科普 | 3D建模航拍技巧
（1）了解专业名词
【内方位元素】
指的是相机的内部参数，包括相机传感器的尺寸、镜头焦距、像平面主点的位置坐标、镜头畸变。
【外方位元素】
指的是相机光学中心的三维坐标位置和三个姿态角参数。
【同名点】
两个或多个不同照片的像素对应场景中同一物理位置的投影。
【影像组】
由具有相同内方位元素的影像组成。
【CCD感光元件】
电荷耦合元件是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。
（2）影响精度因素
2.1 影像精度
影像精度指的是由传统航空摄影的地面分辨率扩展到更加广义（而不仅仅是航空图像）的获取图像的分辨率设置。生成三维模型的精度和分辨率与采集的影像精度直接相关。为达到预定的影像精度，必须使用准确的焦距及拍摄距离来采集影像。相关计算公式如下：
影像精度（米/像素） × 焦距（毫米） × 图像的最大尺寸（像素） ＝ 传感器宽度（毫米） × 拍摄距离（米）
可以看到，传感器的宽度、焦距、图像的像素是固定的，那么，想要多少的影像精度，就可以通过拍摄距离来调整。
2.2 焦距
整个图像获取过程采用固定的焦距。
如果需要获得非统一的影像精度，可以调整拍摄距离来实现。如果无法避免使用不同的焦距设置，比如拍摄距离的限制等因素，应在每个焦距设置下各采集一定数量的影像组，避免某个焦距只有非常少量的影像的情况。
当使用可变焦距镜头，应需保持在一组影像上使用同一焦距，可以利用胶带将手动可变焦距镜头固定住。注意不要使用数码变焦，避免使用超广角镜头或鱼眼镜头，因为大多数软件很难计算出极端的镜头畸变。
2.3 曝光
尽量选用可避免重影、散焦与噪声、曝光过度或不足等的曝光设置，因为这些问题将会严重影响三维建模质量。手动曝光设置能有效降低3D模型贴图产生色差的可能性，所以如果摄影技术允许，同时有比较稳定和统一的光照条件时，推荐使用手动曝光。如果不具备条件，自动曝光获取的影像也能被处理。
这里推荐关闭光学或数码图像稳定功能。
2.4 光照
相对于直射光和（或）不断变化的光照，稳定的环境光源是更好的选择，因为前者增加了曝光过度和曝光不足的风险。室内拍照时，固定光源比试用闪光灯更好；室外拍摄时，多云的天气比大晴天更好。如果必须在晴天拍摄，最好选择中午左右使阴影区域最小化。
无人机航测作业前，要掌握当前天气状况，并观察云层厚度、光照强度和空气能见度。
正中午地面阴影最小，在日出到上午9点左右，下午3点左右到日落的两个时间段中，光照强度较弱且太阳高度角偏大，部分测区还可能碰到雾霾。这些情况可能导致采集到的建筑物背阳面空三匹配精度差，纹理模糊且亮度很低，最终影响建模效果，严重影响视觉观感。
最理想的作业环境是在9点-15点之间，光照适中，无雾霾，空气能见度高，且环境光呈漫反射状态时。
2.5 明确航飞范围
航线规划软件（地面站）的参考底图数据大多来源于谷歌地图。规划航线之前，有必要在Google Earth中确定项目航飞范围，了解测区地貌，并进行合理的飞行架次划分，优化航飞方案，提升作业效率，避免撞机事故发生。
我将航拍建模大体划分为两个类型，即兴趣点目标建模和大范围目标建模。
兴趣点目标建模是指一个集中区域内的目标建模，例如一个小山包、一栋楼、几栋聚集在一起的建筑物等，自然也就可以再细分为单体目标和集合目标。这样的建模通常可以采用兴趣点环绕定时拍摄的方式来进行初期的素材收集。
大范围目标建模顾名思义是指在一片较大范围内的建筑物、地形等目标，通常可以采用航点规划的方式，在调整云台俯仰至合适角度的情况下拍摄多角度影像来收集素材。
2.6重叠度确认
