專利名稱：：基于立體像對的一種三維建筑物快速建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種基于立體像對的三維建筑物快速建模方法。適合于航空影像中典型目標(biāo)(如建筑物)的三維建模，成像源是可見光。
背景技術(shù)：
：隨著信息科技的發(fā)展，對三維建筑物建模和實(shí)現(xiàn)城市虛擬現(xiàn)實(shí)的需求越來越多。三維虛擬建筑物的實(shí)現(xiàn)將對計(jì)算機(jī)科學(xué)以及地球信息科學(xué)等諸多領(lǐng)域的前景產(chǎn)生前所未有的巨大影響，如三維虛擬城市、機(jī)器人智能導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、車輛輔助駕駛、建筑模擬展示、飛行模擬、交互式游戲、醫(yī)療模擬、虛擬購物、虛擬博物館和虛擬藝術(shù)陳列館等。目前三維建模大致有如下三種解決辦法，但仍存在很多問題。方法l:直接使用三維制作軟件，比如計(jì)算機(jī)輔助繪圖設(shè)計(jì)軟件(AUTOCAD)、三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件(3DMAX)等建模，這種方法能逼真地表示城市的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，基本上能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的31(沉浸、交互、構(gòu)想)的要求。特別是對于那些自然物(如樹木)和不規(guī)則的建筑物(如涼亭、拱頂、圓頂、路燈、橋等)等效果會(huì)比較好，但對于大范圍的區(qū)域，如果每個(gè)模型都這樣建立，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也不經(jīng)濟(jì)。方法2:直接利用傳統(tǒng)GIS的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的高度屬性進(jìn)行三維建模，各建筑物表面還可以加上相應(yīng)的紋理，但采用此種方法只局限于較規(guī)則建筑物的三維建模。方法3:利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)進(jìn)行全自動(dòng)三維建模，這種方法具有自動(dòng)化程度高、建模速度快、易于實(shí)時(shí)更新等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，建模誤差較大。針對以往三維建模算法的缺陷，采用基于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的半自動(dòng)三維建模算法，能有效地實(shí)現(xiàn)速度和逼真度的兼顧。特別是對于一些僅需小范圍的典型目標(biāo)的建模場合，例如制導(dǎo)時(shí)的目標(biāo)區(qū)域，采用該方法進(jìn)行建模不失為一種簡單而有效的方法。
發(fā)明內(nèi)容為避免現(xiàn)有三維建模算法的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的半自動(dòng)三維建模算法。三維建模所需的高精度三維信息通過航空立體像對用圖像處理和數(shù)字?jǐn)z影測量的方法來獲取。一種基于立體像對的三維建筑物的建模方法，其特征在于首先按照順時(shí)針或者逆時(shí)針方向依次在左航空影像和右航空影像中提取建筑物的角點(diǎn)；然后根據(jù)近似點(diǎn)位對提取的建筑物的角點(diǎn)位置糾正；接著對影像進(jìn)行自動(dòng)定向，最后按照自動(dòng)定向的結(jié)果迸行三維坐標(biāo)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果利用OPENGL工具來實(shí)現(xiàn)在屏幕上的三維顯示和多角度觀察；所述的建筑物角點(diǎn)是相鄰的兩個(gè)角點(diǎn)相連，最后一個(gè)角點(diǎn)和第一個(gè)角點(diǎn)相連；所述的角點(diǎn)位置糾正的具體步驟如下首先提取出的角點(diǎn)為1，2，…，^，角點(diǎn)位置糾正時(shí)提取的角點(diǎn)為"》，…'似，如果角點(diǎn)z'(""…，^)和角點(diǎn)力'-a》，…，M)之間的距離小于3個(gè)像素，則將角點(diǎn)7的位置賦給角點(diǎn)"所述的影像自動(dòng)定向包括內(nèi)定向和相對定向。