图像逆向重建（IBMR）
“图像逆向重建”就是俗称的“照片实景建模”。这不是传统意义上以点、线、面、体几何元素为基础的建模形式，也不是SketchUp 自带的“照片匹配”，而是近些年快速发展起来的新技术之一：“基于图像的逆向重建与渲染 ”（Image-Based Modeling and Rendering）即“ IBMR” （请区别于AI建模）。“IBMR”在国内外各学科应用中都已取得了丰硕的成果，是最近几年高速发展的新技术之一，并有可能从根本上改变人类对计算机图形学的认识、理念与方法。即便我们暂时不参与研究与应用，至少也需要提前对其有所了解与布局。
IBMR这种建模技术是以普通数码相机（甚至手机）或者无人机对物体在多角度下拍摄的若干照片为依据，经计算机自动重构获得对象精确３Ｄ模型 的方法。这种技术能在几乎零设备成本，接近零学习成本的条件下，为SketchUp 用户提供一种轻易完成传统建模方法根本做不了的复杂模型，大大扩展了SketchUp 的应用领域。本节将介绍一些相关的概念、工具与方法，并展示几个应用成果。
1， 图像逆向重建概述
1. 1. 3D建模的历史与发展
以点、线、面、体几何元素加上贴图 为基础的3D 建模，几十年来，历史上出现过的3D建模软件 至少有上百种，目前仍有10 多种方兴未艾，SketchUp 就是其中之一。 后来又出现了“接触式扫描仪”，用来捕捉物体表面的点信息建模，设备价格便宜、精度有限，还因局限较多、使用不便，已成非主流，目前仅在少数机械行业应用。 大概10 多年前，非接触式的3D 扫描仪异军突起，其特点是不需接触便可捕捉对象的 3D 信息。所用的传感器包括超声波、电磁波、可见光与激光等多种类型。其中光学的方法有结构简单、精度高、工作范围广等优点，从卫星测绘到产品设计都有广泛的应用。
1. 2 基于几何学的3D 建模
这是计算机辅助设计的一个分支。它们的共同特点是利用一些基本的几何元素，如直线、圆弧、矩形、圆形、立方体、球体等，通过如平移、旋转、拉伸及布尔运算等来构建复杂的几何场景。此种方式要求操作人员具有丰富的专业知识，熟练使用建模软件，而且操作复杂、周期较长，同时最终完成的3D 模型真实感不强。一般用于机械与建筑 、室内 外环艺设计。 在SketchUp 建模领域，传统建模方法仍然以平面图为参考的居多，从基础3D几何体开始，不断调整和优化，最终创建出目标3D模型。这种方式存在许多局限：首先对建模人员的要求较高，创建并不太复杂的曲面模型就需要建模者达到很高的专业水平；其次，时间成本高，建模人员需先读图，了解目标物体的大体与细节后，再根据图纸创建3D几何形状，直至完成建模。目前市场上能见到的很多优秀建模软件，建模的麻烦程度跟SketchUp 相比，有过之而无不及。
1. 3 光学非接触扫描建模
这一类扫描建模的形式与手段很丰富，大到卫星上所用的各种光谱波长对整个地球扫描的成像方式，小到对于具体产品或考古出土器物的扫描建模，在这大与小两个极端中间还有对整个城市、某个区域、某个工地、某个建筑物的扫描建模，应用范围更为广阔。对于 SketchUp 用户关系最为密切的光学扫描建模大致有以下两种。
1）激光扫描建模 （ Laser Scanning Modeling ）
3D 激光扫描技术又称为“激光实景复制”，是测绘建模领域继GPS 技术之后的一次技术革命。这种技术是当前光学非接触扫描的主流方向之一，可以达到非常高的扫描精度和公里级别的规模；SketchUp的东家Trimble（天宝）公司就有成系列的激光扫描仪与配套的点云建模处理软件，笔者曾在《SketchUp 材质系统精讲》一书中对此做过详细的介绍。激光3D扫描仪以其精度高、扫描距离远的优势在大工程中得到较多的应用。但易产生噪声干扰，须进行后期专业处理，如删除散乱点、点云网格化、模型补洞、模型简化等。
2）照片建模（IBMR）
上述专业的3D 激光扫描仪虽然可以很高的速度和精度完成大规模区域的建模，但其昂 贵的设备费用、专业的操作步骤，令它难以得到广泛的应用；它还有个致命的缺点，就是只能得到物体表面的几何信息，难以同时获得扫描对象表面的精细纹理（最近有所改善）。而本章将要介绍与讨论的“基于图像的建模与渲染”（Image-Based Modeling and Rendering，IBMR）则可扬其所长，避其所短，这种建模技术是以普通数码相机甚至普通手机对物体在多角度下拍摄的若干照片为依据，经计算机自动重构获得对象精确3D 模型的方法。
