（地图制图学与地理信息工程专业论文）可量测三维虚拟校园建设研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 可量测三维虚拟校园建设研究 地图制图学与地理信息系统 牛伟云 张春森 摘要 ( 签名) ( 签名) 本文采用数字地形建模可量测建筑建模三维场景生成编程生成执行 程序的整体流程，实现西安科技大学临潼校区可量测三维虚拟校园信息系统。 试验综合运用了摄影测量技术、三维建模技术、纹理映射技术实现了以下内容：1 、 航空影像矢量化处理，生成4 d 产品；2 、平面图形的立体化三维建模；3 、实现了数字 地面模型、航片( 纹理) 、建筑模型的叠加、整合再现，生成数字西安科技大学临潼校区 三维数字校园可执行程序。 数字城市建设中，三维建筑物建模是一个重要的研究方向。目前建筑建模一般利用 传统的几何建模方法，这种方法有一定的局限性，即：1 、需要已知建筑的平面形状、 和建筑的高度才能得到建筑模型；2 、在建模时缺乏参考影像，不能保证模型建立的正 确性，并且错误之处只有在数据浏览环境下才能充分地显示出来；3 、人工采集加上人 工建立拓扑关系、人工编辑的建模思路，使得整个建模过程费时费力，效率低下。针对 上述不足，作者采用摄影测量方法，利用普通相机拍摄的照片对建筑进行建模，并且取 得了比较好的结果。 数字城市建设中，三维场景的可量测是另外一个重要的方向，作者利用摄影测量方 法建立的精确建筑模型，在最终生成的数字校园系统中也是可量测的。但是在系统中建 筑模型是作为整体的非矢量数据，由于非矢量数据捕捉的不确定性，造成系统中建筑的 量测没有建立的矢量模型更精确，此问题需进一步研究。 关键词：数字校园；摄影测量；三维建模；图像处理；影像匹配 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho nb u i l d i n go fm e a s u r e a b l et h r e ed i m e n s i o n a l v i r t u a lc a m p u s s p e c i a l t y ：m a pc a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e ：n i uw e i y u n i n s t r u c t o r ：z h a n gc h u n s e n ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h ef l o wo ft h i st h e s i si st e r r ar e b u i l d i n gt ob u i l dm o d e l i n gr e b u i l d i n gt o3 ds c e n e r e b u i l d i n ga n d t h el a s tp r o g r a m m i n gae x e c u t ep r o g r a m ，t h ea i mo ft h i st h e s i si st om a k ea n m e a s u r a b l e3 dv i r t u a lr e a l i t yc a m p u si n f o r m a t i o ns y s t e me x e c u t i v ep r o g r a mo fx i a n u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h i se x a m i n a t i o ni n t e g r a t e sp h o t o g r a m m e t r yt e c h n i q u e ，t h r e e - d i m e n s i o n m o d e l s e t t i n g - u pt e c h n i q u ea n dt e x t u r em a p p i n gt e c h n i q u e w i t ht h eh e l po ft h e s et e c h n i q u e s ，t h e r e s e a r c hh a sr e a l i z e dt h ef o l l o w i n gp u r p o s e s ：1 ，t h ev e c t o rp r o c e s s i n go fa e r i a lp h o t o g r a p h y , m a k e4 dp r o d u c t i o n ；2 ，t h er e b u i l d i n go ft h r e e d i m e n s i o n a lc a m p u sl a n d s c a p eb a s e do np l a n t p i c t u r e s ；3 ，b u i l dt h e3 de x e c u t i v ep r o g r a mo