【導語】在三維重建技術日新月異的今天，3DGS以其顛覆性的場景表示與渲染架構，引領著高精度三維重建的新紀元。本文深入聚焦3DGS技術的核心環節，特別是數據采集與三維重建的關鍵步驟與技術細節。從專業的采集車設計到點雲生成的精細流程，再到光場重建的創新實踐，糖心免费视频將逐步揭開“從像素到三維”的神秘麵紗，探索3DGS技術如何實現從“傳統低效”向“高效逼真”的跨越。通過實例分析與效果展示，您將親身體驗到3DGS技術在高精度三維場景重建中的非凡魅力與廣闊應用前景。

在三維重建技術從 “傳統低效” 向 “高效逼真” 跨越的進程中，3DGS 憑借顛覆性的場景表示與渲染架構，為高精度三維重建提供了全新可能。本文將聚焦 3DGS 技術落地的核心環節，解析數據采集、三維重建的關鍵步驟與技術細節，揭開 “從像素到三維” 的實現密碼。

基於的高精度三維場景重建的生產流程主要分成四個步驟，包括數據采集、三維重建、引擎集成、VR搭建。其中引擎集成和VR搭建涉及更多的是工程實現。本文重點介紹數據采集、三維重建的過程。

圖2 生產流程

1、數據采集

關於采集場景的要求，采集前需對場地進行考察，根據場景製定合理的采集動線路線，應盡量完成場地清(qīng)場，並對環境整理留出采集動線空間。采集中，避免移動場景中物體，避免移動物體、人等進入采集畫麵，並且盡量保證環境光照穩定，不可忽明忽暗。

圖3 采集角度示意圖

圖4 采集路線示意圖

為了保證場景重建質量，提升數據采集效率，采用專業采集車進行拍攝采集，采集車是有多台運動相機組成的相機陣列，各個相機的位置分布和朝向設計如圖3，采集車的行進方向參考圖4采集路線示意圖，整體采集車如圖5所示，圖6是使用專業采集車進行室外拍攝的路線示意圖。

圖5 專業采集設備示意圖

圖6 室外采集路線示意圖

2、點雲生成

點雲生成一般通過以下步驟進行。首先對拍攝數據進行預處理，通過圖片質量檢測，移除模糊圖片。之後，通過對應點檢索進行相機校準和照片對齊，完成相機位姿計算並獲得初始點雲。隨後進行增量式重建，增量式重建主要利用SfM(Structure From Motion，從運(yùn)動中恢複結構)，SfM是一種從一組不同視角下拍攝的無序或有序影像中，同時恢複場景三維結構和相機姿態的技術。增量式SfM會選擇無序影像進行特(tè)征(zhēng)匹(pǐ)配(pèi)，並(bìng)進(jìn)行(xíng)幾(jǐ)何(hé)糾正、三角測量恢複稀疏點雲結構，通過已有點雲重新估計相對姿態，再進行局部和全局的BA優化，最後輸出全部的相機參數和稀疏三維點雲。

圖7 稀疏點雲和相機姿態的計算流程

一般在采集照片充足，質量高的情況下，獲取的相機位姿和實際采集位置相似，且初始點雲形狀可明顯看出和采集場景一致。下(xià)麵(miàn)是廈門鋼琴博物館室內場景的部分拍攝圖片，以及計算得到的相機位姿和稀疏模型。

圖8 鋼琴博物館的拍攝圖片

圖9 鋼琴博物館的稀疏點雲

如果發現有很多相機位姿發生了漂移或初始點雲有明顯的異常，則需要重新選擇照片或根據異常情況重新補拍照片，然後重新計算相機位姿及初始點雲。

圖10 metashape初始點雲異常情況

3、光場重建

3DGS三維場景重建的大致流程如圖11所示，包括：

圖11 3DGS的基礎流程

①輸入：輸入是一組靜態場景的圖像，以及通過SfM算法得到的SfM點，以及所有圖像對應的相機位姿。

②初始化：對獲取的每個稀疏點雲創建初始化3D高斯橢球，其由位置（平均值）、協方差矩陣（XYZ軸縮放因子、旋轉因子等）、不(bù)透(tòu)明(míng)度(dù)和(hé)球(qiú)諧(xié)函(hán)數(shù)係(xì)數(shù)（後(hòu)文簡(jiǎn)稱(chēng)SH係(xì)數(shù)）所(suǒ)定(dìng)義(yì)。該(gāi)定(dìng)義(yì)允(yǔn)許(xǔ)3D場(chǎng)景(jǐng)合(hé)理(lǐ)緊(jǐn)湊(còu)的(de)表(biǎo)示(shì)，並(bìng)通(tōng)過(guò)調(diào)節(jié)參(cān)數(shù)緊(jǐn)湊(còu)化(huà)表(biǎo)示精細化場景結構。其中使用球諧函數來映射整個輻射場的方向性外觀分量（RGB顏色）。

③構建梯度流迭代優化：3D高斯橢球在對應的相機位姿下進行投影，獲取光柵化之後的圖像，與真實輸入圖像（真值圖像）進行比對優化，對初始化後的參數（位置、協方差矩陣、SH係數、高斯球密度的自適應控製）進行優化，同時通過自適應密度控製策略對高斯球進行拆分融合操作。圖12展示了多個場景的光場重建(jiàn)效(xiào)果(guǒ)，圖(tú)13展(zhǎn)示(shì)了(le)使(shǐ)用(yòng)MetaQuest VR頭(tóu)顯(xiǎn)體(tǐ)驗(yàn)6DoF實(shí)景(jǐng)漫(màn)遊(yóu)。

圖12 實景1:1光場重建複刻效果。左上：首鋼冰壺館；左中：咪咕咖啡；左下：首鋼咪咕大樓；右上：信息港二期大堂；右中：信息港工區；右下：信息港二期一層休息區

圖13 MetaQuest VR頭顯體驗效果圖