虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法。將虛擬三維模型與立體正射模型融合，可對(duì)二者同時(shí)進(jìn)行表達(dá)和操作。本發(fā)明確定虛擬三維模型的空間坐標(biāo)和姿態(tài)，計(jì)算其落入立體正射模型的像對(duì)區(qū)域，模擬拍攝并制作虛擬三維模型的左右影像；由左影像經(jīng)正射糾正制作虛擬三維模型的正射影像，鑲嵌到原立體正射模型的正射影像中，形成最終融合模型的正射影像；由右影像制作虛擬三維模型的輔助立體正射影像，并鑲嵌到原立體正射模型的輔助立體正射影像中，形成最終融合模型的輔助立體正射正射影像。本發(fā)明將虛擬建造的三維模型對(duì)象按指定的姿態(tài)放置到立體正射模型中的指定位置，達(dá)到虛擬的三維模型在真實(shí)感的立體正射模型場(chǎng)景中表達(dá)和操作的效果。
【專利說(shuō)明】虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測(cè)繪科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]立體正射影像模型，是由正射影像和立體匹配影像(或稱輔助立體影像)構(gòu)成的模型。在立體顯示設(shè)備下，該模型能完整的展示真實(shí)的地面景觀，是一種三維的真實(shí)感場(chǎng)景模型。在該立體模型上，可進(jìn)行地物空間信息的量測(cè)。立體正射模型體現(xiàn)的是真實(shí)存在的地表現(xiàn)狀，目前尚無(wú)將模擬工程建設(shè)的虛擬模型表現(xiàn)在此真實(shí)景觀中的技術(shù)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法，可將虛擬建造的三維模型對(duì)象按指定的姿態(tài)放置到立體正射模型中的指定位置，達(dá)到虛擬的三維模型在真實(shí)感的立體正射模型場(chǎng)景中表達(dá)和操作的效果。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法，其特征在于:
由以下步驟實(shí)現(xiàn):
步驟一:在虛擬三維空間中將虛擬三維模型放置到三維空間坐標(biāo)位置，并通過(guò)給出繞X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角調(diào)整好姿態(tài)；
步驟二:計(jì)算虛擬三維模型的位置落入立體正射模型的哪個(gè)立體像對(duì)區(qū)域中，分別在立體像對(duì)區(qū)域記錄的左片投影中心位置和右片投影中心位置，對(duì)虛擬三維模型進(jìn)行模擬拍攝，制作虛擬三維模型的左影像和右影像；
步驟三:由虛擬三維模型的左影像和數(shù)字高程模型，經(jīng)正射糾正制作虛擬三維模型的正射影像，并將虛擬模型的正射影像鑲嵌到原立體正射模型的正射影像中，形成最終融合模型的正射影像；
步驟四:由虛擬三維模型的右影像制作虛擬三維模型的輔助立體正射影像，并將該輔助立體正射影像鑲嵌到原立體正射模型的輔助立體正射影像中，形成最終融合模型的輔助立體正射正射影像。
[0005]步驟二中，對(duì)虛擬三維模型進(jìn)行模擬拍攝，制作虛擬模型的左影像和右影像的具體過(guò)程，由以下步驟實(shí)現(xiàn):
(1)讀取立體像對(duì)左影像的拍攝參數(shù)，包括焦距、投影中心位置；在三維渲染引擎中模擬一個(gè)同樣焦距的相機(jī)放置到左影像投影中心坐標(biāo)位置，拍攝姿態(tài)朝向Z軸負(fù)方向，繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角取O ;
(2)根據(jù)虛擬三維模型的空間位置，計(jì)算模擬相機(jī)拍攝的視場(chǎng)角范圍，并在該范圍內(nèi)渲染虛擬三維模型，得到虛擬三維模型的左影像；
(3)讀取立體像對(duì)右影像的拍攝參數(shù)，以第(1)、(2)步同樣的方法制作虛擬三維模型的右影像。
[0006]步驟四中，制作虛擬三維模型的輔助立體正射影像及融合由以下步驟實(shí)現(xiàn):
(O由虛擬三維模型所在的空間位置，讀取所在像對(duì)參數(shù)，包括左片投影中心坐標(biāo)、基線長(zhǎng)度、基線方位角；
(2)首先由虛擬三維模型的右影像的邊界確定該模型輔助立體正射影像的邊界，然后對(duì)邊界范圍內(nèi)的各像點(diǎn)根據(jù)像對(duì)參數(shù)計(jì)算其輔助視差投影方程；
(3)將輔助視差投影的投影線與DEM的交點(diǎn)作為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)，按共線方程確定地面點(diǎn)坐標(biāo)與右影像像面點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，從而得到輔助立體正射影像各像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的右影像像面點(diǎn)坐標(biāo)；
(4)按此坐標(biāo)在右片上進(jìn)行灰度重采樣，并將該灰度值賦到對(duì)應(yīng)的輔助立體正射影像像點(diǎn)位置；對(duì)邊界內(nèi)所有的點(diǎn)進(jìn)行采樣后得到虛擬三維模型的輔助立體正射影像。
