一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于近景攝影測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，包括拍攝影像、選取立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)、建立關(guān)系圖、解算配準(zhǔn)參數(shù)的初值、根據(jù)最小二乘原則最優(yōu)化配準(zhǔn)參數(shù)得到精確的配準(zhǔn)參數(shù)等步驟。本發(fā)明的一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的方法實(shí)用性大大受到了時(shí)間效率和物體表面紋理的限制的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，取得了革命性的創(chuàng)新。使多視影像與三維模型之間可以快速配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的精度直接影響紋理貼圖的質(zhì)量，精度高，從而使紋理清晰，視覺(jué)效果大大提升，滿(mǎn)足人們對(duì)三維模型的質(zhì)量提出的更高要求。在近景攝影測(cè)量領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于近景攝影測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描等快速獲得物體三維模型的商業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展，人們對(duì) 三維模型的質(zhì)量提出了更高的要求，即附帶高清紋理貼圖的三維模型。要想獲得高清紋理 貼圖，其首要任務(wù)是高清影像與三維模型的配準(zhǔn)，而配準(zhǔn)中最關(guān)鍵的問(wèn)題是配準(zhǔn)的精度和 配準(zhǔn)的速度。配準(zhǔn)的精度直接影響紋理貼圖的質(zhì)量，精度不高會(huì)造成較大的紋理錯(cuò)位，嚴(yán)重 影響視覺(jué)效果；配準(zhǔn)的速度則直接關(guān)系到方法的實(shí)用性，若配準(zhǔn)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光掃描的 時(shí)間，則將嚴(yán)重影響三維重建的效率。
[0003] 在傳統(tǒng)的方法中，包括一種基于點(diǎn)、線(xiàn)結(jié)合的單張影像與三維模型配準(zhǔn)的方法，其 方法分別在影像和三維模型上提取特征點(diǎn)、特征線(xiàn)，然后通過(guò)某種手動(dòng)、半自動(dòng)或者自動(dòng)的 方法找到影像和三維模型的特征點(diǎn)線(xiàn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后通過(guò)基于廣義點(diǎn)的后方交會(huì)， 得到單張影像的配準(zhǔn)參數(shù)。首先，這種方法需要逐影像與三維模型進(jìn)行配準(zhǔn)，效率低；其次， 在三維模型的曲率變化較大時(shí)，并不容易直接找到影像與三維模型之間的特征點(diǎn)線(xiàn)對(duì)應(yīng)； 再次，當(dāng)三維模型在影像上的分布不均勻或者影像視角很小時(shí)，配準(zhǔn)參數(shù)的解將十分不穩(wěn) 定。因此，這種方法仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，在實(shí)際應(yīng)用中并不總是能夠得到好的效果。
[0004] 在傳統(tǒng)的方法中，還包括一種基于攝影測(cè)量點(diǎn)云和三維模型配準(zhǔn)的方法，其方法 首先通過(guò)空三匹配、空中三角測(cè)量得到影像的內(nèi)外方位元素，然后通過(guò)密集匹配得到物體 的三維點(diǎn)云，然后利用ICP及其變種算法得到點(diǎn)云與三維模型之間的配準(zhǔn)參數(shù)，最后結(jié)合 空三參數(shù)傳遞得到影像的配準(zhǔn)參數(shù)。首先，這種方法效率很低，其整個(gè)流程的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 激光掃描、結(jié)構(gòu)光掃描等三維重建所需要的時(shí)間；其次，空三匹配是地形攝影測(cè)量中的核心 技術(shù)之一，照搬到近景攝影測(cè)量中會(huì)存在大量的失敗情況；再次，生成密集匹配點(diǎn)云要求物 體有足夠豐富的紋理，缺乏紋理的物體、鏡面反光的物體、具有重復(fù)紋理的物體都將導(dǎo)致密 集匹配失敗。因此，這種方法是實(shí)用性大大受到了時(shí)間效率和物體表面紋理的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的方法實(shí)用性大大受到了時(shí)間效率和物體表面紋 理的限制的缺陷，提供一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決：
[0007] 本發(fā)明所提出的多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法中，配準(zhǔn)原理基本思想如 下：
[0008] 首先，獲取物體擺放在標(biāo)定板上的影像，利用標(biāo)識(shí)點(diǎn)信息，解算出相機(jī)的內(nèi)方位元 素和外方位元素，稱(chēng)為初始參數(shù)，其中外方位元素代表同一個(gè)影像組內(nèi)各影像之間的相對(duì) 位置關(guān)系；其次，在影像和三維模型上選立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)，通過(guò)前方交會(huì)的方法得到同一個(gè)影像 組內(nèi)的立體點(diǎn)；然后，通過(guò)絕對(duì)定向的方法，得到所有影像組的配準(zhǔn)參數(shù)；最后，利用最小 二乘方法，精化配準(zhǔn)參數(shù)。

【權(quán)利要求】
