贾舒欣，杨丽丽，赵永超*

(1.聊城大学化学化工学院，山东 聊城 252059；2.石河子大学化学化工学院，新疆 石河子 832003)

0 引言

ContextCapture(CC)软件是国内外普遍使用的一种三维建模软件，它的主要优点是对影像的要求不高，有一定的相片数量、角度和距离足够、重叠度足够就可以快速地建立各个尺寸的模型。用 ContextCapture软件进行三维实景建模的优点是：自动化程度高、效率高、成本低等。

化工专业实验和化工实训实验等实践课程是化工专业学习中比较重要的课程，通过实验学习，可以深入理解对应的理论知识，可以提高动手能力，提高科学研究的素养和能力。在学习的过程中发现，由于实验设备和场地相对有限，在实验室练习时间也很有限，加上实验为小组合作分工模式，平均到个人来说对实验装置和设备的了解、熟悉、掌握和应用水平在一定程度上达不到理想的效果。课前预习和课后复习也由于没有实物的装置而感到束手无措。

实景建模可解决这个问题。多角度对实验装置进行拍照或拍摄视频，将拍摄的图片或视频导入ContextCapture 软件进行3D 实景建模，得到该实验装置的 3D 实景模型文件。该模型可以实现对装置的百分百实景还原，实现多方位多角度各种距离查看实验装置的结构，可以对模型的缩放、旋转、平移、漫游等，体会到“身临其境”的感觉，方便课前预习和课后复习，能够提高学习效率、完善学习效果、激发学习兴趣。将实景建模应用到化工实验教学中，能在学生预习、学生复习和教师实验讲解、成绩评定各环节取得很好的效果。

1 实景建模的原理

最近几年来，三维实景建模技术慢慢走进人们的生活，并且逐渐应用在各个领域中。通过这种技术得到的三维实景模型与真实场景一致，在一定的技术条件下，模型和真实场景的误差能够达到毫米级别[1]。应用实景建模软件，对化工实验室中的装置及其管道阀门等附属设备进行三维实景建模，通过该模型可帮助进行化工实践课学习。

1.1 实景建模的原理

实景建模的原理是以倾斜摄影测量原理为基础的[2-3]。倾斜摄影测量基本原理是：通过多角度对对象进行拍摄，可快速而高效地采集三维空间数据，再通过视觉原理自动识别并匹配同名点，结合影像的 POS数据(位置数据 Position 的简称，是指倾斜摄影测量中的各种外方位元素，比如，经度、纬度、拍摄的俯仰角等数据)和相对位置关系进行空中三角运算，产生三维点云数据，再结合影像纹理信息，从而生成实景三维模型。摄影测量时，一般是同时拍摄一组正射、四组倾斜和五组不同角度相片[4]。拍摄照片时，相机会自动记录拍摄高度、平面坐标，并要求相邻相片之间必须有一定重合度，最后，在专业后处理软件，如 CC中进行数据处理，生成三维实景模型。

1.2 实景建模软件

近年来，采用倾斜摄影数据进行三维建模的软件较多[5]，如 ContextCapture (又名Smart 3D)[6]、Photo Scan、Photo Mesh、Pix 4D、DP-Smart、街景工厂等，其中ContextCapture 应用最广，效率最高[7]。ContextCapture软件支持多种数据，比如说，无人机、数码相机、手机摄像头以及拍摄的视频等形式的数据都可以被作为数据源；经过一系列运算，得到多种格式的三维模型、正摄影像(digital orthophoto map, DOM)、数字地表模型(digital surface model，DSM)等。

2 实景建模的实验过程

2.1 拍摄对象和拍摄设备

2.1.1 建模小试

在正式拍摄实验设备之前，由于对 ContextCapture能识别的照片条件(如大小、清晰度、焦距、装置颜色、拍摄环境以及干扰物品等客观条件)不是很确定，所以决定用小物件进行小试。