[0007]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在立體正射影像模型上虛擬三維模型的放置，將真實(shí)的三維地形信息與虛擬的三維模型信息同時(shí)顯示和表達(dá)出來(lái)。利用本發(fā)明可在立體真實(shí)的場(chǎng)景中進(jìn)行公路、鐵路、電力塔桿、電廠等建筑物的虛擬建造，判斷構(gòu)筑物與周邊環(huán)境的關(guān)系，并可對(duì)周邊地物進(jìn)行高精度的量測(cè)和信息采集。對(duì)電力、城市規(guī)劃、建筑環(huán)評(píng)、公路和鐵路設(shè)計(jì)等有極為重要的意義和使用價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0008]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0009]本發(fā)明所涉及的虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法，對(duì)虛擬三維模型按照航空攝影的參數(shù)進(jìn)行模擬拍攝，產(chǎn)生虛擬模型的模擬照片，然后采用正射立體像對(duì)的制作方法，制作虛擬模型的立體正射影像，并將立體正射影像融合到立體正射三維模型中。
[0010]本發(fā)明即是要將虛擬三維模型與立體正射模型融合，將虛擬三維模型在立體正射模型環(huán)境中表達(dá)和操作，達(dá)到在立體正射模型中虛擬工程建造的效果。本項(xiàng)發(fā)明可應(yīng)用于建筑、鐵路、公路、電力等行業(yè)的工程選址、施工設(shè)計(jì)、工程環(huán)境評(píng)價(jià)等方面。
[0011]具體由以下步驟實(shí)現(xiàn):
步驟一:確定虛擬三維模型放置的空間坐標(biāo)位置和姿態(tài)；
步驟二:計(jì)算虛擬三維模型空間坐標(biāo)位置落入立體正射影像模型的哪個(gè)立體像對(duì)區(qū)域中。分別在立體像對(duì)區(qū)域記錄的左片投影中心位置和右片投影中心位置，對(duì)虛擬的三維模型進(jìn)行模擬拍攝，制作虛擬模型的左影像和右影像:
(I)讀取立體像對(duì)左影像的拍攝參數(shù)，包括焦距、投影中心位置。在三維渲染引擎中模擬一個(gè)同樣焦距的攝像機(jī)放置到左影像投影中心坐標(biāo)位置，拍攝姿態(tài)朝向Z軸負(fù)方向，繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角取O。
[0012](2)根據(jù)虛擬三維模型的空間位置，計(jì)算模擬相機(jī)拍攝的視場(chǎng)角范圍，并在該范圍內(nèi)渲染虛擬三維模型，得到虛擬三維模型的左影像。
[0013](3)讀取立體像對(duì)右影像的拍攝參數(shù)，以第(1)、(2)步同樣的方法制作虛擬三維模型的右影像。
[0014]步驟三:通過(guò)步驟二得到的虛擬三維模型的左影像和數(shù)字高程模型，經(jīng)正射糾正制作虛擬三維模型的正射影像。正射影像的生成采用數(shù)字微分糾正算法，算法原理及流程見(jiàn)《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)》(張祖勛、張建清武漢大學(xué)出版社1997)。將生成的正射影像與原立體正射模型的正射影像按坐標(biāo)進(jìn)行鑲嵌，形成最終融合模型的正射影像。
[0015]步驟四:通過(guò)步驟二得到的虛擬三維模型的右影像，制作虛擬三維模型的輔助立體正射影像:
(O由虛擬三維模型所在的空間位置，讀取所在像對(duì)參數(shù)，包括左片投影中心坐標(biāo)、基線長(zhǎng)度、基線方位角；
(2)由虛擬三維模型的右影像的邊界確定該模型輔助立體正射影像的邊界，然后對(duì)邊界范圍內(nèi)的各像點(diǎn)根據(jù)像對(duì)參數(shù)計(jì)算其輔助視差投影方程； (3)將輔助視差投影的投影線與DEM的交點(diǎn)作為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)，按共線方程確定地面點(diǎn)坐標(biāo)與右影像像面點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，從而得到輔助立體正射影像各像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的右影像像面點(diǎn)坐標(biāo)；
(4)按此坐標(biāo)在右片上進(jìn)行灰度重采樣，并將該灰度值賦到對(duì)應(yīng)的輔助立體正射影像像點(diǎn)位置；對(duì)邊界內(nèi)所有的點(diǎn)進(jìn)行采樣后得到虛擬三維模型的輔助立體正射影像。
[0016]具體計(jì)算過(guò)程如下:
(O由虛擬三維模型所在的空間位置，讀取所在像對(duì)參數(shù)，包括左片投影中心坐標(biāo)、基線長(zhǎng)度、基線方位角。
[0017](2)計(jì)算虛擬三維模型右影像在立體匹配影像中對(duì)應(yīng)的多邊形區(qū)域，作為采樣目標(biāo)區(qū)域。然后在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，逐點(diǎn)計(jì)算該點(diǎn)投影到DEM的地面點(diǎn)坐標(biāo)，投影計(jì)算必須采用與原立體正射影像模型相同的投影方法，一般采用斜平行投影方法或?qū)?shù)投影法，原理及過(guò)程參見(jiàn)解析攝影測(cè)量學(xué)(李德仁、鄭肇葆測(cè)繪出版社1992)。
