【虹科】三维点云建模：迎来复原历史建筑的新纪元

虹科智能感知 2022-01-21 536

描述

关于虹科智能感知虹科智能感知事业部专注于智能感知与机器视觉领域，已经和IDS，Blickfeld和Gidel等有着重要地位的国际公司展开深度的技术合作。我们的解决方案包括3D激光雷达，工业相机，视觉处理平台，图像采集卡及视觉系统集成等。虹科的工程师积极参与国内外专业协会和联盟的活动，我们非常重视技术培训和积累，公司定期与国内外专家团队进行交流和培训。虹科合作伙伴PointFuse的特邀作者Mark 介绍点云数据如何复原历史建筑。为了确保在各学科之间的平滑协作，减少和处理点云数据的大小至关重要。Mark解释了如何轻松完成这一工作，并准确地复原建筑物的细节部分。 2019年4月巴黎圣母院大教堂被烧毁，整个世界只能惊恐地看着。塔楼标志性的尖顶消失了，教堂大部分木质框架也消失了，这些木框是在一千年前由51英亩的森林建成的。没有足够的木材或足够高的树木来取代框架，但这并不全是坏消息：一位热心的历史学家Andrew Tallon的努力，采集一片超过10亿个数据点的点云，映射出大教堂在2010年火灾前的情况。在对圣母院的热情激励下，Tallon开始捕捉它的所有美丽。他使用安装在三脚架上的激光扫描仪，拍摄建筑的每个面——有时甚至将自己的安全问题放在一边，攀爬高台。他还拍摄了全景彩色照片，并将RGB数据保存到点云中。目前，复原工作正在全面展开，结合当代建筑和传统建筑的特色，如果最终的设计能超过1160年原始框架，那将是非常美妙的。如果真的如此，这将部分归功于点云，以及十多年后最先进的点云制图软件，以一种可供建筑师、工程师和复原师使用的方式解析数据。

采用点云格式的优势

可以使用公式描述数学对象；建筑师的图纸提供了一个建筑物的结构视图；照片可以捕捉到一个古老建筑物的美。但是，这些都无法捕捉到一座建筑随时间风化、老化的所有细节和细微差别。

点云捕捉物体或建筑中每一个点的X、Y、Z坐标。这不仅仅意味着每一块砖都被捕捉和记录下来，而且能把每一个凹陷、凹痕和窝点记录下来。背景信息，如RGB数据，有助于形成一个信息库，建立精细的3D模型。过去，模型是由专业的CAD技术人员手工建立的，但现在这个过程可以通过专业软件自动完成，利用点云和扫描过程中捕获的所有数据，虚拟地构建一个真实的建筑副本。

下面是还原叙利亚阿勒颇濒临灭绝的遗产地Beit Ghazeleh的视频，是使用专业的点云CAD软件从一个采集了12亿个数据点的样本中构建的。

来自Beit Ghazaleh，采用高精度三维激光扫描仪测绘（12亿个数据点）——叙利亚阿勒颇的一处濒危遗产地。这是一项多方合作的科学工作，以研究、保护和紧急加固该遗迹。

困难和挑战

点云可以存储历史建筑微小部分的细节，以便于在未来的某个时刻完整重现——这就像捕捉和保存它的DNA。但是，记录细节也带来了很大的缺点：文件很大，使得保存、分享和使用它们变得非常困难。它还需要很多技术来确定这些点实际代表什么，并将这些点连接起来——即便如此，人为的错误也会带来不准确的结果。而且你会希望来自不同学科的人可以同一个数据上工作，所以能在不同的团队和软件包中无缝使用是至关重要的。云解决方案允许用户访问文件的单一副本，并确保他们是在使用最新的版本。访问协议确保在任何时候只有一个用户可以保存更改。这些问题在任何大规模的建筑项目中都很常见，但复原工作带来了额外的挑战：如何捕捉灾难发生前建筑的 "原状"，而不仅仅是它现在的样子。当然，我们不可能穿越时空去获得 "当时 "的画面，但我们能做的是让档案员的工作变得更容易，现在的软件使用起来更简单，所以采集建筑物的数据是可以定期进行的。

网状结构：每一个点都有关系

宇宙中的每一个点都有一个相对位置，我们可以用矢量来描述这种关系。通过将这些点云转换为相互连接的点的 "网格"，我们可以去掉多余的数据，减小文件空间——三个点之间的三角形越大，文件就越小。这里的关键是，去掉重复的数据以及我们有时所说的噪音（最终模型中不需要的元素）。当然，如果你手动构建网格，容易出现人为错误，但现在有强大的点云软件应用程序，不需要有经验的CAD技术人员，可以快速准确地完成这项工作，并将文件大小从千兆字节减少到兆字节。

复原建筑的三步过程

故事并不是以网格模型结束的。网格本身是达到目的的手段——将点云映射成一个更小但点云同样精细的文件，这些文件可以在不同的BIM系统中被多人同时使用。一个日常的建筑改造会从点云开始，捕捉“已建BIM”或“现状”的位置，代表当前真实情况的快照，建筑师会在此基础上叠加最终设计。然而，当涉及到保护和恢复我们的建筑遗产时，有一个重要的步骤，那就是通过定期的点云 “备份”和安全存储来捕获“原状”。LiDAR传感器、其他手持式或佩戴式扫描仪使用户能够进行扫描，但到目前为止，更大和更复杂的扫描通常由第三方供应商处理，他们甚至可能部署无人机技术来详细扫描高层建筑。网格软件不仅可以为大数据量点云和最终设计软件之间提供桥梁，并且提供存档工具，以防最坏的情况发生丢失文件。

HK Cube 1固态激光雷达

典型应用范围：1.5-75米
最大探测范围：250米
测距分辨率：<1cm
最大视场：70°×30°（可调）
垂直分辨率：每帧5-400条扫描线（可调）
水平分辨率：0.4°－1.0°（可调）
通信方式：TCP/IP 千兆以太网
IMU输出：３轴加速度计，３轴陀螺仪
设备端数据处理：智能背景减法、姿态校正变换

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