选取了玩具模型(颜色比较鲜艳)、鼠标(立体感比较强)、深色保温杯(圆柱体有利于拍摄)、展开的书本(有密密麻麻的小字) 作为试验建模物品，按照流程，首先摄影测量、环绕拍摄，然后将照片或视频导入ContextCapture 软件中，经历软件的空中三角运算，重建项目运算之后，均得到了物品的3D 模型。

2.1.2 选取实验装置

学校实践课程有实验、实训、实习三大类装置，实验、实训、实习的装置和实验流程复杂程度逐渐增加。实验课程的装置相对来说比较简单，一般只有孤立的一个单元操作设备，并且体积比较小，管路布置比较简单，如精馏实验、流化床干燥实验、恒压过滤实验等；实训课程的装置复杂程度居中，设备体积居中，一般为两层；实习车间的设备最为复杂，一般有多个工段、占地面积大而且大多布局二层或多层，管道布置极其复杂，阀门众多。

由于拍摄设备和个人电脑运算能力的局限性，只能选择实验课程的装置进行拍摄。拍摄选取了单釜三釜停留时间分布的测定实验装置，而且该装置的特征比较符合小试里总结出的照片拍摄特征；通过尝试建模，单釜三釜实验装置建模基本生成；建模结果生成之后又选取了实习车间的一个隔膜泵进行拍摄建模进一步验证。

2.1.3 拍摄设备说明

根据选取的设备特征(设备体积不大，管路较简单等)和拍摄环境(实验室内、基本没有光线天气等因素的影响)以及建模效果要求(清晰地看清楚设备和管路阀门即可，不需要太细致地纹理)，综合考虑现有的设备及情况，选择了手机相机作为拍摄设备。

手机拍摄时只使用后置摄像头，参数如下：4800万像素主摄像头；摄像头的型号：SONY IMX 586；感光面积为 1/2.0；光圈为 f/1.7，镜头为 6P 镜头；视频功能：1080P 高清视频拍摄，60 fps/30 fps；慢动作视频拍摄，支持1080P，120 fps； EIS 视频图像防抖功能。

2.2 拍摄实验装置

2.2.1 拍摄准备

单釜及三釜停留时间分布的测定的实验装置优点是背靠白色墙面、周围干扰物品较少、靠窗、光线比较好、管路比较简单。发现反应釜是透明塑料材质的，一定程度上很像玻璃镜面，ContextCapture 软件可能无法识别。为了避免这个因素带来的干扰，尽量保证实景建模的效果，选取几张颜色鲜明的彩纸对透明的反应釜进行包装，釜体、搅拌器、阀门等采用不同的颜色的彩纸包装以形成对比。

经过第一次建模尝试，发现设备周围一些物品会入镜并干扰软件生成模型，于是采用几块白布和白纸对周围物品进行遮挡。由于实验装置比人身高要高，拍时要站在高处拍摄，以获得从设备上方观测时的影像。

2.2.2 视频拍摄

通过查阅文献以及观看视频资料可得，拍摄短视频并导入软件效果更好。拍摄短视频时，首先站到高处垂直拍摄整体装置，接着斜向下拍摄，缓慢移动，环绕一周。根据 ContextCapture 的识别功能，视频可以自动被截图成众多照片，并且重合度比直接插入图片好。拍摄得到1 分16 秒的视频，达到了倾斜拍摄的要求，可导入 CC 软件进行实景建模。图1 是拍摄的视频的截图。

2.3 导入视频

2.3.1 打开并新建工程

ContextCapture 软件包括 ContextCapture Master、ContextCapture Viewer 和 ContextCapture Engine 等一系列软件，ContextCapture Master 相当于一个组织管理者，由它创建并且管理建模任务，所有的操作通过它进行；ContextCapture Viewer 相当于一个查看者，可预览查看生成的三维模型；ContextCapture Engine 的作用是负责计算及建模，并能详细地显示各个步骤运算地过程，最后将运算的结果呈送给ContextCapture Master。图2 为 ContextCapture 软件包含的三个图标。