fl i n t o n gc a m p u so fx i a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g yb yi n t e g r a t i n ga n dr e b u i l d i n go fd e m ，t e x t u r e ，a n db u i l dm o d e l i n g i nt h ec o n s t r u c t i o no fd i g i t a lc i t y , t h eb u i l d i n gm o d e lr e b u i l d i n gi sam a i ns t u d ya s p e c t n o w t h e r ei ss o m el o c a l i z a t i o ni nt r a d i t i o n a lm e t h o d ss u c ha sg e o m e t r i cm o d e l i n gw i n c hi su s e di n b u i l dm o d e lr e b u i l d i n g t h el o c a l i z a t i o n sa r e ：1 ，i tn e e d st h ep l a ns h a p ea n dt h eh e i g h to f b u i l d i n gt or e b u i l dt h em o d e l ；2 ，l a c ko fr e f e r e n c ei m a g e si nm o d e l i n g ，s oi tc a nn o tg u a r a n t e e t h ea c c u r a c yo fb u i l d i n gm o d e l ，a n dt h ee r r o ro n l yi nt h ed a t ab r o w s e re n v i r o n m e n tc a l lb e d i s p l a y e df u l l y ；3 ，a r t i f i c i a lc o l l e c t i o n ，a r t i f i c i a le s t a b l i s h m e n to ft o p o l o g i c a lr e l a t i o n sa n d a r t i f i c i a l ，e d i t o r i a lm o d e l i n g i d e a s ，s o t h ee n t i r e m o d e l i n gp r o c e s s l a b o r i o u sa n d t i m e c o n s u m i n g f o rt h es h o r t a g eo ft h ea b o v e ，t h ea u t h o r su s e dp h o t o g r a m m e t r i cm e t h o d s ， u s i n gp h o t o g r a p h st a k i n gb yo r d i n a r yc a m e r at or e b u i l dt h eb u i l d i n gm o d e l ，a n da c h i e v e d r e l a t i v e l yg o o dr e s u l t s i nt h ec o n s t r u c t i o no fd i g i t a lc i t y t h et h r e e d i m e n s i o n a ls c e n eo fm e a s u r e m e n ti sa n o t h e r i m p o r t a n td i r e c t i o n t h ea u t h o rb u i l dt h ee x a c t i t u d em o d e l b u i l d i n gb y p h o t o g r a m m e t r y m e t h o d si sm e a s u r a b l ei nt h ef i n a lt h ed i g i t a lc a m p u ss y s t e m h o w e v e r , b u i l d i n gm o d e l si nt h es y s t e mi saw h o l en o n - v e c t o rd a t a , d u et o t h e u n c e r t a i n t yo fn o n - v e c t o rd a t ac a u s e dt h em o d e li ns y s t e mi sn o ta c c u r a t et h a nt h ev e c t o r m o d e l t h i sp r o b l e mn e e df