藉由影像或點雲資訊搭配既有資料發展重建三維室內模型技術

在現今量測三維房屋模型中，建置室外建築物模型的技術經過多年的 發展已逐步成熟。但建立室內模型的技術部分，目前仍有許多發展的空間。

室內空間與人類的生活最為緊密，又由於室內無法接收 GPS 訊號的關係，

室內空間也是最迫切需要各式導航導引技術的場所，而室內空間三維模型 是達成室內導航目的的主要途徑之一。本項工作重點為藉由影像或點雲資 訊的輔助，發展重建三維室內模型技術，並提出新的解決方案來改善既有 影像式掃描的缺點。因此進一步探討室內空間的建模技術，依處理流程分 成(1)攝影測量三維模型重建；(2)模型破損缺漏修補；(3)模型切割、物件建 立；(4)與繪製模型結合；(5)三角面與四角面模型的差異等五項進行探討，

並依處理流程產製(6)試辦成果。

(1) 攝影測量三維模型重建：

除了從 CAD 工程圖轉換或手工建模等繪製方式外，室內空間常見的掃 描/逆向工程重建方式有兩種，光達掃描以及攝影測量/電腦視覺(影像式)掃 描技術。以光達掃描機產生點雲，透過人工或半自動方式由點雲建立建物 室內模型，若模型需敷貼紋理資訊，則需增加至現場拍攝照片並賦予模型 紋理之作業。影像式掃描技術須於現場拍攝照片，後製時透過計算相片拍 攝的方位後，解算出點雲，並由點雲產製模型。而原本拍攝的相片可以直

若單以影像資料或點雲資訊方式建立模型，相對於光達掃描而言有以 下的優點：(1)儀器成本低、(2)儀器的可攜性較高以及(3)相片可供量測與紋 理敷貼使用。上述優點可分別降低設備維護成本及交通成本。但傳統攝影 測量掃描建模也有許多缺點: (1)資料完整性、(2)反光材質無法產生點雲。

相較於以傳統航空攝影測量的拍攝方式，測量車與環景拍攝模式可以 改善部分航測拍攝方式的缺點，可以依據建築物室內的特性以及未來模型 資料應用的目的決定拍攝的方式。本項工作以(1)拍攝方式、(2)拍攝注意事 項、(3)現場拍攝效率、人員要求、(4)後製處理效率等四個方向分別探討航 測拍攝模式、測量車拍攝模式與環景拍攝模式。

1. 拍攝方式

(1) 航測拍攝模式：攝影測量的航測拍照模式，是將每一個牆面都當成 航測中的地面看待，由高而低的來回沿著牆面拍攝，以航測航向重疊與 旁向重疊的概念逐步涵蓋整個牆面。對於每一個牆面而言，其量測精度 穩定且成果相當可靠。但是在牆面相互連接的轉角處，便會因為照片間 的連結薄弱而造成轉角角度精度差且成果不穩定的情形。由於以往航測 拍攝作業中，不存在這種地形，即使真的在險峻的山谷中拍攝，也會提 高航高以避免這種高差變化極大的情況發生，因此在傳統航測作業中對 此地形並無標準作業流程來因應。

(2) 測量車拍攝模式：測量車拍攝模式是將多台相機架設在車輛的車頂，

朝向設計好的方向拍攝，相機拍攝的時刻是同步的，在同一個時刻下所 拍攝的照片稱為一個站點，相機的投影中心距離及相機相對姿態在同一 個站點中是穩定的。透過同一站內已知的相機相對姿態，待車輛移動到 下一個站點後，藉由同一站的已知條件計算出兩站間車輛的移動距離及 方向，整段路徑所經過的特徵點都將可以計算出點位座標。

(3) 環景拍攝模式：環景攝影模式同樣也是以站點為單位，每一個站分 別拍攝兩個環景，分別是腳架中柱伸到頂點與降到低點，如此之下，兩 站間的拍攝距離是固定的，類似測量車模式中相機間投影中心距離不變 的概念，利用同一站內的兩個環景之視差建立深度關係。當相機移到下 一個站點時，同樣的以腳架的中柱為基準，拍攝上下兩個環景站。藉由 這四組環景，及組成環景的原始照片，用以估計兩站點之間的距離及方 位。

2. 拍攝注意事項

(1) 航測拍攝模式：由於攝影測量原理其需要多張相片交會的特性，一 件物體或牆面要能夠被建模，不是被拍到一張照片即可，而是要從不同 視角及相片重疊度等問題所決定的。因此經常發生攝影作業完成後，開 始內業資料處理階段才發現部分區域無法形成點雲的情形，且牆面間的 銜接是攝影測量模式最大誤差之所在。可透過攝影人員於可能會遮蔽之

(2) 測量車拍攝模式，由於相機涵蓋範圍不夠全面的關係，造成點雲/

模型缺漏的情形。可透過增加相機數量與拍攝角度，減少點雲缺漏區 域。

(3) 環景攝影方式，因為點雲資料是從上下兩個攝影處所構成，在一般 的情形下，點雲缺漏的情形會最少，此拍攝模式能有效改善模型缺漏的 問題。但是在下方環景看的到物體但上方環景看不到物體的情形下，缺 漏依舊會發生。不過此情形在現場拍攝作業時是可以預想到的，僅需在 預期會發生遮蔽的區域，將環景站的密度提高，也就是縮短環景站之間 的距離，即可有效改善此問題。