1.4 再聊“照片实景建模”
照片建模，也称“照片实景建模”或“图像逆向重建”，是一种通过拍摄几十张甚至上百、上千张普通照片，依靠相关软件的数学算法，重建出被拍摄物体3D 模型的建模方法（IBMR）。因为这种方法重建的模型是依据对象的实景照片，原始图像本身包含着丰富的场景信息，因而可以生成照片般逼真的场景模型，生成的模型在空间结构与表面纹理两方面与真实物体相似度都极高。此外，普通的单反相机（甚至手机）拍照与学习的成本几乎可略去不计，生成模型的时间成本也很低，所以照片建模技术已成为计算机图形图像领域的研究热点。作为一种容易普及、高品质、低成本的“逆向设计技术”，在很多行业被广泛应用，当然也适用于广大SketchUp 用户。
对SketchUp用户而言，很可能要对既有建筑或地形 做逆向复原，但有相当难度，原因在于大部分老建筑缺乏符合现状的图纸，而用传统的测绘方法不仅精度难以保证，并且耗时久、成本高。SketchUp 的“照片匹配”功能曾经一度成为低门槛的、对既有建筑逆向重建的希望，但因诸多限制和功能缺陷（见SketchUp 官方帮助中心文档），所以SketchUp 的“照片匹配”功能始终难以成为“建筑逆向建模”技术的有效手段。随着新的照片实景建模技术的发展与普及，尤其是民用无人机的普及，旧城改造项目中的“照片建模”就成了对既有建筑逆向建模唯一可用的最佳方案。最低4 位数的设备投资、极低的时间成本和工程费用，与传统测绘方式相比几乎可略去不计。后面的篇幅会做简单介绍。
现在归纳一下：“照片实景建模”与传统的、基于几何的建模方式（包括SketchUp）相比，IBMR 技术至少具有以下特点与优点。
（1）能为SketchUp 用户轻易完成传统建模方法根本做不了的复杂模型，譬如后面要介绍 的几个模型，大大扩展了 SketchUp 的应用领域。
（2）现在有多种照片逆向建模软件可供选择，都可在本地计算机上简单操作，几乎能自 动生成模型。也有一些只要上传照片，在云端 自动生成模型的网站，不用学习便可使用。 （3）建模变得更快、更容易。生成的模型有照片级别的真实感与最自然的形态。
（4）IBMR 的研究已经取得了许多丰硕的成果，并有可能从根本上改变对计算机图形学的认识和理念，这些对于SketchUp 用户与Ruby 脚本作者是非常好的研究和应用课题。
1.5 产品设计逆向建模
SketchUp 用户中有大量是从业于产品设计或者需要接触产品设计的，如建筑与景观 设计业的小品 设计、木材加工与家具 业、石材加工业、展览陈设业甚至婚庆布置业等，其中很多都需要接触复杂的曲面建模，譬如“石狮子”“华表”“盘龙柱”“门墩抱鼓石”“传统雕花家具”“仿古陈设”，以及各种石雕、砖雕、木雕模型……以前在SketchUp 里是根本无法完成的，现在有了“照片逆向建模”的手段，往日的难题便可迎刃而解。后面会展示一些实例。
1，图像逆向重建例
下面展示的是用手机拍的照片逆向重建的模型，虽然面部等主要细节非常清晰，但因石像有2.5米高，顶部没有拍到完整的照片，所以帽子的顶上有个破洞，有点遗憾。
图17.2.18 照片建模、SketchUp 导入OBJ 文件后
下面这个是在桌 子上用手机对一个玩偶拍照重建的模型，右侧的模型是以3DS格式导入的，质量差，线面数量大很多倍，不推荐。
图17.2.20 导出DAE 与3DS 格式的对比
这个石狮子有3米多高，拍照时带了自拍杆，围绕着它，分别在顶部中部和下部拍了3圈照片，一共有40张。（实际上有24张就够了）。虽然它有3米多高，逆向重建后的顶部和各处细节仍然非常清晰完好，非常成功。
图17.6.1 照片建模（石狮子）
这是公园 里的4块石碑，因后面是繁密的植物 ，无法环绕拍照，只拍了正面的几幅照片，在SketchUp里也还原了3维的凹凸感和体量。
图17.7.4 导入SketchUp后待修整
下面图17.8.6所示的例子，原始图像来源于网络，全套共14 幅，以弧形路径，多角度拍摄于同一个高度，拿来作为一个“高浮雕”图像逆向建模的素材。逆向重建后的浮雕凹凸细节纤毫毕露，非常清晰，似与原始照片的质量有关。
图17.8.6 导入SketchUp后的浮雕模型（待修整）