u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：d i g i t a lc a m p u s p h o t o g r a m m e t r y 3 dm o d e ls e t t i n g u p p i c t u r e sp r o c e s s i n gi m a g er e g i s t r a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 乓料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采j j 影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：) 哮易指导教师弛 、洒牵v j 年月日 1 绪论 1 1 研究背景 l 绪论 1 1 1 计算机技术和地理信息技术的发展 数字地球、数字城市的发展，是建立在计算机技术、网络技术和地理信息技术的长 足发展的基础上的。上个世纪，计算机技术得到了迅速发展，尤其是九十年代以后，计 算机在各大城市得到了普及，网络也随着计算机技术的发展得到长足发展。地理信息技 术从发展相对较晚，但其发展也是相当迅速的，尤其进入2 1 世纪以后，地理信息技术 得到很多行业的认可。地理信息技术能够更好地满足很多行业的需求，近几年地理信息 技术得到了快速发展。这些技术都是数字城市发展的基础。 1 1 2 数字地球战略与数字城市建设乖数字校园的发展 2 1 世纪是知识经济的时代，也是信息化、数字化的时代。自上世纪末戈尔先生首次 提出“数字地球 的概念以来，在全球掀起了一股数字浪潮。 数字地球的概念提出后，很长一段时间人们对他的理解是有争议的，直到现在人们 还在探索数字地球的内涵。 我国摄影测量与遥感专家李德仁院士指出：数字地球的特点是嵌入海量地理数据， 实现多分辨率、三维对地球的描述。中科院地学部主任徐冠华院士认为：“数字地球 不是一个孤立的项目，而是一项整体性的、导向性的国家战略目标。陈述彭院士则提出 “数字地球 是一种全球战略思想心1 。 目前，对数字地球存在不同的理解，但共同接受的一点即：数字地球是数字化、信 息化的虚拟地球，是在计算机技术、网络技术、虚拟现实技术和3 s 技术等技术的支持 下，对全球海量数据进行综合分析、管理和应用的超级系统口1 。它具有以下几个特征：1 、 空间性与全球性；2 、共享性与保密性；3 、动态性与稳定性；4 、可视性与虚拟性。 自“数字地球 的概念提出后，“数字城市 也如雨后春笋，在蓬勃发展，特别是 “城市规划、建设、管理与服务数字化工程 列入国家“十五”重点科技攻关计划后， “数字城市 在全国已经形成一股势不可当的建设浪潮。世界各地争相建立自己的数字 城市或数字区域等，更有数字小区、数字校园等小规模的工程实施建设，并取得一定进 展。 “数字校园可以看作是数字化的、虚拟的、具有g i s 功能的校园，是“数字地球 和“数字城市 的微观表现形式。目前随着“数字技术的发展，有很多单位和公司都 西安科技大学硕士学位论文 在为数字城市做研究，他们的目标可能不是整个城市，而是城市的一个部分，如一个小 区，一个校园等。做好数字小区、数字校园等是做好数字城市乃至数字地球的关键。 1 2 发展状况 1 2 1 数字城市的发展状况 在戈尔发表了数字地球构想的白皮书后不久，美国国家航空航天局( n a s a ) 就作出 了响应，迅速组织成立了数字地球跨部门协调机构( i n t e r a g e n c yd i g i t a le a r t h w o r k i n gg r o u p ) ，以迎接数字地球带来的挑战并担负起领导的责任。同时表示n a s a 的 经费预算将把数字地球列为重点，并在n a s a 的g o d d a r d 中心设立了数字地球计划办公 室( n a s a - d e o ) 。一些有关的联邦机构应邀加入了协调机构，它们主要包括：美国人口 统计局、美国地质调查局、国家海洋与大气局、国家科学基金会、国家环保署、国家影 象制图局、国防部高级研究计划局、联邦地理数据委员会和陆军工程师团体等；其它机 构如：开放地理信息系统联盟( o g c ) 、o h i ov i e w 公司、国家海事局、大学地理信息科 学联盟( u c g i s ) 和科学与工程计算机应用研究所( i c a s e ) 等非政府组织及地理信息企 业也被邀加入了这一联合机构的组织中。目前其工作重点是规划进度、研究参考模型、 建立公共企业合作伙伴关系h 1 。 以下是自9 0 年代后期以来国外已先期进行的、与数字地球有关的项目。这些项目 及执行机构为数字地球的实现发挥了杠杆作用。 1 、内务部地调局国家测绘部( d 0 工一u s g s n m d ) 目前进行的国土制图计划( n m p ) 、 国家空间数据基础设施( n s d i ) 畸1 、美国国家大地图集m 1 、e r o s 数据中心、空间数据转 换标准( s t d s ) 等重大项目。 