[0018](3)在DEM中按該點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的地面坐標(biāo)內(nèi)插出高程，并以簡(jiǎn)化的共線方程計(jì)算該目標(biāo)點(diǎn)在原虛擬三維模型右影像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)。簡(jiǎn)化的共線方程是指不帶旋轉(zhuǎn)且像主點(diǎn)坐標(biāo)為零的共線方程，方程如下:.X X1
X— -J --
ZZ
7 7⑴
y Z Zi
(I)式中，f為焦距，(疋，ζ,乙)為攝影中心點(diǎn)坐標(biāo)，(I:乃為地面點(diǎn)坐標(biāo)，(X，Y)為虛擬三維模型右影像的像平面坐標(biāo)。
[0019](4)根據(jù)各目標(biāo)點(diǎn)在虛擬三維模型右影像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)，內(nèi)插出該點(diǎn)灰度值，賦與目標(biāo)點(diǎn)，虛擬模型的輔助立體影像制作完畢；
(5)將生成的輔助立體正射影像與原立體正射模型的輔助立體正射影像按坐標(biāo)進(jìn)行鑲嵌，形成最終融合輔助立體正射正射影像。
[0020]在上述方法中，采用無(wú)旋轉(zhuǎn)角的拍攝方式，簡(jiǎn)化正射影像和輔助立體正射影像制作的計(jì)算復(fù)雜度。
[0021]本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)閱讀本發(fā)明說(shuō)明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法，其特征在于: 由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一:在虛擬三維空間中將虛擬三維模型放置到三維空間坐標(biāo)位置，并通過(guò)給出繞X軸、Y軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)角調(diào)整好姿態(tài)； 步驟二:計(jì)算虛擬三維模型的位置落入立體正射模型的哪個(gè)立體像對(duì)區(qū)域中，分別在立體像對(duì)區(qū)域記錄的左片投影中心位置和右片投影中心位置，對(duì)虛擬三維模型進(jìn)行模擬拍攝，制作虛擬三維模型的左影像和右影像； 步驟三:由虛擬三維模型的左影像和數(shù)字高程模型，經(jīng)正射糾正制作虛擬三維模型的正射影像，并將虛擬模型的正射影像鑲嵌到原立體正射模型的正射影像中，形成最終融合模型的正射影像； 步驟四:由虛擬三維模型的右影像制作虛擬三維模型的輔助立體正射影像，并將該輔助立體正射影像鑲嵌到原立體正射模型的輔助立體正射影像中，形成最終融合模型的輔助立體正射正射影像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法，其特征在于: 步驟二中，對(duì)虛擬三維模型進(jìn)行模擬拍攝，制作虛擬模型的左影像和右影像的具體過(guò)程，由以下步驟實(shí)現(xiàn): (1)讀取立體像對(duì)左影像的拍攝參數(shù)，包括焦距、投影中心位置；在三維渲染引擎中模擬一個(gè)同樣焦距的相機(jī)放置到左影像投影中心坐標(biāo)位置，拍攝姿態(tài)朝向Z軸負(fù)方向，繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角取O ; (2)根據(jù)虛擬三維模型的空間位置，計(jì)算模擬相機(jī)拍攝的視場(chǎng)角范圍，并在該范圍內(nèi)渲染虛擬三維模型，得到虛擬三維模型的左影像； (3)讀取立體像對(duì)右影像的拍攝參數(shù)，以第(1)、(2)步同樣的方法制作虛擬三維模型的右影像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虛擬三維模型與立體正射模型的融合方法，其特征在于: 步驟四中，制作虛擬三維模型的輔助立體正射影像及融合由以下步驟實(shí)現(xiàn): (O由虛擬三維模型所在的空間位置，讀取所在像對(duì)參數(shù)，包括左片投影中心坐標(biāo)、基線長(zhǎng)度、基線方位角； (2)首先由虛擬三維模型的右影像的邊界確定該模型輔助立體正射影像的邊界，然后對(duì)邊界范圍內(nèi)的各像點(diǎn)根據(jù)像對(duì)參數(shù)計(jì)算其輔助視差投影方程； (3)將輔助視差投影的投影線與DEM的交點(diǎn)作為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)，按共線方程確定地面點(diǎn)坐標(biāo)與右影像像面點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，從而得到輔助立體正射影像各像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的右影像像面點(diǎn)坐標(biāo)； (4)按此坐標(biāo)在右片上進(jìn)行灰度重采樣，并將該灰度值賦到對(duì)應(yīng)的輔助立體正射影像像點(diǎn)位置；對(duì)邊界內(nèi)所有的點(diǎn)進(jìn)行采樣后得到虛擬三維模型的輔助立體正射影像。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK103632393SQ201310612652
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】王爭(zhēng)鳴, 任曉春, 王瑋, 張劍, 劉鵬, 張小華, 孫煒, 郭笑非 申請(qǐng)人:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司