航空港外观VI重建系统设计

栗晓枢

摘 要： 针对基于三维虚拟技术的航空港外观系统设计方法以虚拟现实技术获取的航空港外观数据实施外观系统设计，所构建航空港的外观模型粗糙，提出新航空港外观VI重建系统设计方法。基于VI的激光准直测量结构及原理，获取航空港外观粗糙的动态形变结果，激光准直光束标定通过在固定靶板上实施标准刻度划分获取精确的航空港外观动态形变结果；在此基础上根据三维激光数据构建航空港外观的整体点云模型，根据点云模型生成三角网模型，融合点云模型和三角网模型，将航空港复杂位置处构建为三角模型，结构规则处构建为点云模型，实现对航空港外观实体模型的重建。实验结果表明，所提设计方法对航空港外观重建效果佳，实际应用效果佳。

关键词： 航空港外观； VI； 重建系统设计； 激光准直； 动态形变； 实体模型

中图分类号： TN248?34； TU248 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）22?0122?04

Abstract： The design method of the airport appearance system based on the 3D virtual technology conduct the appearance system design by using the airport appearance data obtained by means of the virtual reality technology， resulting in the roughness of the constructed airport appearance model. Therefore， a novel design method of the VI reconstruction system is proposed for the airport appearance. The rough dynamic deformation result of the airport appearance is obtained based on the structure and principle of the laser collimation measurement of the VI. During the collimation beam calibration of the laser， the standard scale division is implemented on the fixed target plate to obtain the accurate dynamic deformation result of the airport appearance. On this basis， the overall point cloud model of the airport appearance is built according to the 3D laser data. The triangular mesh model is generated according to the point cloud model. The point cloud model and triangular mesh model are fused. The complex positions of the airport are built into triangle models， and the positions with regular structures are built into point cloud models， so as to realize the physical model reconstruction of the airport appearance. The experimental results show that the proposed design method has a good airport appearance reconstruction effect and actual application effect.

Keywords： airport appearance； VI； reconstruction system design； laser collimation； dynamic deformation； physical model

现代航空运输事业迅速发展，世界交通开始进入航空时代，航空港作为新型的特殊交通类型，在外观设计和地理区位定位上，逐渐成为城市发展的重要标志。如何较好地对航空港外观进行有效设计，对庞大的建筑体量和占地规模进行规划[1]，构建出一个环境舒适、外观优美的乘机环境，是当前的重要研究重点。传统基于三维虚拟技术设计航空港外观系统方法，以虚拟现实技术获取的航空港外观数据实施外观系统重建，构建出航空港外观系统较粗糙。视觉识别系统（VI）是目前进行建筑外观设计的有效手段，本文将VI技术应用到航空港外观的重建中，提出新航空港外观VI重建系统设计方法，提升航空港外观系统重建质量。

1 航空港外观VI重建系统设计方法

1.1 基于VI的激光准直测量结构及原理

虚拟仪器技术（VI）可将面阵CCD图像处理器与NIPCI?1408图像采集卡进行组合实现对航空港建筑形变的有效测量[2]。该测量装置除包括上述两个装置外，还包括固定靶板、自動铅锤仪和激光指示器等。该设备进行激光准直测量结构图如图1所示。

将准直激光发射器安装于航空港建筑外部，对激光发射光斑进行精确校准。并将该光斑投置在固定靶板，获取光斑投射在固定靶板上的图像[3]，利用CCD图像传感器，经由PCI?1408图像采集卡进行视频输出的结果传输至计算机。在虚拟仪器程序的处理后获取固定靶板上光斑的准确位置并记作[（x1，y1）]。当测量航空港外形发生变化时，激光束位置也产生变动，但光斑形态保持为垂直状态[4]。标记光斑位置[（xi，yi）]，可通过观察光斑位置变化情况粗略获取航空港外观的动态形变结果，并将结果进行保存。

1.2 激光准直光束标定

为获取更加精确的航空港外观的动态形变结果，在进行激光准直测量时应对激光准直光束进行标定[5]。标定过程需在固定靶板上实施标准刻度划分，测量标定步骤有以下几点：

1） 依照对航空港建筑的形变测量结果有效对靶板和面阵CCD图像传感器的位置实施有效固定；

2） 在进行数据准备的同时对固定靶板格网分划线数据实施填写；

3） 通过对CCD图像传感器的位置调整[6]，得到固定靶板的清晰图像；

4） 采用计算机对格网分划线图像进行多次测量取其平均值；

5） 系统自动显示计算机测量结果。

基于上文获取的航空港外观的形变信息和激光准直光束标定的结果，在此基础上对航空港外观进行系统重建，实现对航空港外观VI重建系统的设计。

2 航空港外观的VI系统重建

2.1 点云模型构建

1） 控制测量

为提升对航空港外观的重建精度，首先应获取航空港外观精确的三维数据。数据测量过程应遵从由整体至局部，先控制后细节的测量原则[7]。控制测量将整个航空港放于一个测量控制网中，并将之后的航空港数据并入其中构成完整的航空建筑模型。