2 、全球测图计划( g l o b a lm a p p i n gp r o j e c t ) 。； 3 、对地观测计划( e a r t ho b s e r v i n gs y s t e me o s ) ； 4 、国际地球科学信息网联盟( c i e s i n ) 埔1 ； 5 、数字地球信息资源( d e i r ) 呻1 ； 6 、人口普查地图服务( t i g e rm a p p i n gs e r v i c e ) ； 7 、数据可视化走廊( d a t av i s u a l i z a t i o nc o r r i d o r ) ； 8 、数字图书馆计划。 中国在积极参与国际计划，努力为数字地球、数字城市贡献的同时，在国内也积极 发展数字地球、数字中国、数字城市、数字区域等的研究和计划。从1 9 9 8 年开始，陆 续有科技部、北京大学、中国科学院、高技术计划3 0 8 主题等机构牵头组织研讨会、部 门交流会，乃至1 9 9 9 年的国际学术会议。 中国为数字地球发展成立的相关单位及启动的相关项目有： 2 1 绪论 1 9 9 8 年北京大学成立“数字地球工作室； 1 9 9 9 年中国科学院地学部成立“数字地球软课题组”； 2 0 0 0 年北京市提出了“数字北京”建设规划，由首都信息发展股份公司主持，8 6 3 计划3 0 6 、3 0 8 主题提供了技术应用支持； 2 0 0 0 年国家“十五”重大科技攻关项目将“数字城市”项目列入其中，将g i s 软件 产业发展作为中国软件产业发展的首要产业； 2 0 0 2 年国家测绘局代表中国以a 类资格参加了全球测图项目的实施活动，并启动了 数字城市示范项目； 2 0 0 6 年成立了总部设在中国的国际数字地球学会； 2 0 0 7 年中国科学院成立对地观测与数字地球科学中心，该中心由卫星遥感中心、航 空中心量部分组成。 1 2 2 三维g is 概况 随着人类对空间认识的深入，产生了地图一种二维平面表示方法和对空l 日j 的再 现形式。利用地图对现实进行描述和再现一直是人类认识世界的重要手段之一。上个世 纪初由于计算机制图的利用，逐渐产生了地理信息系统。“地图是地理学的第二代语言， 而地理信息系统将成为地理学的第三代语言n0 j 。 地理信息系统脱胎于地图制图，首先继承并表现了地图所具有的二维特性。由于地 图是将三维的空间信息映射为二维的平面信息，不可避免地丢失了大量信息，因而二维 的空间表示方法有一定的局限性。因此，如何构建真实地理世界中的各种地理现象，将 第三维信息更好地表现出来，就成了众多专家及学者越来越关注的问题，也是三维g i s 需要讨论的问题。由于三维g i s 巨大的应用潜力，众多科研机构、高等院校、公司正积 极投身于三维g i s 的开发研究之中。 1 2 3 数字城市取得的成果 最早进入三维g i s 行业，并且比较成功的软件产品是k e y h o l e 和s k y l i n e 。2 0 0 4 年 1 1 月g o o g l e 收购了美国k e y h o l e 公司，2 0 0 5 年6 月底，推出了最受欢迎的桌面工具数 字地球g o o g l ee a r t h 。g o o g l e 把地球放到了每个人的桌面上。让你坐在电脑前，就可 以在名川大山间翱翔，在摩天楼群中俯瞰。目前已经有不少城市在g o o g l ee a r t h 中实 现了3 d 化，如德国的d r e s d e n ( 德累斯顿) ，h a m b u r g ( 汉堡) 、爱尔兰的w e s t p o r t 、美 国的拉斯维加斯和科罗拉多州的b e a v e rc r e e k 等城市。s k y l i n e 是起源于以色列的一家 美国私营高科技公司，其推出的s k y l i n eg l o b e 系列产品在北美、西欧等国家和地区有 相当广泛的应用。除此之外，其他传统二维g i s 产品也或多或少的带有一定的三维功能， 如e s r i 的a r c g l o b e 及a r c s c e n e 。 3 西安科技大学硕士学位论文 在这方面微软走的是不同的路线，他们投资了几百万美元用于世界各城市的航拍。 为了达到良好的视觉效果，他们飞机以固定模式飞行并从四个方向以4 5 度倾斜角拍摄 建筑物。我们可以从v i r t u a le a r t h ( v e ) 的b i r d se y ev i e w s 看到这些照片。这些照片 也被用于自动生成3 d 建筑。目前，v e 中已经有几十个3 d 城市模型。v e 中自动生成的 3 d 模型可能没有g o o g l ee a r t h 中手工制作模型的分辨率高，但是v e 中的3 d 建筑数量 可观。v e 现在不是很流行，但是随着越来越多的城市免费成为3 d 城市、改进操作界面 等措施。将会有越来越多的人使用v e 。 继德国首都柏林成为g o o g l ee a r t h 上首个3 d 城市之后，全球各大城市纷纷建立自 己的3 d 城市，目前，美国将近9 0 的联邦政府机构使用g o o g l ee a r t h 技术，大约有5 0 个城市正在建设数字城市n 1 1 。