在实际作业中，我们设定的重叠度一般为：航向80%，旁向70%。根据不同环境下的纹理情况，可以适当增大或减小。
在理想情况下，飞机和摄影基准面是保持大致固定的相对高度。而实际作业中，被摄地区建筑的高度，会影响实际的建筑物顶部重叠度。
2.7顺风飞行和逆风飞行
以飞翼型固定翼为例，理想情况下，飞机航向始终平行于航线，但是在有侧风的情况下，需要扭转航向使得一部分推力用于抵抗侧风。这种情况会导致照片重叠度降低。
从上图可以看出，顺逆风飞行的航片重叠度是满足设计要求的。但顺风飞行又会带来另外一个问题，由于飞机顺风情况下地速为空速加风速，实际的飞行速度高于地面站设定的飞行速度，可能会导致相机超过最小拍照间隔，最终导致漏片现象。
飞行之前，可根据顺风的地速代入下面公式，若满足则可顺风飞行；若不满足则需增加一定抗风角度，利用飞机抗风的过程减小地速。顺风地速(m/s) < 航向拍摄间距(m)/相机最小拍摄间隔(s)。
（3）拍摄技巧汇总
1、选择天气晴朗条件下拍摄，以选正午时分拍摄为宜，且拍摄时间要有连贯性性防止照片色差较大。
2、补拍是提升模型细节非常重要的工作，但也是非常危险、容易炸机的行为。补拍时，一定要注意安全，不要沉浸在选择最佳位置和姿势的时候，忘了飞机避障。所以，飞手一方面要注意周边安全，另一方面，需要同事陪同监视飞机飞行环境，如果有险情要让无人机及时停止移动。
3、补拍分为多层环绕、外层大圈内层小圈、由远及近拍等手段。无论何种方式，要使画面中天空和远景占据的画幅尽量小，拍到的远处地物无益于建模。
4、走完航线，一定要进行多层环绕补拍。选用的相机拍摄参数，尤其是亮度和色彩尽量接近。
5、环绕拍摄的目的是弥补死角细节，“拍得到的地方才建的出好模型，拍不到的只会拉花、蜡熔，多补拍一些总是好的”，补拍重叠率控制在50%左右，补拍的照片色彩和亮度要尽量接近航线拍的照片。
6、重点建筑的重要部位结构要单独环绕拍摄一圈。
上图中，每一层都不要拍到太多天空，也不要拍到螺旋桨。
第一层，镜头尽量朝下。
第二层，镜头水平略朝上，注意拍摄内凹的棚底。
第三层，可以水平略朝下
第四层，拍摄主要是为了补充内凹的细节。
7、对于玻璃的处理，受限于玻璃的反光，会倒映出地面、地面的树木和对面的建筑，要么在原片中去修改玻璃，要么就采用单体化建的方式去优化，但对于复杂单体建筑的单体化建模工作量也很大，需要权衡优化方案。
（4）了解建模流程
建模原理示意图
4. 1 原始数据
原始数据主要指重建目标的影像数据。其中影像数据包括垂直影像与倾斜影像，此外还包括POS数据（经纬度、倾角、俯角、旋角等）。实景建模中影像数据由架设在无人机下方的高清相机进行采集。需指出的是，为保证建模的精确性，在进行无人机航线设置时，应保证其具有足够的航向及旁向重叠度。
4. 2 空中三角形测量计算
空中三角形测量计算（以下简称空三计算）是原始数据处理的第1步。影像数据包含垂直摄影与倾斜影像，其中倾斜影像数据计算无法用传统同名像点自动量测算法。此时，倾斜影像的初始方位元素以摄影瞬时POS系统的观测值为准，每一像元的物方坐标通过成像模型计算。基于物方的多基线立体匹配技术能够在倾斜影像之间生成大量的连接点，与外业控制点结合后通过区域网平差，能够完成多视角空三测量，得到空三计算报告。
4. 3 匹配生成密集点云
该过程主要是为生成数字地表模型（DSM），相较于DEM（数字高程模型），DSM 不仅包含地形高程信息，同时还含有除地面以外其他地物高程的信息。基于多视影像密集匹配技术（见下图），得到高密度数字点云，模型构建和正射影像图可在基于优化构网算法构建的数字地表模型中获得。