首先打开 ContextCapture Engine 软件，并且要一直运行。图3 为 CC Engine 运行的实时画面。

图3 CC Engine 运行实时画面

接着打开软件 ContextCapture Master，新建一个工程，名字要求用英文或者字母格式，选取需要保存的文件夹的位置。

2.3.2 导入视频的过程

CC 软件可以自动对导入的视频进行截图并保存下来，从而使导入视频的效果和插入图片的效果相同；导入视频的优势在于截图数量较多，重合度较好，有利于以后的空三运算和重建项目。

打开并新建工程之后，选择影像选项卡，选择导入视频，并对导入视频的方式进行设置。通过设置视频的开始时间和结束时间，可以剪辑出需要的清晰度较高的视频；通过设置截图的时间间隔，可以决定进行空三运算的图片数量。图4、图5、图6 是空三运算操作界面截图。

图4 导入视频设置对话框

图5 CC 软件自动截图画面

图6 导入视频完成界面

2.4 空中三角测量

空中三角测量是在立体摄影测量中，设备上的某点和相机拍摄该点时的不同位置构成一个立体的三角构型，然后求得该点的相对高度和平面位置的测量方法。类似于一个人用两只眼睛看一个物体来确定物体的位置。

在CC 软件中，由于插入的图片重叠度不够或者影像信息有所缺失，可以通过空中三角测量对图像进行完善，在三维坐标系中形成一系列的实物坐标点。

图7是空中三角测量的操作界面。图8 是空中三角测量计算结果。

图7 空中三角测量计算运行界面

图8 空中三角测量计算结果界面

2.5 重建项目

2.5.1 新建重建项目

“以器官系统为中心”（organ system-centered，OSC）的课程模式是以人体器官系统为中心，重组医学各门学科知识，使基础和临床课程之间衔接更系统化和完整化，已成为国内医学院校课程改革的重点[1]。目前我国的整合改革主要集中在基础课程之间的水平整合及基础与临床课程之间的垂直整合，而在临床学科间开展横向整合的较少，可借鉴的经验也较为有限。因此，我院临床医学系积极开展OSC临床课程间横向整合改革，在血液与肿瘤疾病教学过程中，积极引入CBL（case-based learning）以案例为基础的教学方法，取得了良好的教学效果。

新建重建项目是对上一步空中三角测量的细化，空中三角测量的结果可以认为是一个草图，通过重建项目可以进一步渲染，得到逼真的模型。软件显示可进行生产之后可以得到成功的模型，如果发生错误则得不到。

点击重建项目检验是否可以进行重建项目，操作界面如图9 所示。

图9 新建重建项目界面

可进行生产界面如图10 所示。

图10 可进行生产界面

2.5.2 空间结构框架裁剪

提交新的重建项目之前，在空间框架选项卡里，出现了用实物颜色的点代表实物分布点的三维坐标图，3D 实景模型实物点已经初步形成，其中连成曲线的系列白点代表拍摄设备的移动轨迹。图11 是初步的空间框架图。

图11 初步空间框架图

由于周围一些其他无关物品的入镜，导致这些干扰物品的实物点也参与了空中三角测量，并且实物点出现在空间框架中，非常影响接下来重建项目的计算，计算量增大而且提高了模型变形的可能性，所以要对图11 中的三维模型实物点进行裁剪。

裁剪的方法是：按下剪辑指令按钮，用鼠标左键即可拖动立方体(代表实物点范围)的各个面，立方体内部空间代表了接下来重建项目的范围。裁剪时要注意尽量删去分布不集中的点，只留下集中的点方便重建。图12 是裁剪完成后的操作画面。

图12 裁剪后结果图

裁剪完成后，返回概要选项卡处，点击提交重建项目，软件开始搭建3D 模型，这时候需要经过漫长的等待，同时可以通过查看CC Engine 查看构建模型的进度，如果失败，CC Engine 的计算栏目不再进行；图13 为构建模型的操作界面。