新加坡也在积极地建设“智能城市”。 国内数字城市的建设也有很大成果，互联网发布的数字城市网站也不少，它们分别 如下。 首先是h t t p ：w w w c i t y 8 t o m 。该网站提供的地图全是三维真实照片，把城市市区 每条街道都照的清清楚楚，可以旋转方向，上下移动，放大缩小，该网站是j a v a 做的。 与g o o g l ee a r t h 不同的是能将风景建筑看的清清楚楚。据说以后会涉及全国各大城市。 另外一个是e 都市的三维城市模拟图h t t p ：w w w e d u s h i c o m 。该网站模拟城市的 三维建筑，每一个建筑都设有一个热链接，通过该连接可以查看详细地址，实地建筑照 片，附近的企业，交通情况等，还可以在网站上添加企业，以及对该网站的信息进行纠 错。 再有广西本土原域名是城市猎人，现更名为城市来了的三维城市模拟图，他的网 址：h t t p ：帆w c i t y l r c o m 。 北京于1 9 9 9 年提出整合首都信息，建立“数字北京”的目标，使北京成为全国信 息中心；深圳则力争成为信息化样板城市；海南已经启动建设“智能化岛屿”为目标的 “数字海南”计划，并且已经初具规模；上海提出建设地区“信息高速公路”和信息化 国际都市的战略计划，到2 0 1 0 年完成“上海信息港”的全面建设。随着城市化进程的 加快，以及数字化建设的日益推广，我国建设部从2 0 0 0 年开始在全国范围内实施“城 市数字化工程”，这将极大地促进我国数字城市的发展与建设。 到2 0 0 8 年，我国已开展了3 0 多个数字城市建设，各地l ：1 0 0 0 0 、1 ：2 0 0 0 、1 ：5 0 0 地形图、基础地理信息数据库覆盖率进一步提高，有力推动了数字中国建设。2 0 0 9 年我 国将开展6 0 到8 0 个数字城市的建设与应用，并以数字城市建设为抓手，加快数字中国 地理空间框架建设n2 j 。 1 3 数字校园与三维数字校园 数字校园是一个很广的概念，而三维数字校园是数字校园的一个方面，其更加侧重 4 1 绪论 对真实世界的三维表达，三维信息+ 基本信息+ 教学信息才构成比较完整的数字校园。本 文研究的侧重点就是研究三维数字校园。 1 4 本文的研究目的与意义 本文的目的就是研究利用摄影测量方法建立可量测的三维数字校园，在三维数字校 园中可以进行数据管理、校园三维景观的浏览( 放大、缩小、漫游) 、信息查询、对象 编辑、空间量测和空间分析等的方法。 以上是对本文研究的数字校园的一个界定，也是本文研究的重点和目的，本文的目 的就是结合三维建模技术、摄影测量技术、组件编程技术进行数字校园的建模试验，并 建立西安科技大学临潼校区的数字校园。 具体的讲就是：在地面景观建模、地面模型建立和组件编程开发的过程中探讨实现 校园景观的三维可视化的理论与方法。首先对规则建筑物采用近景摄影测量建模的理论 和方法，并对校园景观进行建模，形成详细的校园景观模型；其次用航空影像生成数字 高程模型( d e m ) 和数字正射影像图( d o m ) ，建立三维地面模型；再将建立的三维景观 模型与地面模型按照坐标叠加在一起，生成三维场景；最后对其进行组件编程生成三维 数字校园可执行程序。 通过数字校园的研究、试验及建立过程，探讨建设数字校园、数字城市的理论、方 法。数字校园的建立为数字小区、数字区域、数字城市等的建设提供了技术方法和经验 参考依据，这就是本文的研究意义所在。 1 5 本文的内容及试验方案 1 5 1 主要内容 为了建设上述描述的数字校园，需要做好三个方面的工作： l 、对地面景观的三维建模；2 、对地面地形建模；3 、将景观模型和地面模型按坐 标结合生成三维场景；4 、编程实现数据管理、校园三维景观浏览、放大、缩小、漫游、 信息查询、对象编辑、空间量测、空间分析等基本功能。 因此本文的主要内容如下： 1 、介绍研究背景和关键技术； 2 、研究地面及地面景观的建模方法并制定建模方案； 3 、研究普通相机摄影测量方法建立建筑模型的理论和方法；并制作临潼校区可量 测的建筑模型，并对这种新方法的建模结果进行精度评定。 4 、研究空间建模理论，d e m 、d o m 的制作原理制作临潼校区的数字高程模型和数字 j 下射影像； 5 西安科技大学硕士学位论文 5 、研究三维场景的制作理论和方法，并将海量地形数据、影像数据、矢量数据进 行无损高比压缩，将建筑模型与地面模型按坐标组织在一起，生成三维景观； 6 、研究t e r r ad e v e l o p e r ( 以下简称t d ) 与c # 组件编程的方法，校园三维景观浏 览、放大、缩小、漫游、信息查询、对象编辑、空问量测、空间分析等基本功能； 7 、结论与展望。 1 5 2 试验方案 针对上述所要完成的工作，制定以下总体试验方案( 详细内容见下文) ，按照该方 案，完成实验，进而完成论文。 6 2 数字校园建设关键技术 2 数字校园建设关键技术 数字校园遵照数字地球、数字城市的框架体系，但又与它们的建设有所不同。