DF Zephyr 是一個完整的攝影測量軟件，廣泛應用于攝影測量和3D 激光掃描領域。3DF Zephyr 先進的技術允許使用任何相機或無人機重建任何對象，是將3D 激光掃描儀和影像數據相結合的完整、強大、可靠的軟件包。3DF Zephyr 有4 種不同版本。免費版單次只能處理50 張照片，SketchUp 用戶對于小規模的照片建模已經夠用。另外，還有“Lite 版”，是低成本版本，單次能處理500 張照片，小企業足夠用。“Aerial版”有完整的攝影測量包，含所有功能與更多高級功能，如正射影像、CAD 繪圖、DTM、DEM、多光譜數據處理等。“Aerial EDU 版”是面向高校與科研院所的完整攝影測量包。

4，基于互聯網云的3D 重建

近幾年來，隨著“圖像3D 重建”和AI技術的成熟、應用領域的擴展，國內外都出現了不少為“圖像逆向重建”提供“云服務”的網站；用戶僅需上傳照片（小到桌上小玩意，古董文物，大到整座城市的空拍照片），云服務器就會為你自動生成3D 模型，還可提供后續的在線精細編輯和應用工具。這些站點大多提供免費的試用服務，即便收費也很低廉，每處理幾千張4000 像素×3000 像素的高清照片才收取10 元錢，幾乎免費。成功上傳照片還有獎勵，非常適合有大量圖像3D 重建任務的個人與單位使用。下面僅提供筆者曾經嘗試過的幾處云端服務器，有需求、有興趣的不妨了解一下這類前沿科技。

聲明：筆者跟下面要提到的網站與公司無業務與經濟往來，也不承擔任何責任。

大勢智慧 https://www.daspatial.com/

云端地球 https://www.get3d.cn/

低空云 https://www.daspatial.com/cn/skyCloud

5，逆向建模的圖像獲取

圖像（照片）的采集是整個3D 模型重建過程中最重要的一步，重建結果的好壞往往與照片采集有很大的關系，而不是軟件操作的問題。影像分辨率高、重疊度大、清晰度高，拍攝光照條件好的原始照片，建成的3D 模型效果自然會好。下面從對照片采集的基礎知識和一些細節要求做些說明。

（1）對可移動小物件的拍照原則

對于小物件對象，可繞著桌子拍照（相機移動），也可用轉盤拍攝（物件旋轉），背景越簡單、越干凈越好，分別對物件的頂部、中部與底部各拍攝若干照片，相鄰兩張照片之間至少要有一半的內容重疊。注意要在均勻照明下工作，用低ISO、小光圈拍攝，注意準確的焦點，避免玻璃等對象的光反射（可噴涂亞光涂料），避免照片中出現陰影（包括操筆者的陰影）。

（2）對戶外建筑外觀、景觀小品、大型文物的拍照原則最好挑選光線充足、光照均勻的多云或陰天去拍照，光線柔和的清晨與黃昏也好。拍攝場景中一定要避免日光直射的部分，也不能有移動的人物與車輛。同一個3D重建項目要用同一臺相機或手機拍攝所有的照片。

有條件的話，可以環繞建模對象的頂部、中部與底部分別拍攝三四圈照片，相鄰照片最好有一半以上的內容是重疊的。通常一圈均勻拍8 ～ 12 張照片就夠了，還可加拍幾張細部。上面介紹的石獅子和石雕像就是兩個這樣的實例。對于既有建筑，最低要求是在較遠的距離圍繞對象可見部分拍攝一圈，這樣創建的模型是沒有頂部的，前面有一個類似的實例。

（3）無人機航拍3D 重建的圖像采集原則

這個課題至少可分成兩個檔次，較高的檔次是政府規劃部門、大型工程、較大規模的舊城區改造、大型的礦山、大型工程的工地勘測等，需要正規的無人機航拍3D 重建，通常會委托專業的公司去做，它們需要專業的航拍設備拍攝幾天甚至幾個月，需要規劃控制軟件與專業的圖像3D重建軟件，甚至專用的云端服務器。這個檔次的應用專業性很強，且跟SketchUp 關系不大，所以不是本書要討論的課題。

另一個檔次可能更加值得SketchUp 用戶關心，譬如對于小型的或獨立的既有建筑，對較大的歷史建筑、牌樓、牌坊之類的3D 重建，完全可以用幾千元的民用無人機與Altizure無人機控制App 配合規劃拍攝的路線、拍攝角度。對于像獨立建筑等對象可分層次環繞拍攝，而對于一個小區域的拍攝，則需要專門用于航拍的無人機（一兩萬元），提前規劃好路線、拍攝數量與拍攝的角度等眾多參數。有航拍功能的小型無人機還有很多可用于3D 重建的智能功能。

6，圖像逆向重建的過程

因上面介紹的相關軟件和云端網站上都有詳盡的圖文學習資料和視頻教程，所以本節就不再詳細討論實例操作過程，僅列出以下操作過程供參考。

6.1 用桌面軟件的操作過程（以Photoscan創建石獅子為例，其它軟件大同小異）

（1）準備好所有的照片，如照片上有復雜背景，最好提前清除可避免很多麻煩。

（2）開始實際操作：單擊菜單“工作流程”，再選擇“添加照片”或“添加文件夾”兩個命令之一，可以分別指定以照片或整個文件夾的所有照片參與建模。

（3）如果是無人機航拍照片，有POS 數據的需導入POS 數據，若無POS 數據可直接跳至下一步”。注：POS 數據為拍攝每張影像所對應的無人機位置、姿態參數供輔助拼接，拼接后的影像將具有地理坐標信息，POS數據的處理（略）。

（4）現在選擇菜單“工作流程”→“對齊照片”，彈出預選參數對話框，“精度”建議選擇“中”或“高”（不要選“最高”）否則耗時太多。

（5）單擊OK 按鈕后，軟件自動開始“對齊照片”處理，此過程只需等待，無須操作。

（6）選擇菜單中的“工作流程”→“建立密集點云”命令，在彈出的對話框中選擇所需要的模型質量，質量設置得越高，處理的速度就越慢（軟件里有個工具可在生成點云前選擇對象范圍，以大幅度減少處理無用部分的時間）

（7）現在選擇菜單中的“工作流程”→“生成網格”命令，在彈出的對話框中選擇所需要的質量，如選擇中等數量的“面”需耗時大約需10min左右，請耐心等待。

（8）如見到生成對象主體的上下左右前后還有一些背景、雜物，這是照片里帶來的，沒有辦法避免，不過現在還有機會刪除所有不想要的內容。

（9）大致清理完成后，接著要選擇菜單中的“工作流程”→“生成紋理”命令（即貼圖）使用默認參數即可（這一步很快）。