基于PhotoModeler的影像3D重建

基于PhotoModeler的影像3D重建

陈越锋

新疆煤田灭火工程局新疆乌鲁木齐830063

摘要：针对近景数码影像的三维重建问题，本文介绍了一种基于数字摄影测量PhotoModeler软件的可量测三维重建技术。以非量测型数码相机采集多视角影像，采用二维平面格网完成数码相机检校，通过手工交互式方式实现特征提取、影像匹配等处理，进而建立起目标物体的可量测三维模型，该模型为后续的三维漫游和量测等提供基础数据。

关键词：相机检校正；PhotoModeler；数字摄影测量；可量测；3D模型

1、引言

随着城市化与信息化的不断推进，数字城市被广泛用于城市规划、三维导航、景观设计等各项领域，其能够提供强大的可视化表现以及决策支持。三维模型作为数字城市中重要的框架数据，其重建工作长久以来受到了广泛而深入的研究。摄影测量计算机视觉方法作为获取物体三维模型的重要手段，其主要依靠同名影像间立体匹配的方法获取影像间的对应性关系，从而实现从多张二维影像中恢复目标地物表面的三维信息的目的。由于从二维影像获取目标地物三维信息过程本身的病态性，及遮挡、噪声等问题的存在，匹配点云的质量相对于激光数据仍有不足。目前，基于光学影像的自动化重建的结果大部分仍停留在三维网格的形式，完全自动化生成的矢量模型无论是质量还是复杂性都有待提高，实际生产过程中仍然需要大量的人工编辑。与此同时，采用CAD、3Dmax、SketchUp等三维建模软件可直接制作出较逼真的三维模型，但是难以满足精度的要求。

基于此，本文介绍了一种基于数字摄影基本原理的影像3D建模方法。该方法采用普通数码相机对目标物体进行摄影以获取其数字影像，以经过编辑预处理（如平滑去噪、对比度增强等）后的影像为基础数据源，利用检校好的相机参数和交互式选择的特征为先验指导，从而自动实现影像特征匹配，进而快速完成具有可量测功能的3D数字模型。

2、基于影像的3D重建

基于影像的数字摄影测量的三维重建，包括实景目标（布设有相对控制信息）影像数据的获取及预处理、相机检校、同名特征的提取及匹配和目标三维点数据流的生成，三维重建及纹理粘贴等步骤。其实现流程为：目标影像获取→影像预处理→相机检校→特征提取→特征匹配→三维重建→量测及输出。

2.1、影像采集及处理

在基于影像的建模处理中，其作为一种基本的测量信息载体，是影像特征提取与影像匹配的基本前提和基础。采集记录并处理测量对象的数字影像或者数字影像序列，并开展基于采集到的影像的识别、提取、匹配、跟踪及精确定位等处理是后续三维建模的关键环节之一。传统摄影测量采用的相机一般为昂贵的专用量测相机，其成本与代价高，难以应用于普通项目中。本文采用当前广泛应用的普通数码相机（NIKONCOOLPIXS3）进行拍照以获得影像数据，利用AdobePhotoshop对物体影像进行平滑去噪、影像增强等预处理。影像数据获取及预处理作业流程为：影像采集→编辑预处理→平滑及去噪→影像增强→保存输出。

2.2、相机平面检校

3D重建的基本任务是从数码相机获取的影像数据计算三维空间中物体的几何信息，进而重建和识别物体。为了从数字影像提取感兴趣的几何信息，必须建立起数字影像中每一个像元与被摄物体表面相应的点之间的数学几何关系。这种基本关系由相机成像的几何模型所决定，而该几何模型的相关几何参数（即相机参数）需要通过实验与计算精确的确定，这个过程通常称作相机检校。相机检校理论上可归结为在一定的约束条件下解算相机内方位元素以及畸变参数的问题；其最终的目标是要恢复每张影像元素的正确位置姿态，即通过内方位元素恢复出摄影中心与像片间的相对位置关系。因此，为了恢复正确的成像时的基本几何关系，必须知道数码相机的内方位元素和镜头的几何畸变（径向、切向）参数。

为了确定物方三维空间坐标系与二维影像坐标系之间的变换关系，本文采用摄影测量计算视觉中广泛应用的平面模板相机检校法（张正友法）进行相机的检校标定。该方法相机在两个以上不同方位拍摄一个平面模板的影像，最终基于旋转矩阵的正交性条件及非线性最优化的基本原理从而实现相机的检校，其具有简单方便，成本低，稳定性好的特点。采集检校影像时，需要从四个不同的方向分别摄影。为了保证求解的稳定性和精度，采集影像时可以在每个方向上拍摄三个不同的角度。第一组照片采用正拍，第二组向右旋转90度角度拍摄，第三组向左转90度角，同时拍摄时要求将四个控制点全部拍摄到。将所得到的影像导入PhotoModeler下，经过光束法平差自动处理以后得到的相机检校结果如下表1所示。

检校参数中，Xp，Yp为像主点坐标，F为相机焦距，Fw、Fh分别为像元的宽度与高度，K1、K2分别为一阶、二阶径向畸变系数，P1、P2为一阶、二阶切向畸变系数。

2.3、可量测三维重建

基于PhotoMoeler的影像建模（PM建模），需要对待建立模型的任何一个对象都需要至少两张不同角度的照片，较好的处理是拍摄的照片要围绕拍摄对象一周，且每一张照片和上一张照片有较大的重叠度。PM建模适合结构比较规则，容易找到同名点的对象，如结构简单的建筑；与此同时，其融合了“摄影测量”和“三维建模”相互独立的工作环节，从而能更快地获取3D模型。基于PM建模的作业流程简要概括如下：

（1）将检校好的相机参数保存为配置文件，并将重建目标的数字影像一起保存于工程目录下。

（2）任意选取一对具有重叠的影像立体像对，手工选择同名点或线，建立起立体像对间的相对位置关系。

（3）目标对象的其他特征点或线，可以根据建立起的核线几何关系进行自动的匹配。

（4）设置几何控制约束，利用PM摄影测量模块完成光束法平差，获得目标点的精确3D数据流。

（6）平差后的目标模型，可以根据相对几何关系自动进行纹理的映射贴图，完成具有纹理的3D模型生成，该模型可以输入到AutoCAD等软件中开展后续的量测等相关处理。

3、实验与结果

采用本文介绍的影像建模方法，通过非量测型数码相机获取的影像目标的序列影像，基于交互式的获取影像同名特征的提取及匹配，进而通过光束法平差自动获得目标对象的可量测三维实景模型，同时可以进行真实纹理图粘贴显示处理等。

4、总结

本文介绍了一种基于影像的数字摄影测量方法。该方法以交互式选择的特征为先验指导，自动实现影像特征匹配，进而完成可量测的3D模型的生成；可以为快速而高精度的获取3D模型数据提供了一种新的途径。同时，将普通数码相机应用于摄影测量计算机视觉中，为单体建筑物、工业零部件等三维模型数据的获取与建模提供了快速、廉价且可操作的方法。

参考文献

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[3].赖玲莉，许妙忠，李明.基于摄影测量的高精度三维城市建筑物建模技术[J].测绘信息与工程，2007（05）：24-27.