校园 区域面积一般相对较小，建筑、其他设施等景观相对单一，这就在基础数据制作上相对 数字城市降低了工作量。 由第一章内容知数字校园的建设有以下几个方面工作： 1 、地面景观的三维建模。地面景观的建模是目前数字城市建设的难点和重点，因 为没有成熟的地面景观建模方法，数字城市建设的大部分资金需要投入到地面景观的建 设上。本文介绍了一种新的地面景观的建模方法，即摄影测量建模方法。这种方法是基 于普通相机照片，对照片进行特征提取、影像匹配，最终得到建筑的可量测模型，再对 模型进行纹理映射，即可得到真实的建筑模型。 2 、地面地形建模。目前地形建模技术已经非常成熟，且各个地方都有自己的地形 数据。试验区临潼校区的数字地面模型的制作也是基于这种成熟的摄影测量原理。 3 、将景观模型和地面模型按坐标结合生成三维场景，编程实现可执行程序。有效 的将地形数据和地面景观结合起来，开发一些g i s 系统的必备功能。 以上几方面的内容可知数字校园建设的关键技术，也就是上述三部分涉及到的技 术，有三维建模技术、特征提取、影像匹配、纹理映射、编程技术，地面景观三维建模 采用普通相机摄影测量建模，因而用到相机检校技术。 2 1 三维建模技术 三维建模技术，也叫三维重建技术，是为满足人类视觉需求而进行的一项在计算机 中创建与真实世界视觉效果相同的景观模型的技术，也是计算机视觉的最主要的研究方 向。所谓三维重建可以理解为从单幅图像( 加景物约束) 、二幅、及二幅以上图像恢复 空间点的三维坐标的过程。计算机立体视觉方法是通过在不同视点对物体拍摄多幅影像 来确定场景的结构，它是以射影几何为基础的。 三维重建的问题是涉及几个相关学科的综合问题。它的理论方法主要是基于射影几 何学理论。需要解决的具体问题主要集中在图像处理、计算机图形学、计算机视觉三个 学科上。计算机视觉理论主要是用来确定从影像到空间的几何关系；图像处理的方法主 要是用于提取和分析影像信息，建立从低到高的视觉认知，为目标的识别和定位服务。 计算机图形学的方法主要是提供更精确和更丰富的三维模型的表达能力。它们之间是互 相渗透，互为一体的。 从平面影像到三维立体模型的实现步骤包括：相机标定、特征提取、影像匹配和重 建。 7 西安科技大学硕士学位论文 其中包括一些重要的子问题：特征提取应该选取什么样的兴趣点；图像对应点的确 定，即匹配，它是求解相机内外参数的基础；三维模型的表达，用什么样的空间几何元 素和结构表达物体模型。 到目前为止，三维建模研究人员提出了以下三种计算机表达真实世界的方法：基于 几何的建模方法、基于图像的建模方法和基于几何和基于图像的混合建模方法。 第一：基于几何模型的三维建模技术 基于几何模型的三维建模技术简称为几何建模技术，该方法首先对真实世界的对象 进行抽象，建立起它的三维几何模型；然后给定观察点和观察方向，利用计算机由模型 实现多边形处理、着色、消隐、光照以及投影等一系列绘制过程，并生成虚拟场景。 基于几何的建模方法最早被提出来，也是发展得最为完善的一种建模方法，因此， 其应用领域也最广。目前描述三维物体的几何模型主要有线框几何模型、表面几何模型 和实体几何模型三种。线框几何模型是用物体外表面的顶点和邻边来表示物体，内存需 要少，处理速度快，但是它所包含的三维几何信息太少，即便是并不复杂的物体。按线 框几何模型绘制的图形，其几何定义也可能是不确定的。表面几何模型存储外表面的几 何描述信息，它可用于有特殊要求曲面外形设计，也可用于自动生成表面加工用的数控 代码。实体几何模型存储完整的三维几何描述信息。无论是线框模型还是表面几何模型 都不能够区分物体的内部和外部，不能提取各部分几何位置和相互关系的信息，而只有 实体几何模型才能做到这一点。 第二：基于图像的三维建模技术 自2 0 世纪9 0 年代以来，人们就开始考虑如何更方便地获取环境或物体的三维信息。 人们希望能够用相机对景物拍摄完毕后，自动获得所摄环境或物体的二维表面或三维模 型，这就是基于图像绘制的方法，该方法首先利用采集的离散图像或连续的视频作为基 础数据，经过处理形成全景图像，然后通过合适的空间模型把多幅全景图像组织成为虚 拟全景空间，得到环境的连续描述。 基于图像绘制的主要优点是：它提供了一种对结果图像中每个像素只需处理固定计 算量，而与景观复杂度无关的绘制方法；其缺点是：由于照片等图像记录的是二维信息， 要转化为实体模型的三维信息时必须追加额外信息，目前所用的主要方法是基于多目视 觉理论，对于规模较大的“物体”来说，在不同图像间进行元素匹配时，需大量的人机 交互，且算法较为复杂。如果利用图像上记录的灰度信息来反算物体的深度，从而得到 物体的三维信息，这种方法不但算法复杂，而且抗干扰能力差，且可靠性及精度不是很 理想。同时每个系统提供的交互手段总是有一定限度的，不可能满足各种各样用户的需 求。因此，目前还没有一个普遍适用且精度都很高的方法。 第三：基于几何和基于图像的混合建模方法 该方法吸取了前两者的优点，并克服了它们的某些缺点，从而实现了以较少的人机 8 2 数字校园建设关键技术 交互工作量和较少的图像需求量，产生精度较高的三维模型。