3. 現場拍攝效率、人員要求

(1) 航測拍攝模式：針對每一面牆的拍攝方式、牆面高度、屋頂面高度 等，都需有一定的評估計算後方能進行拍攝作業。同時還得評估遮蔽的 情形，造成現場拍攝的時間極長，若經過計算後發現牆面轉角精度不足 或遮蔽區過大時，甚至還得回到現場重新補拍照片。此模式對於攝影人 員之要求必須有相當程度的攝影測量專業知識以及攝影知識，方能拍出 精度穩定且成果可靠的照片，並減少再次回到現場重新拍攝的機會。

(2) 航測拍攝模式：在室內空間多半以推車方式執行，執行拍攝的時間 相對短暫。由於相機位置、角度固定，相機參數(如:光圈、快門、對焦 位置等)於拍攝前設定完全，因此對於專業知識的需求最低。

(3) 環景拍攝模式：分為兩種環景拍攝方式，一種是以一台環景相機，

為了以維持每張相片的投影中心一致為目標的方式拍攝。第二種是以多 台相機所組成的環景相機組進行拍攝，可以有效提高拍攝效率。由同一 台相機拍攝若經過精確的設備率定，可以達到投影中心一致的目標，可 以拼接出完美無接縫的環景照片，且具有高精度的內方位率定成果，因 此量測成果精度較高。若以多台相機拍攝一處環景，多台相機的組合勢 必無法達到投影中心一致的目標，因此環景必然有接縫產生，因此在環 景照片的品質是否有要求，成為重要的考量點之一。攝影人員只熟悉攝 影知識，不需要具備攝影測量知識，只須遵循拍攝的標準作業流程(SOP) 即可。

4. 後製處理效率

(1) 航測拍攝模式：在現場拍攝時，多半會以牆面為單位，將牆逐面進 行拍攝。牆面的多寡多半到現場才能確定，因此難以事先規劃。最後拍 攝出來的照片也會是以面為單位的一面一區的方式處理，因此資料處理 人員必須非常清楚照片拍攝的過程及順序才能有效地尋找與增刪某些 照片。也由於航測方式拍攝的照片多半只有牆面的局部，難以從照片中 判斷出該照片所拍攝的區域，因此航測方式拍攝的照片，資料處理的困 難度在於照片的整理與空三過程中照片挑選，最理想的情形下是資料處

(2) 測量車拍攝模式：由於以站點為單位，每一個站點有固定數量的照 片，且照片的拍攝方向一致，因此不會有前述照片混亂難以尋找的問題。

但由於測量車攝影模式在拍照時一般以固定時間間格觸發快門，因此站 點的遠近跟推車的速度有絕對的關係，在室內空間中有轉彎、周遭雜物 等情形會被迫減速，此時多半不會停止拍攝或調整拍攝時間間格，而使 得站點之間的距離過短，產生過多攝影站的情形。因此最後在照片數量 上而言，一般會明顯多過其他拍攝方式所攝得的照片數量。照片數量的 增加會導致空三計算的速度明顯減慢，因此必須人工去挑出這些站點予 以移除。

(3) 環景拍攝模式：每一個環景站有兩張環景照片組，每組環景照片也 可以輕易的辨識出是同一組的環景照片，因此在後製處理上，對於整理 照片的人力需求明顯較低，且資料處理人員不需為攝影師本人也能有效 率的整理照片，因此可以精確的將外業攝影師與內業攝影測量工程師分 工，提高效率並增加工作效益。

表 4-3-4 為統整以上三種攝影測量拍攝模式、特性、差異之比較，表 4-3-5 為各拍攝模式進行模型精度、拍攝條件、資料完整性等說明。

表 4-3-4、三種攝影測量拍攝方式

攝方式所造成的缺漏情形與原因如前項工作所說明，本項工作將探討因場 景內建材或物體所造成的破損缺漏情形。模型的缺漏可歸咎於三種情形，(1) 光線的折射、(2)光線的反射、(3)物體的移動。

當光線穿透不同介質的時候，光線會產生部分反射及部分透射的光線 傳遞情形。而透射的光線，因為光線在不同介質中速度不同的關係，而發 生了光線的折射現象。以靜止水面為例，水面的倒影是由光線反射而造成 的，水面下物體是折射現象所造成。無論是光線的反射或折射，都造成了 光線的轉向，而不再維持直線前進的”共線條件”(Collinearity Condition)，以 至於無法以攝影測量原理進行模式化。因此在現有技術下無法將光線透過 反射或折射之後的影像進行量測及建模作業，會造成光線折射/反射的物體 包括水體、玻璃、金屬表面、高反光鏡面等物體。另一類無法建模的物體

當光線穿透不同介質的時候，光線會產生部分反射及部分透射的光線 傳遞情形。而透射的光線，因為光線在不同介質中速度不同的關係，而發 生了光線的折射現象。以靜止水面為例，水面的倒影是由光線反射而造成 的，水面下物體是折射現象所造成。無論是光線的反射或折射，都造成了 光線的轉向，而不再維持直線前進的”共線條件”(Collinearity Condition)，以 至於無法以攝影測量原理進行模式化。因此在現有技術下無法將光線透過 反射或折射之後的影像進行量測及建模作業，會造成光線折射/反射的物體 包括水體、玻璃、金屬表面、高反光鏡面等物體。另一類無法建模的物體