影像外方位元素通过空三计算得到，通过分析选择最佳影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级匹配，并行算法的引入，能够有效提高计算效率。获取高密度DSM数据后，通过滤波处理，最终形成统一的数字地表模型（DSM）。
多视影像密集匹配示意图
4. 4 构建不规则三角网模型
由于高密度点云其数据体量非常大，因此需进行切块处理才能进行不规则三角网构建。三角网构建具体过程如下：首先，根据同一地物在不同拍摄角度下的影像信息，以参考影像不固定的匹配原则进行每个像素的匹配[6]；其次，基于多视影像匹配的冗余信息，避免在获取多视影像上同名点坐标时由于遮挡对匹配产生的不利影响，同时为提高计算效率引入并行算法得到高密度三维点云数据；最后，通过对三角网的优化和简化，提高匹配精度，降低数据冗余[7]。最终获得不规则三角网模型。
4. 5 模型与纹理的配准与贴附
基于瓦片技术将建模区域划分为多个大小相等的区域，基于集群处理并行机制将分割好的每个区域建立成一个任务，并且将任务分配给各计算节点进行运算，进行模型与纹理影像的配准以及纹理贴附，完成上述工作后得到三维场景。
（5）作业实例
5.1获取原始资料
这次拍摄的案例就是著名景点西安小雁塔，为这座经典的建筑物来个单体目标建模。使用拍摄的器材也是航拍圈当红炸子鸡DJI大疆的“御”Mavic Pro，应该算一台入门级的无人机。
一开始先要进行拍照设置，将拍摄模式切换到拍照，然后点击右侧下方参数调整按钮，进入拍照模式，选择定时拍摄，如果要拍DNG格式，最低是10S一张，但是我们一般拍JPEG就可以了，照片拍摄越多，建模效果也就越有提升，但是也不能够太多，不然电脑吃不消，设置个5秒一张或者更高都是可以的。拍照的设置就搞定了。
塔这种建筑物真的是单体目标航拍建模的最佳教材，直接将DJI大疆”御”Mavic Pro飞到塔的正上方，当然，在这样的地方飞行大家一定要注意各方面的安全，并保持飞行器在视距内（距离500m。高度120m）。
确定安全之后，点击左侧小无人机进入兴趣点环绕模式，这个时候将兴趣点设置到飞行器所在位置，此时的高度为环绕高度。
拉远飞行器至适当距离，这个距离便是环绕半径。我们可以在右侧窗口中看到所有的数据。此时的返航高度是可以修改的，大家根据具体的飞行环境可以适当进行调整。同时也可以看到提示中说明了我们可以通过遥控器调整半径，这也为后续的拍摄带来了便利。摄像头此时也要进行调整，将建筑物整体放置在画面中，不用管构图，目标是把整体拍摄到，不要有丢失。设置好适当的飞行速度便可以开始环绕飞行了。
开始环绕飞行后，隐藏兴趣点环绕界面，开始拍照，在拍照过程中是会有短暂黑屏的，不要害怕，大胆的让它去拍。
拍摄过程中要保证至少有一圈是将建筑物完整拍下来的，把它完全放在画面中。从下方的数据中可以看出高度稳稳地保持在79m，没有出现掉高的现象，飞行器指向也比较正，说明”御”Mavic Pro的飞行性能是足以肩负航拍建模重任的。
在兴趣点环绕的过程中是有几率出现飞行器和遥控器之间出现障碍物的情况的，此时不要慌张，也不要着急操作或者关闭遥控器，应当调整天线位置和朝向，面对飞行器所在方向，如果此时失联，飞行器会继续兴趣点环绕功能设置的飞行路线，不要关闭遥控器，当它飞过遮挡信号盲区便会再次连接上。由于”御”Mavic Pro的信号还是比较强的，所以我专门跑到旁边的屋里，模拟了一下信号遮挡的情况。事实证明，信号真心好，遥控还有三格，图传一点没掉。
完成了一圈的环绕之后，我们要开始调整飞行高度和半径了，之前的半径是44m，高度是80m。我们可以通过遥控器调整飞行器位置，从而变化飞行半径和高度。飞行器朝兴趣点方向飞行将缩小半径，相反则是增大半径，升降油门调整高度便是直接对应飞行器环绕高度。如果进行了转向，则会改变朝向，这是没有必要的，如果不小心调到了，点击重置朝向即可重新指向兴趣点。