以混合方法建立三维模型， 不但效率较高，且模型比较容易实现真实感渲染和虚拟现实应用，因此是一种极有前途 的三维建模方法。 其中比较具有代表性的就是计算机视觉以及与之具有深厚联系的摄影测量和逆向 工程两个领域三维模型的建立方法。 2 1 1 空间点重建的摄影测量原理 摄影测量的基本原理是来自测量的交会方法，摄影测量前方交会原理如图2 1 所示， s 。、s ：为左、右摄站，p 。、p 。为摄取的左、右影像，a 。、a ：为左、右影像上的同名点。通 过像点( 如a 。) 也能获得摄影光线s , a 。的水平角、垂直角0 c 、d 。因此它与经纬仪一样， 利用两张影像进行前方交会，如直线s 。a ，与s 2 a ：交会于一个空间点a ，获得其空间坐标 ( x 、y 、z ) 。 图2 1 摄影测量的前方交会原理 2 1 2 空间点重建的计算机视觉原理 假如能得到物体表面上所有点的三维坐标，则三维物体的形状与位置就是唯一确定 的。在有些简单的场合，如三维物体是一个多面体，只需要知道它的各个顶点的三维坐 标与相邻对象的关系，则该多面体的形状和位置也是唯一确定的，因此，用立体视觉方 法获取三维点的坐标是最基本的，也是最简单的，称为基于点的三维重建。点的三维重 建至少需要该点的两个投影。如图2 2 所示： 9 西安科技大学硕士学位论文 图2 2 ：空间点三维重建原理图 对于空间物体表面任意一点p ，在不同的视点，用相机g 和另观察得到它在历和 e 的图像点分别是只和尼。直接利用方程式2 1 求得目标点的空间坐标位置，四个方程 解三个未知数，可以使用最小二乘法求解方程。 在利用立体视觉方法计算空间三维点的坐标中，空间点被看作是空间三维物体的基 元，它应该是物体表面的任意点，但是一般取物体的特殊点，如边缘点、多面体的顶点、 角点，直线交点等特征点，因为这些特殊点在图像处理相对比较容易检测。 2 1 3 空间直线的三维重建原理 平面是工业应用中最常见的物体表面形状，它们的相交线为直线，其在图像中的投 影仍为直线。尽管可以通过对直线上的点逐个寻找对应匹配点，再逐点重建三维点来实 现，但是这样一来同名点较难确定，二来计算时间较长。如果己知直线基元在图像中的 表示，就可以直接重建它们在三维坐标下的表示，这样更直接、更有效。 如下图2 3 所示，空间条直线5 在两个相机中的投影分别记为s 和昌，则空间直 线s 就是由伤与s 组成的平面毋，与由伤与s 组成的平面& 的相交线。因此由$ ，和 & 的平面方程可以求得空间直线s 的空间描述。而直线s 和岛可以通过前面所用的方法 高精度的提取出，通过使用检校后的数据结果直接前方交会空间直线的位置。 1 0 一一一 + 一+ + 一+xx一 生0生如 2 数字校园建设关键技术 图2 3 空i 司线三维重建原理图 2 2 相机检校 空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的关系是由相机成像 的几何模型决定的，这些几何参数就是摄影机参数，这些参数的求解过程被称为相机标 定n 羽，也叫相机检校。相机标定是从二维图像获取三维信息必不可少的步骤n 钔。 近年来，除测绘领域之外，其他行业如机械制造、建筑、医学等，对近景摄影测量 技术的需求也越来越大，传统的量测相机显然已经无法满足要求，而越来越普及的非量 测相机正好可以填补这个空缺，利用非量测相机进行摄影测量具有非常远大的应用前 景。 由于普通数码相机的主距和像主点在像平面坐标系中的坐标( x o ，y o ) 都是未知的， 并且非量测相机存在较大的镜头畸变，必须先对其进行检校，然后才能进行后续的像点 量测和数据处理。 试验采用普通相机对建筑进行建模，故需要对普通相机进行检校，目前相机检校技 术有很多方法和理论，本次相机检校采用p h o t o m o d e l e r 软件中提供的c a m e r a c a l i b r a t o r 模块，其原理是自检校光束法n 5 1 ，利用重叠影像相互制约，量测多张从不同 位置拍摄的的重叠影像上均匀分布的点，由电脑自动识别后，以共线方程求解相机的内 方位元素，包括：主相点位置、相机主距、径向与切向畸变差、离心畸变差等参数。因 为普通相机没有提供相机参数，首先用直接线性变换求取相机参数，再利用光束法平差 求取相机各参数的改正数。 2 2 1 基于二维d l t 方法的相机凇嗽 直接线性变换d l t ( d i r e c tl i n e rt r a n s f o r m a t i o n ) 方法因计算时不需要摄影机内 外方位元素的初值，特别适用于非量测相机所摄影像的摄影测量处理，所以在近景摄影 西安科技大学硕士学位论文 测量中被广泛应用。目前利用d l t 方法进行相机检校的算法，多是在有三维控制信息的 情况下，采用三维d l t 方法进行检校较多，而采用二维d l t 方法的较少。利用三维控制 场进行相机检校，程序虽简单，但高精度控制场的建立比较困难。廉价数码相机的广泛 应用，促使简便、高精度的检校方法成为近年来研究的主要方向。随着摄影测量和计算 机视觉理论的发展，许多学者对相机检校技术进行了深入的研究，检校用的控制场也从 三维向二维转变。 