所述的影像自動(dòng)定向所需的同名點(diǎn)對通過相關(guān)匹配和松弛法迭代左右圖上的Harris角點(diǎn)來得到。所述的模型三維顯示及多角度觀察利用OPENGL工具來實(shí)現(xiàn)的步驟是首先按照透視投影的原理，將三維坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的映射變換后在屏幕上將三維模型顯示出來，再將提供的紋理圖片依據(jù)像素坐標(biāo)信息與三維模型對應(yīng)起來建立精確的紋理映射，然后在該包含紋理信息的三維模型基礎(chǔ)上添加鼠標(biāo)和鍵盤的互動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)多角度的觀察。本發(fā)明具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)一、算法簡單有效。由于航空影像獲取的便捷性、高效性和高信息容納性，用攝影測量的方法從大比例尺航空影像獲取建筑物的三維幾何信息和表面的紋理，是實(shí)現(xiàn)三維建筑物建模的有效途徑之一。由于視覺計(jì)算理論、硬件水平的限制以及影像數(shù)據(jù)的復(fù)雜性等原因，從航空影像自動(dòng)提取建筑物的研究成果己有很多，但至今尚沒有適合于任何比例尺和影像質(zhì)量，適合于任何類型的建筑物的實(shí)用方法。二、可實(shí)現(xiàn)速度和逼真度的兼顧。由于算法簡單，僅提取建筑物的角點(diǎn)，所以速度很快。圖l:基于立體像對的三維建筑物快速建模流程圖圖2:航空立體像對的輸入圖3:部分建筑物的三維模型(粘貼紋理后)圖4:部分建筑物的三維模型(骨線結(jié)構(gòu)圖)具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述用于實(shí)施的硬件環(huán)境是Pentium-43G計(jì)算機(jī)、1GB內(nèi)存、128M顯卡，運(yùn)行的軟件環(huán)境是VC十+6.0和WindowsXP。我們用￥0++程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明提出的方法。圖像數(shù)據(jù)采用航空立體像對(西安城區(qū)圖)。本發(fā)明的基本思想是為了完成建筑物的三維建模，所需的高精度三維信息，可以通過航空立體像對用圖像處理和數(shù)字?jǐn)z影測量的方法來獲取。假設(shè)建筑物的墻壁是垂直的，那么可以通過提取圖像長邊界的角點(diǎn)來完成建筑物的重建。這些角點(diǎn)按照一定的順序相連接組成一個(gè)封閉區(qū)域，可近似視為建筑物的頂部輪廓。將建筑物頂部的角點(diǎn)映射到地面上，這些映射到地面上的角點(diǎn)和對應(yīng)的頂部角點(diǎn)相連接就組成了建筑物的側(cè)面輪廓。首先按照一定順序(順時(shí)針或者逆時(shí)針方向)依次在左航空影像和右航空影像中提取建筑物的角點(diǎn)，并對提取出的建筑物的角點(diǎn)位置進(jìn)行糾正，接著對影像進(jìn)行自動(dòng)定向，最后按照自動(dòng)定向的結(jié)果進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果利用OPENGL工具來實(shí)現(xiàn)在屏幕上的三維顯示和多角度觀察。影像的定向主要包括內(nèi)定向和相對定向，內(nèi)定向的目的就是確定掃描坐標(biāo)系與像平面坐標(biāo)系之間的關(guān)系以及數(shù)字影像可能存在的變形。相對定向的目的就是恢復(fù)兩幅影像在空中成像時(shí)的相對方位，建立被攝物體的幾何模型。按照影像自動(dòng)定向的結(jié)果進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算。利用OPENGL工具實(shí)現(xiàn)屏幕上的三維顯示和多角度觀察。首先按照透視投影的原理，將三維坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的映射變換后在屏幕上將三維模型顯示出來，再將提供的紋理圖片依據(jù)像素坐標(biāo)信息與三維模型對應(yīng)起來建立精確的紋理映射，實(shí)現(xiàn)多角度的觀察。