1. 一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，其特征在于：包括如下步驟， A. 將三維模型對(duì)應(yīng)的實(shí)物擺放在標(biāo)定板上，用數(shù)碼相機(jī)對(duì)準(zhǔn)實(shí)物繞標(biāo)定板一周拍攝不 同角度的影像； B. 將實(shí)物換一種擺放姿勢(shì)，以把未拍攝到的部分暴露出來(lái)，按照步驟A，拍攝一周影 像，根據(jù)需要換多種擺放姿勢(shì)重復(fù)步驟A ; C. 利用步驟A與步驟B所拍攝的所有影像，做基于平面標(biāo)定板的相機(jī)標(biāo)定，解算出相機(jī) 的內(nèi)方位元素和外方位元素，稱(chēng)為初始參數(shù)； D. 將步驟A與步驟B所拍攝的所有的影像進(jìn)行分組，以實(shí)物在標(biāo)定板上的擺放姿態(tài)相 同為一組，稱(chēng)為一個(gè)影像組，在影像組與三維模型之間、影像組與影像組之間選取立體對(duì)應(yīng) 占. E. 所有影像組與三維模型之間根據(jù)立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)建立關(guān)系圖，根據(jù)廣度優(yōu)先的原則，結(jié) 合初始參數(shù)解算所有影像組與三維模型之間的配準(zhǔn)參數(shù)的初值； F. 利用所有立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)，根據(jù)最小二乘原則最優(yōu)化配準(zhǔn)參數(shù)，得到精確的配準(zhǔn)參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，其特征在于：步驟D 中的立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)的選取步驟，包括， (1) 在同一個(gè)影像組內(nèi)選取特征對(duì)應(yīng)像點(diǎn)，其中在多張影像上的特征對(duì)應(yīng)像點(diǎn)稱(chēng)為一 個(gè)立體像點(diǎn)，一個(gè)影像組內(nèi)的立體像點(diǎn)應(yīng)分布均勻； (2) 在三維模型上選取立體像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)； (3) 在一個(gè)影像組內(nèi)，選取另一個(gè)影像組的立體像點(diǎn)的對(duì)應(yīng)立體像點(diǎn)，所有的選取方法 不限于手動(dòng)選取、半自動(dòng)選取或者自動(dòng)選取； 其中，影像組與三維模型之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)、影像組與影像組之間的對(duì)應(yīng)立體像點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為 立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，其特征在于：步驟E 中，具體步驟包括， (4) 利用初始參數(shù)和立體像點(diǎn)，通過(guò)前方交會(huì)解算出同一個(gè)影像組內(nèi)的立體點(diǎn)； (5) 如果一組影像組與三維模型之間的立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)量大于等于3個(gè)，則通過(guò)絕對(duì)定 向解算出該影像組與三維模型的配準(zhǔn)參數(shù)的初值； (6) 重復(fù)步驟（5)直到所有與三維模型的立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)量大于等于3個(gè)的影像組都解 算出了配準(zhǔn)參數(shù)的初值，得到配準(zhǔn)參數(shù)初值的影像組稱(chēng)為已配準(zhǔn)影像組，否則稱(chēng)為未配準(zhǔn) 影像組； (7) 如果一個(gè)未配準(zhǔn)影像組與一個(gè)已配準(zhǔn)影像組之間的立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)量大于等于3 個(gè)，則通過(guò)絕對(duì)定向解算出該未配準(zhǔn)影像組的配準(zhǔn)參數(shù)的初值； (8) 重復(fù)步驟（5)直到所有與一個(gè)已配準(zhǔn)影像組之間的立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)量大于等于3個(gè) 未配準(zhǔn)影像組都解算出配準(zhǔn)參數(shù)的初值； (9) 如果仍然存在未配準(zhǔn)影像組，則繼續(xù)選取立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)，直到數(shù)量足夠?yàn)橹?，如果?存在未配準(zhǔn)影像組，則結(jié)束。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，其特征在于：配準(zhǔn) 參數(shù)的最小二乘解算方法包括， (10) 對(duì)所有的立體對(duì)應(yīng)點(diǎn)，結(jié)合配準(zhǔn)參數(shù)的初值，列線(xiàn)性化的誤差方程； (11) 對(duì)誤差方程法化，并求解配準(zhǔn)參數(shù)的改正數(shù)； (12) 將改正數(shù)附加到配準(zhǔn)參數(shù)的初值上； (13) 返回步驟（10)，直到配準(zhǔn)參數(shù)的改正數(shù)都小于某一限定值，得到配準(zhǔn)參數(shù)的精確 值。
5.如權(quán)利要求1所述的一種多視影像與三維模型的快速配準(zhǔn)方法，其特征在于： 步驟A中照片數(shù)量為10至20張；步驟B中以2至4種擺放姿勢(shì)。
【文檔編號(hào)】G01C11/08GK104048649SQ201310084681
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】鄭順義 申請(qǐng)人:南京中觀軟件技術(shù)有限公司