二维直接线性变换解法的基本关系式为2 2 式中，i - - 厶为直接线性变换系数，当像点数目大于4 个的时候，可以通过解超定方 程l = o 的方式求得。将共线条件方程也写成与式2 2 类似的形式，则有： x + ( ! 兰二羔二：) 兰二( 三兰二兰二：! ：二( 二兰二主! ：兰：二竺兰二：兰：塑：。 生x + 生】，+ 1 名旯 式( 2 3 ) y + ( 三兰二皇： 兰二( 二兰二兰二：) 二：( 二：二主! ：兰：二竺兰二：三：! ) ：。 生x + 垒】，+ i j， 见= 一q 3 x s + 6 3 e + c 3 z 。) 式中，x o ，y o ，f 为相机内方位元素；，【，五) 为摄站坐标；( z 只乃为物方 空间坐标；( x ，y ) 为对应的像点坐标；r = 口j ，匆，c l 沁= 1 , 2 ，3 ) 为摄影测量中常用的旋转 角缈，缈，r 构成的旋转矩阵。对于二维平面控制场而言，坐标系的建立一般是将zj ，轴 定在平面内，此时所有控制点的z 坐标为零。 考虑到旋转矩阵为正交阵，有a l b , - 4 - a 2 6 2 + 口，玩= 0 ，可以得到关于焦距厂的表达式： f =(1l+17x0)(12+lsxo)+(14+17yo)(15+17yo) 式( 2 4 ) 一，毛 将式2 4 代人式2 3 消去，之后，可得到： 一( 厶毛一f 2 2 7 ) ( 弓+ 蟹) 嘞- ( t a - 1 ，1 7 ) * 辑+ t b y o = ( 厶磊- i ：1 7 ) q ：7 + 如毛) + ( 厶厶一厶z 7 ) ( 厶z 7 + f 5 如) 式( 2 5 ) 式2 5 可简写为肼= c 的形式，如果有两张或两张以上影像，就可以通过解超定方 程肼= c 求得主点( ，y o ) 的坐标。此时需要注意的是，在利用超定方程以= c 求解主 1 2 一一 + 一+ + 一+ x一一 00厶一如 点( ，) 时，应该避免相机摄影时只绕z 轴旋转，这样各相片的二维d l t 参数之间线性 相关，各主纵线互相重合，无法求出主点的位置。 得到相机的内方位元素后，还需要进一步考虑镜头畸变等非线性误差，在式2 2 中 加入像点坐标的非线性改正( 缸，匈) ： 螗 一碳毛r i ，+ 屯r ：- ) + p l r r2 ，+ 2 ( x 一! ，2 驰一碳y y o ) 式( 2 6 ) 【a y = ( y - y o ) ( k l r 2 + 屯，4 + ) + 昱p 2 + 2 ( y - y o ) 2 + 2 p , ( x - x o ) ( y 一) 一一 其中，毛，乞为待定对称径向畸变系数乌，最为待定切向畸变系数；像点向径 ，= 4 ( x 一) 2 + ( y 一) 2 在实际应用中，大多只考虑径向畸变系数毛，哎，则有： 缸= ( 卜x o ) r 2 ，k a 式( 2 7 ) 【缈= ( y y o ) r 2 畸 由于直接线性变换系数和畸变系数之间存在相关性，因此应采用序贯方法求解，首 先计算，系数，当，系数计算完毕之后，再将，系数作为已知数，将径向畸变系数毛作为 未知数，进行解算，并如式2 8 所示对像点坐标进行改正，然后重新计算，系数。 三爿+ a x 硝小一) ，2 白 式( 2 8 ) 【y = y + 少= x + ( y y o ) r 2 毛 如此反复迭代，直到直接线性变换系数和畸变系数的改正数都收敛到限差内为止， 获得直接线性变换系数和畸变系数的正确解。 然后根据，系数，由式2 5 得到相机主点( 嘞，y o ) 的坐标；再根据，系数和( ，) ， 由式2 4 求得主距厂。 2 2 2 自检校光光束法平差 基于共线条件方程的近景摄影测量光束法平差，是一种把控制点像点坐标、待定点 像点坐标以及其它内业、外业量测数据的一部分或者全部均视作观测值，以整体地同时 地求其或然值和待定点空间坐标的解算方法n 引。若将相机内参数( 焦距f 、像主点坐标 x o ，y 。以及畸变参数) 也作为未知数代入误差方程中同时答解，则就成为自检校光束法 平差。自检校光束法平差的优点是无需额外的附加观测便可实现残余系统误差的自动补 魈“1 7 l 石0 经过大量的研究实验业已公认，自检校光束法平差是补偿系统误差最有效的办法。 但在国内航空摄影测量中，自检校光束法平差并未广泛应用于日常测量作业，而主要用 1 3 西安科技大学硕士学位论文 于航空相机的实验场检定，这是由自检校光束法平差的特点和目前国内航摄像片质量所 决定。自检校光束法平差的本质是从有噪声( 随机误差) 的观测值中提取信号( 系统误 差) ，因此，它所能导致的精度改善根本上取决于观测值的信噪比。也就是说，如果随 机误差很小，系统误差的改正将导致精度的明显提高；反之，如果随机误差很大，即噪 声很大，它势必干扰信号的提取，此时，系统误差很难测准，即使改正后也不会引起精 度的明显提高。目前，国外的像片坐标随机误差中误差可达到3 - 8 m ，所以采用自检校 光束法平差可以明显提高精度。而我国目前的像片资料随机误差中误差一般大于2 0 帅， 所以它不可能使自检校光束法平差取得明显效果，如果处理不好，反而会使精度