下面的模型，原始照片也来源于网络，全套照片绕着建筑在同一个高度完成拍摄；还加拍了6 幅“近景细节”（用于自动贴图）共50 幅。因为只有在地面上拍摄的单层图像，所以重建的模型没有屋顶的，而且顶部与底部的墙体没有明确的界限。
图17.9.4 导入SketchUp 后的模型（无顶部，待修整）
下面左侧是无人机空拍后逆向生成的“实景模型”，右侧是根据“实景模型”生成的“City Information Model”，即城市信息模型“CIM” 。“CIM”能全面准确地反映城市的各类信息，为城市规划 、建设、管理以及各类应用提供统一的数字化基础平台，实现城市信息的互联互通和共享 ，推动智慧城市的发展。
无人机空拍还原与CIM模型
3，图像逆向重建工具简介
SketchUp现在还没有能完成图像逆向重建的插件 ，所以需要使用外部工具完成后再导入到SketchUp里去。能够完成图像逆向重建的工具有很多，下面介绍几种比较知名并且是笔者曾经较长时间试用或使用过的。 声明：笔者跟下面要提到的软件与公司无业务与经济往来，也不承担任何责任。
（1）Photoscan是它的原名（仍然通用），现在改名为Metashape，功能有所改良（全自动摄影 测量与三维建模），最新的版本是Agisoft Metashape 1.8.1。该软件在中国的中文网站是www.photoscan.cn/ 培训 课程。在我撰写的《SketchUp材质系统精讲》和《SketchUp曲面建模思路与技巧》里都有详细使用方法、大量中英文学习资料和视频教程 ，当然还有“绿色”的软件。是我实战中用得最久的，特别推荐。
（2）另一款知名的照片建模工具—— RealityCapture。该软件官网的介绍RealityCapture 是最先进的摄影测量软件解决方案，正在改变行业。它是目前市场上最快的解决方案，为你的工作带来了有效性，并使你能够专注于自己的目标。完全自动地从图像和（或）激光扫描中创建虚拟现实场景、纹理、 3D 网格、正交投影、地理参考地图等。想要深入了解ealityCapture 的读者可访问其官网www.capturingreality.com
（3）“3DF Zephyr”是要向你介绍的第三种“图像逆向建模”工具。该软件官方网站：https://www.3dflow.net/ http://www.3df.top/
4，基于互联网云的3D 重建
近几年来，随着“图像3D 重建”和AI技术的成熟、应用领域的扩展，国内外都出现了不少为“图像逆向重建”提供“云服务”的网站；用户仅需上传照片（小到桌上小玩意，古董文物，大到整座城市的空拍照片），云服务器就会为你自动生成3D 模型，还可提供后续的在线精细编辑和应用工具。这些站点大多提供免费的试用服务，即便收费也很低廉，每处理几千张4000 像素×3000 像素的高清照片才收取10 元钱，几乎免费。成功上传照片还有奖励，非常适合有大量图像3D 重建任务的个人与单位使用。下面仅提供笔者曾经尝试过的几处云端服务器，有需求、有兴趣的不妨了解一下这类前沿科技。
声明：笔者跟下面要提到的网站与公司无业务与经济往来，也不承担任何责任。
5， 逆向建模的图像获取
图像（照片）的采集是整个3D 模型重建过程中最重要的一步，重建结果的好坏往往 与照片采集有很大的关系，而不是软件操作的问题。影像分辨率高、重叠度大、清晰度高，拍摄光照条件好的原始照片，建成的3D 模型效果自然会好。下面从对照片采集的基础知识和一些细节要求做些说明。
（1）对可移动小物件的拍照原则
对于小物件对象，可绕着桌子拍照（相机移动），也可用转盘拍摄（物件旋转），背景越简单、越干净越好，分别对物件的顶部、中部与底部各拍摄若干照片，相邻两张照片之间至少要有一半的内容重叠。注意要在均匀照明下工作，用低ISO、小光圈拍摄，注意准确的焦点，避免玻璃等对象的光反射（可喷涂亚光涂料），避免照片中出现阴影（包括操笔者的阴影）。
（2）对户外建筑外观、景观小品、大型文物的拍照原则 最好挑选光线充足、光照均匀的多云或阴天去拍照，光线柔和的清晨与黄昏也 好 。拍摄场景 中一定要避免日光直射的部分，也不能有移动的人物 与车辆。同一个 3D重建项目要用同一台相机或手机拍摄所有的照片。