图13 构建模型的操作界面

图14为实景建模的最终结果。该结果由于手机拍摄不够专业，特别是电脑运算能力的限制，模型清晰程度一般，但模型与实物总体一致，模型可以通过鼠标或者键盘进行旋转，平移放大从上下左右各个方向进行查看，与看实物情况一致。

图14 单釜三釜停留时间分布实验装置建模结果截图

2.6 实习车间内隔膜泵实景建模结果

在完成单釜三釜装置的实景建模之后，决定进一步验证，同时多获取一个素材，对车间一个进料隔膜泵实景建模，建模过程和单釜三釜实验装置一样，图15为建模的结果图。可实现对该设备的上下左右多角度观察，与在现场看一致。

图15 隔膜泵建模结果截图

3 结果分析与讨论

3.1 建模过程中的问题与解决

从建模小试以来直到单釜三釜实验装置建模完成的过程，出现了很多问题，导致建模过程多次失败，出现一些奇奇怪怪的模型，甚至没有模型。现总结如下：

(1)首先设备比较高，拍摄时需要站在高处拍摄顶部，拍摄者移动位置时镜头有很大晃动，导致镜头模糊不清，软件无法正常识别，于是建模失败。解决方法：①镜头移动时尽量保持镜头稳定，保证画面的清晰度；②导入视频时及时对截图进行预览，删去模糊不清的图片；③加入控制点和连接点，这个较复杂，待以后学习。

(2)在保证所有图片清晰度没有问题的情况下导入 CC 软件进行建模，发现在新建重建项目的步骤里，由于周围干扰物品太多(例如窗户、黑板、桌椅以及靠近的实验仪器)找不到集中分布的实物点，无法找到裁剪的合适范围；重建项目完成之后，模型虽然生成，但是“形如怪兽”，模型与实物相差巨大。解决方法：选择空旷的地点或者干扰物品少的拍摄环境进行拍摄，突出主要装置，减少其他实验仪器的入镜，适当增加照片的重合度。

(3)选择化工专业实验室内单釜及三釜停留时间分布的实验装置进行拍摄，并且把四周用白布和白纸遮挡避免其他物品干扰，但是建模之后在 CC Engine界面显示失败，无论是改变照片数量还是改变建模范围都无法得到成功的结果；仔细分析原因后发现，四个反应釜全是由塑料做成的圆柱形罐，结合文献知，ContextCapture 软件不能识别水面和玻璃镜面，猜测是软件不能识别透明的有机玻璃反应釜，导致建模失败。解决方法：用彩色纸把反应釜透明釜体以及周围透明管路和阀门进行包装，便于软件识别避免误认为玻璃镜面这个问题的发生。

3.2 建模过程的总结

用 ContextCapture 软件对化工实验装置进行实景建模的过程并不复杂，但是对素材图片的采集要求较高，无论是拍摄环境还是拍摄对象的要求，这就意味着要用科学严谨的态度对待每一次建模，考虑问题要尽量做到全面和周到。

用 ContextCapture 软件对化工实验装置进行实景建模的大致的流程如图16 所示[1]。

图16 建模基本流程图

4 实景建模在化工实验教学中的应用优势

4.1 激发学习兴趣，实现创新实验教学

化工实验由于自身的复杂性，比如错综复杂的管线、众多的阀门、体积较大的实验装置以及各种各样的操作注意事项，有时弄明白流程是一件比较费气力的工作，会导致对化工实验的兴趣和热情并不高，甚至在做实验的时候有些畏难情绪。当看到实验室内复杂的实验装置被做成“活灵活现”“色彩鲜艳”的模型，这些可视化的学习模型可以使学习的过程变繁为简，容易思考、容易弄懂，一定程度上提高了对实验的兴趣和热情[8]，提高了独立思考能力以及创新机会。