本發(fā)明具體實(shí)施如下'1、航空立體像對的輸入輸入航空立體像對(左航空影像和右航空影像)。2、第一次角點(diǎn)提取首先在左圖上按照順時(shí)針(或者逆時(shí)針)方向提取第l個(gè)建筑物上的角點(diǎn)，并對這些角點(diǎn)的個(gè)數(shù)和像素位置進(jìn)行存儲(chǔ)，默認(rèn)為相鄰的兩個(gè)角點(diǎn)相連，最后一個(gè)角點(diǎn)和第一個(gè)角點(diǎn)相連。接著在右圖上按照相同方法進(jìn)行提取同一建筑物上的角點(diǎn)。然后按照類似方法依次提取其余建筑物上的角點(diǎn)。建筑物的個(gè)數(shù)、標(biāo)識(shí)符和節(jié)點(diǎn)號(hào)都進(jìn)行了存儲(chǔ)。3、角點(diǎn)位置糾正對于僅靠一次提取出的建筑物角點(diǎn)位置和實(shí)際位置有一定的偏差，這對于三維坐標(biāo)的計(jì)算結(jié)果有一定的影響。根據(jù)近似點(diǎn)位對角點(diǎn)位置進(jìn)行糾正。具體方法為第二次提取圖像上的角點(diǎn)，假定第一次提取出的角點(diǎn)為l,2,…,iV，而第二次提取的角點(diǎn)為a,6,...,M，如果角點(diǎn)/(z'=1,2,…,A0和角點(diǎn)JO'=",6,…,M)之間的距離小于3個(gè)像素，則將角點(diǎn)7的位置賦給角點(diǎn)"這樣就實(shí)現(xiàn)了建筑物角點(diǎn)位置的糾正，角點(diǎn)位置也更接近于真實(shí)值。提取的角點(diǎn)為圖像的Harris角點(diǎn)。系統(tǒng)中閾值的設(shè)定可根絕實(shí)際需要進(jìn)行更改，當(dāng)閾值大時(shí)，提取的Harris角點(diǎn)數(shù)目少，反之則多。閾值的設(shè)定力求提取出的Harris角點(diǎn)能覆蓋大多數(shù)的人機(jī)交互方法提取出的建筑物角點(diǎn)。4、圖像匹配自動(dòng)定向的關(guān)鍵是自動(dòng)識(shí)別定向所需要的同名點(diǎn)對，可以利用圖像匹配來識(shí)別足夠多的同名點(diǎn)，使得相對定向達(dá)到高精度。通過相關(guān)匹配和松弛法迭代左右圖上的Harris角點(diǎn)得到用于影像定向的同名點(diǎn)對。5、影像定向影像的定向主要包括內(nèi)定向和相對定向。內(nèi)定向的目的就是確定掃描坐標(biāo)系與像平面坐標(biāo)系之間的關(guān)系以及數(shù)字影像可能存在的變形。相對定向的目的就是恢復(fù)兩幅影像在空中成像時(shí)的相對方位，建立被攝物體的幾何模型。6、三維模型坐標(biāo)計(jì)算根據(jù)模型坐標(biāo)計(jì)算公式進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算。連續(xù)相對定向的模型坐標(biāo)計(jì)算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，6=x-;c'，M是攝影比例尺分母;模型顯示利用OPENGL工具實(shí)現(xiàn)屏幕上的三維顯示和多角度觀察。首先按照透視投影的原理，將三維坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的映射變換后在屏幕上將三維模型顯示出來，再將提供的紋理圖片依據(jù)像素坐標(biāo)信息與三維模型對應(yīng)起來建立精確的紋理映射，然后在該包含紋理信息的三維模型基礎(chǔ)上添加鼠標(biāo)和鍵盤的互動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)多角度的觀察。8.三維建模結(jié)果及分析圖2是輸入的航空立體像對，圖3是生成的部分建筑物的三維模型(粘貼紋理后)，圖4是部分建筑物的三維模型(骨線結(jié)構(gòu)圖)。從圖中可以看出，建筑物的位置和形狀和原圖很接近。取其中兩個(gè)建筑物進(jìn)行長、寬、高的分析。