有条件的话，可以环绕建模对象的顶部、中部与底部分别拍摄三四圈照片，相邻照片最 好有一半以上的内容是重叠的。通常一圈均匀拍8 ～ 12 张照片就够了，还可加拍几张细部。上面介绍的石狮子和石雕像就是两个这样的实例。对于既有建筑，最低要求是在较远的距离围绕对象可见部分拍摄一圈，这样创建的模型 是没有顶部的，前面有一个类似的实例。
（3）无人机航拍3D 重建的图像采集原则
这个课题至少可分成两个档次，较高的档次是政府规划部门、大型工程、较大规模的 旧城区改造、大型的矿山、大型工程的工地勘测等，需要正规的无人机航拍3D 重建，通常会委托专业的公司去做，它们需要专业的航拍设备拍摄几天甚至几个月，需要规划控制软件与专业的图像3D重建软件，甚至专用的云端服务器。这个档次的应用专业性很强，且跟SketchUp 关系不大，所以不是本书要讨论的课题。
另一个档次可能更加值得SketchUp 用户关心，譬如对于小型的或独立的既有建筑，对较大的历史建筑、牌楼、牌坊之类的3D 重建，完全可以用几千元的民用无人机与Altizure无人机控制App 配合规划拍摄的路线、拍摄角度。对于像独立建筑等对象可分层次环绕拍摄，而对于一个小区域的拍摄，则需要专门用于航拍的无人机（一两万元），提前规划好路线、拍摄数量与拍摄的角度等众多参数。有航拍功能的小型无人机还有很多可用于3D 重建的智能功能。
6，图像逆向重建的过程
因上面介绍的相关软件和云端网站上都有详尽的图文学习资料和视频教程，所以本节就不再详细讨论实例操作过程，仅列出以下操作过程供参考。
6.1 用桌面软件的操作过程（以 Photoscan 创建石狮子为例，其它软件大同小异 ）
（1）准备好所有的照片，如照片上有复杂背景，最好提前清除可避免很多麻烦。
（2）开始实际操作：单击菜单“工作流程”，再选择“添加照片”或“添加文件夹”两个命令之一，可以分别指定以照片或整个文件夹的所有照片参与建模。
（3）如果是无人机航拍照片，有POS 数据的需导入POS 数据，若无POS 数据可直接跳至下一步”。注：POS 数据为拍摄每张影像所对应的无人机位置、姿态参数供辅助拼接，拼接后的影像将具有地理坐标信息，POS数据的处理（略）。
（4）现在选择菜单“工作流程”→“对齐照片”，弹出预选参数对话框，“精度”建议选择“中”或“高”（不要选“最高”）否则耗时太多。
（5）单击OK 按钮后，软件自动开始“对齐照片”处理，此过程只需等待，无须操作。
（6）选择菜单中的“工作流程”→“建立密集点云”命令，在弹出的对话框中选择所需要的模型质量，质量设置得越高，处理的速度就越慢（软件里有个工具可在生成点云前选择对象范围，以大幅度减少处理无用部分的时间）
（7）现在选择菜单中的“工作流程”→“生成网格”命令，在弹出的对话框中选择所需要的质量，如选择中等数量的“面”需耗时大约需10min左右，请耐心等待。
（8）如见到生成对象主体的上下左右前后还有一些背景、杂物，这是照片里带来的，没有办法避免，不过现在还有机会删除所有不想要的内容。
（9）大致清理完成后，接着要选择菜单中的“工作流程”→“生成纹理”命令（即贴图）使用默认参数即可（这一步很快）。
（10）现在就可以导出你所需要的文件了，Photoscan 可导出的文件格式非常多，要选择SketchUp能接受的格式，如“OBJ，DAE，3DS等，它们在SketchUp里的表现各有短长，根据使用经验，不建议导出3DS格式。
（11）注意，Photoscan 等软件的坐标系统绑定地球经纬度（可设置）所以导入到SketchUp后通常要用旋转，移动等工具调整对象的姿态。
（12）以上过程简化小结：添加照片→照片对齐→建立点云→生成网格→生成纹理→导出。几乎所有图像逆向重建的软件，都遵循这个操作流程。
6.2 用云端网站逆向重建的操作
（1）照片准备（同上）
（2）打开云端网站（注册后）上传所有照片。
（3）根据实际需要勾选或输入数据后等待。
（4）导出到本地计算机。
（5）导入到SketchUp后同样要用旋转，移动等工具调整对象的姿态。
感谢你看到了最后。如果您觉得这个讲座的内容还不够完整，那么，我向你推荐我撰写的这套教材，这个讲座的30讲，全部摘取自其中的《SketchUp曲面建模思路与技巧》，无论是SketchUp的初学 者还是高端用户，这套教材总有一些适合你。
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