在化工类专业的实验教学过程中，演示实验是实验过程中的比较关键部分，同样也是实验教学过程最为有效的方式手段。传统的演示实验教学，一个老师带着好多学生围着一个实验装置进行实物讲解，老师梳理管路和讲解阀门操作的时候不能照顾到每一个同学，这就导致部分学生的学习积极性丧失。如果把实景建模应用到教学中，老师就可以通过在实景建模的操作界面录制讲解视频，对实验仪器旋转、翻转、上下左右移动，做到对实验仪器的全方位讲解，每个学生都可以清晰的看到、听到，学生也可以在自己的电脑或手机上自行全方位的查看模型，从而更透彻的了解仪器设备。

4.2 方便学生对实验进行预习和复习

由于学校实验设备和场地相对有限，在实验室练习时间也很有限，加上小组合作分工之后，平均到个人来说对实验装置和设备的了解、熟悉、掌握和应用水平在一定程度上达不到理想的效果[9]，课前预习和课后复习也由于没有实物的装置而感到束手无措。虽然可以拍摄照片和录视频，但照片和视频都不方便前后左右及上下查看实验设备。

如果有了实景建模，可以看到和实验室的装置一摸一样的3D 装置模型。该 3D 模型可以通过鼠标的左键和滑轮实现放大、缩小、旋转、翻转，可以360 度对模型查看，大到整体轮廓，小到细小的阀门管道。由于个人拍摄设备以及电脑处理能力的局限性，模型的精细度达不到很高的水平，如果聘请专业人员或者专业机构进行处理，应该能得到基本于实景设备一模一样的模型，能够实现“身临其境”的真实感。

有了模型之后学生在预习时可以细致地查看实验装置，也能找到自己在预习过程中的问题和疑惑，上课时仔细听老师讲解，可提高学习效率和学习效果；有了模型之后课后复习时也能实现对实验装置的“情景再现”，便于回忆实验流程和实验细节，加强了对知识的巩固和理解。

4.3 使化工仿真实验更加符合实际情况

实景建模可以为化工仿真软件提供基础操作界面，有利于化工仿真模拟的学习。目前化工仿真软件中的模型有时与实际操作的设备不一致，甚至有明显的不合理的地方。如果将实景建模的模型应用在化工仿真软件中，这样仿真软件的模型可以与实体设备达到一致，使仿真操作更加接近实际。

4.4 优化实验成绩评定

实验课程成绩评定可以分为有操作考试和没有操作考试两类。第一种，进行实验操作考试。实验操作考试组织比较复杂，而且实验操作考试监考一般不同。学生分组由不同的教师监考并由该老师评分，虽然各位监考老师按照统一的标准评分，但实际情况是个体差异还是存在的，同一个学生在不同的老师处考试分数可能有较大的差别；第二种，没有实验操作考试，由指导教师根据学生的在实验课上的表现和实验报告来评定成绩，但实验报告抄袭现象严重，同时由于学生人数较多，一则学生不能都有展示操作技能的机会，二则教师不可能对每一位学生在实验中的表现都有较客观的记录和评价，导致成绩偏高，普遍90 分以上，有的95 分甚至满分，因此成绩不够科学。

可以让学生提交结合模型讲解的实验视频，优化该课程的成绩评定。要求讲解工艺流程以及设备的操作，比如，需要开关某一个阀门时让学生在模型中翻转到相应的位置；梳理管线时让学生结合模型对应的位置和管线的走向进行讲解，提高对实验的认识和学生的语言表达能力[10]。视频可以由多人打分进行评定，这样的过程会促进学生学习，成绩更能体现学生对知识的掌握情况。

5 总结与展望

利用 ContextCapture 软件对实验装置进行实景建模，可以帮助学生对实验进行预习和复习、激发学习兴趣、改善化工仿真界面；通过拖动鼠标对模型多角度查看，更加方便了对实验装置结构组成和工艺流程的熟悉，更加细致地了解各个阀门的位置和作用，给实际操作提供了很多帮助。随着建模软件和计算机技术的发展以及人们对实景建模的熟知，实景建模将在化工教育方面有更广的应用前景。