由于整体轮廓的一圈已经拍摄完成，此时我们可以贴近建筑物拍摄一些细节的地方，也就不需要将整个建筑物包裹在画面中，只需要针对细节拍摄。例如小雁塔外体并不规则，要将这些细节构建出来便需要更加贴近进行拍摄，因此将飞行器环绕半径降低进行拍摄。
由于塔基本是一个直上直下的结构，因此也需要降低高度来深入记录细节，拍摄照片的质量好坏会直接影响后期纹理的制作，越清晰是越好的。
看到这里大家应该明白为什么我们要选择兴趣点环绕的方式来拍摄素材了。一方面是兴趣点环绕对于这类目标的特征记录更加细致全面，另一方面是DJI GO操作的难度低，智能化程度高，同时便于飞行拍摄过程中的飞行数据调整，为我们的素材收集提供了非常多的便利。当然，使用兴趣点环绕的过程中”御”Mavic Pro的侧面是没有避障功能的，所以要注意不要有障碍物，不然就有点危险了。
同时，飞行之前要对自己所建模的区域目标有一个基本的了解，因为只有飞行器拍摄到的地方能够建模出来，被遮挡或者拍摄不全的话后期建模就会是一块黑的，效果并不理想，所以在飞行过程中要提前考虑周全。我们可以看到小雁塔的每一个边沿都是延伸出来的，如果仅仅是俯视是不能收集到边沿下方的情况的，所以需要降低飞行高度，平视或者斜向上拍摄，将所有内容收集全。
通常情况下，如果建模精细度要求并不是非常高的话，个人认为在不同高度上环绕拍摄两到三圈基本上能够满足建模需求，如果有一些细节的地方环绕飞行也拍摄不清的，可以将飞行器退出环绕飞行模式后再飞行至适当位置拍摄，后期是可以识别出来的。总的一个原则就是收集到目标尽可能多的图像信息，避免盲区，及注意安全。
最终，我们得到了这样的一系列照片，包含了我们所需要的建筑物的所有图像信息，单独建立一个文件夹，放进去，我们的前期素材收集也就完成了。
从收集过程来看，”御”Mavic Pro的飞行性能是非常棒的，没有在环绕飞行过程中出现掉高的情况，同时拍摄的画面清晰度也比较高，虽然广角小了一些，但是并不影响后期制作。
在建模之前，建议大家首先使用修图软件Lightroom对拍摄的图片进行调整和校色，这样对于后期建模之后模型的蒙皮色彩是有直接影响的。相关的具体方法在这里就不做赘述了，搜索一下网上有很多教程，大家可以去学习下。
5.2 原始影像处理
原始影像处理是基于倾斜摄影原理开发的三维建模软件。将具有一定重叠度的无人机航拍倾斜摄影数据导入建模软件，计算机中的图形处理GPU会结合像片所包含的POS信息自动进行空中三角测量计算，生成点云并加密为密集点云，构成三角网格模型，最后结合倾斜影像中的像素信息生成富有纹理的三维模型。
目前比较主流的软件：ContextCapture、Agisoft PhotoScan、Pix4Dmapper。均可实现上述效果。
可参考文章：干货分享|Smart3D小白入门手册 ； 干货分享|PhotoScan小白入门手册 ；干货分享|Pix4D小白入门手册
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资料下载地址：【原smart3D】http://www.dpgrid.com/front/showpdf/79 ;【Agisoft PhotoScan】http://www.dpgrid.com/front/showpdf/64 ;【Pix4Dmapper】http://www.dpgrid.com/front/showpdf/65
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