2） 三维激光数据采集

对航空港外观的扫描采用三维激光扫描仪，获取来自不同视角的航空港三维点云模型。为提升对航空港外观的VI系統重建精度，在构成三维点云模型前需对获取的激光数据进行整理，剔除不必要的激光数据，获取精确的三维激光数据。

3） 数据配准

将获取不同视角的数据基于测量控制网实施有效配准，得到航空港外观的全方位立体点云图。通常进行三维激光数据配准采用特征配准方法，尤其是针对控制点进行配准，通常完成一个建筑的外观三维数据配准需要多种配准方法，有时还需对一些配准手段进行针对性的改动。

2.2 三角网模型构建

1） 三角网模型构建

由三维激光扫描仪获取的点云模型是由空间中分散的小点构成。这些分离的激光点并没有完全构成一个完整的实物表面。为获取航空港具有拓扑关系的外表面，可采用一些算法对该拓扑关系进行修复，构建航空港外观的三角网模型属于较简单方便的拓扑关系修复手段。

2） 简化三角网模型

由于航空港建筑庞大，三维激光扫描获取的激光点云数据庞大，在进行三角网建模时，极易出现数据冗杂造成的数据干扰现象。通常一个平面中包含两个三角网，但过多的点云数据会生成多个三角网[8]，因此就产生了大量的数据冗余。所以在构建完三角网模型后还需对其进行数据简化。

3） 三角网模型的数据补充

在三维激光扫描仪获取航空港建筑外观的点云数据时，由于在扫描过程会受到扫描距离以及其他建筑的遮挡，获取的航空港外观点云数据可能存在缺漏，因此数据缺漏处便无法进行三角网模型构建，需要依照建筑外观特征将缺漏的数据进行补充[9]，最终构成完整的航空港建筑外观的三角网模型。

2.3 航空港建筑实体模型构建

在构建航空港建筑外观模型时将点云模型和三角网模型进行有效融合，将两个模型的优点有机结合，在建筑复杂位置处构建三角模型，结构简单较为规则的位置构建点云模型。以下为构建航空港建筑实体模型的具体过程：

1） 对建筑的构建进行实体模型构建

航空港建外观复杂，整体对航空港外观构件进行识别和全部建模目前难度较大。因此在建模前需将航空港外观中的构件进行拆分，将整体构件拆分成一些具有规则形状和不规则形状的构件，针对外形标准的构件可采用线性回归或分段拟合的方式进行建模；对于外形不规则构件的建模过程较复杂，进行建模主要提取曲面特征点和特征线段[10]，再经一系列的旋转、放样操作来对构件实施建模。若构件外形非常复杂或需要完全保留现状可进行三角模型建模，因为进行三角模型在建模过程模型损失较小，可更加有效地复原建筑的原型。

2） 航空港建筑构件组装

将上述过程获取的构件实体模型放置于同一文件，因为事前已进行过整体测量控制，因此该构件都有专门的坐标系，将该建筑构件依照顺序进行组装即可构成完整的航空港建筑外观模型。由于对航空港建筑外观不同构件是拆开进行建模，可能会出现构件间的小空隙和交叉现象，因此需对构件实施误差修正，最终构建一个完整的航空港外观实体模型，如图2所示。

3 实验分析

为突出比较本文方法获取航空港建筑外观光斑采集结果的有效性，将传统基于三维虚拟技术的航空港外观重建设计方法，获取的航空港建筑外观光斑位移结果与本文方法获取的光斑变化曲线实施对比，图3和图4分别为三维虚拟设计方法获取的航空港建筑外观光斑位移结果。

分析图3和图4图像可以看出，采用传统三维虚拟设计方法，在3 min的实验测试过程中经常出现无法获取外观光斑位移变化的现象，说明三维虚拟设计方法构建的航空港外观系统在获取外观图像的效果方面存在较强的偶然性误差，容易出现航空港建筑某一角度图像无法获取的结果，对航空港外观系统的设计造成严重的进度干扰。综合分析上述实验结果说明，本文方法可准确地利用激光准直测量装置对航空港建筑动态形变结果进行有效测量，有利于后续航空港外观的系统的设计。

实验采用专家评价法分别对本文方法和三维虚拟设计方法进行整体评价，专家评价两种方法性能优劣从系统的可用性、便捷性、美观性、功能性、可扩展性以及经济性六个角度分别评价，为突出比较两种设计方法的整体得分情况，将六种性能的平均评价结果用图5来表示。

从图5可看出：本文方法的各项评价指标的平均得分结果均远远优于三维虚拟设计方法的得分结果。从方法的经济效益方面可以看出，本文方法的经济效益平均得分在97.4分，三维虚拟设计方法的经济性评价结果仅有59分，说明基于三维虚拟设计方法在实际应用过程需要大量的资金，不利于实际应用；从方法的外观美观性评价结果可看出，本文方法和三维虚拟设计方法的评价得分分别为 95.5分和56.3分，说明本文方法重建的航空港外观环境舒适，使用过程的用户满意度强。综合以上实验的分析可知，本文方法实际应用效果好。

4 结 论

本文提出新的航空港外观VI重建系统设计方法，构建的航空港建筑外观的精度较高，对重构的航空港外观的整体评价结果满意度较好，本文方法重建的航空外观重建系统实际应用效果显著。

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