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比:表l建筑物一計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2建筑物二計(jì)算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)對比建筑物二長(米)寬(米)高(米)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從上述兩個(gè)建筑物數(shù)據(jù)可以看出，建筑物的長、寬、高和實(shí)際比較符合。其中長和寬的誤差非常小，高度的誤差較大且高度的計(jì)算依賴于控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的糾正。權(quán)利要求1、一種基于立體像對的三維建筑物的建模方法，其特征在于首先按照順時(shí)針或者逆時(shí)針方向依次在左航空影像和右航空影像中提取建筑物的角點(diǎn)；然后根據(jù)近似點(diǎn)位對提取的建筑物的角點(diǎn)位置糾正；接著對影像進(jìn)行自動(dòng)定向，最后按照自動(dòng)定向的結(jié)果進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果利用OPENGL工具來實(shí)現(xiàn)在屏幕上的三維顯示和多角度觀察；所述的建筑物角點(diǎn)是相鄰的兩個(gè)角點(diǎn)相連，最后一個(gè)角點(diǎn)和第一個(gè)角點(diǎn)相連；所述的角點(diǎn)位置糾正的具體步驟如下首先提取出的角點(diǎn)為1，2，…，N，角點(diǎn)位置糾正時(shí)提取的角點(diǎn)為a，b，…，M，如果角點(diǎn)i(i＝1，2，…，N)和角點(diǎn)j(j＝a，b，…，M)之間的距離小于3個(gè)像素，則將角點(diǎn)j的位置賦給角點(diǎn)i。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于立體像對的三維建筑物的建模方法，其特征在于所述的影像自動(dòng)定向包括內(nèi)定向和相對定向。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于立體像對的三維建筑物的建模方法，其特征在于所述的影像自動(dòng)定向所需的同名點(diǎn)對通過相關(guān)匹配和松弛法迭代左右圖上的Harris角點(diǎn)來得到。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于立體像對的三維建筑物的建模方法，其特征在于所述的模型三維顯示及多角度觀察利用OPENGL工具來實(shí)現(xiàn)的步驟是首先按照透視投影的原理，將三維坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的映射變換后在屏幕上將三維模型顯示出來，再將提供的紋理圖片依據(jù)像素坐標(biāo)信息與三維模型對應(yīng)起來建立精確的紋理映射，然后在該包含紋理信息的三維模型基礎(chǔ)上添加鼠標(biāo)和鍵盤的互動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)多角度的觀察。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于立體像對的三維建筑物的建模方法，其特征在于首先按照順時(shí)針或者逆時(shí)針方向依次在左航空影像和右航空影像中提取建筑物的角點(diǎn)；然后根據(jù)近似點(diǎn)位對提取的建筑物的角點(diǎn)位置糾正；接著對影像進(jìn)行自動(dòng)定向，最后按照自動(dòng)定向的結(jié)果進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果利用OPENGL工具來實(shí)現(xiàn)在屏幕上的三維顯示和多角度觀察。本發(fā)明具有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)一、算法簡單有效，是實(shí)現(xiàn)三維建筑物建模的有效途徑之一。二、可實(shí)現(xiàn)速度和逼真度的兼顧。對于提取的角點(diǎn)進(jìn)行了糾正，有效地減小了角點(diǎn)位置誤差，可實(shí)現(xiàn)速度和逼真度的兼顧。文檔編號(hào)G06T17/40GK101286241SQ20081001798公開日2008年10月15日申請日期2008年4月17日優(yōu)先權(quán)日2008年4月17日發(fā)明者程兆廣,趙天云,雷郭申請人:西北工業(yè)大學(xué)