一种多视影像与三维模型的快速配准方法
【专利摘要】本发明属于近景摄影测量领域，涉及一种多视影像与三维模型的快速配准方法，包括拍摄影像、选取立体对应点、建立关系图、解算配准参数的初值、根据最小二乘原则最优化配准参数得到精确的配准参数等步骤。本发明的一种多视影像与三维模型的快速配准方法，针对现有技术的方法实用性大大受到了时间效率和物体表面纹理的限制的缺陷进行改进，取得了革命性的创新。使多视影像与三维模型之间可以快速配准，配准的精度直接影响纹理贴图的质量，精度高，从而使纹理清晰，视觉效果大大提升，满足人们对三维模型的质量提出的更高要求。在近景摄影测量领域具有良好的应用前景。
【专利说明】一种多视影像与三维模型的快速配准方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于近景摄影测量领域，涉及一种多视影像与三维模型的快速配准方法。
【背景技术】
[0002] 随着激光扫描、结构光扫描等快速获得物体三维模型的商业产品的发展，人们对 三维模型的质量提出了更高的要求，即附带高清纹理贴图的三维模型。要想获得高清纹理 贴图，其首要任务是高清影像与三维模型的配准，而配准中最关键的问题是配准的精度和 配准的速度。配准的精度直接影响纹理贴图的质量，精度不高会造成较大的纹理错位，严重 影响视觉效果；配准的速度则直接关系到方法的实用性，若配准时间远远大于激光扫描的 时间，则将严重影响三维重建的效率。
[0003] 在传统的方法中，包括一种基于点、线结合的单张影像与三维模型配准的方法，其 方法分别在影像和三维模型上提取特征点、特征线，然后通过某种手动、半自动或者自动的 方法找到影像和三维模型的特征点线之间的对应关系，最后通过基于广义点的后方交会， 得到单张影像的配准参数。首先，这种方法需要逐影像与三维模型进行配准，效率低；其次， 在三维模型的曲率变化较大时，并不容易直接找到影像与三维模型之间的特征点线对应； 再次，当三维模型在影像上的分布不均匀或者影像视角很小时，配准参数的解将十分不稳 定。因此，这种方法仍然停留在实验室阶段，在实际应用中并不总是能够得到好的效果。
[0004] 在传统的方法中，还包括一种基于摄影测量点云和三维模型配准的方法，其方法 首先通过空三匹配、空中三角测量得到影像的内外方位元素，然后通过密集匹配得到物体 的三维点云，然后利用ICP及其变种算法得到点云与三维模型之间的配准参数，最后结合 空三参数传递得到影像的配准参数。首先，这种方法效率很低，其整个流程的时间远远大于 激光扫描、结构光扫描等三维重建所需要的时间；其次，空三匹配是地形摄影测量中的核心 技术之一，照搬到近景摄影测量中会存在大量的失败情况；再次，生成密集匹配点云要求物 体有足够丰富的纹理，缺乏纹理的物体、镜面反光的物体、具有重复纹理的物体都将导致密 集匹配失败。因此，这种方法是实用性大大受到了时间效率和物体表面纹理的限制。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的方法实用性大大受到了时间效率和物体表面纹 理的限制的缺陷，提供一种多视影像与三维模型的快速配准方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
[0007] 本发明所提出的多视影像与三维模型的快速配准方法中，配准原理基本思想如 下：
[0008] 首先，获取物体摆放在标定板上的影像，利用标识点信息，解算出相机的内方位元 素和外方位元素，称为初始参数，其中外方位元素代表同一个影像组内各影像之间的相对 位置关系；其次，在影像和三维模型上选立体对应点，通过前方交会的方法得到同一个影像 组内的立体点；然后，通过绝对定向的方法，得到所有影像组的配准参数；最后，利用最小 二乘方法，精化配准参数。
【权利要求】
1. 一种多视影像与三维模型的快速配准方法，其特征在于：包括如下步骤， A. 将三维模型对应的实物摆放在标定板上，用数码相机对准实物绕标定板一周拍摄不 同角度的影像； B. 将实物换一种摆放姿势，以把未拍摄到的部分暴露出来，按照步骤A，拍摄一周影 像，根据需要换多种摆放姿势重复步骤A ; C. 利用步骤A与步骤B所拍摄的所有影像，做基于平面标定板的相机标定，解算出相机 的内方位元素和外方位元素，称为初始参数； D. 将步骤A与步骤B所拍摄的所有的影像进行分组，以实物在标定板上的摆放姿态相 同为一组，称为一个影像组，在影像组与三维模型之间、影像组与影像组之间选取立体对应 占. E. 所有影像组与三维模型之间根据立体对应点建立关系图，根据广度优先的原则，结 合初始参数解算所有影像组与三维模型之间的配准参数的初值； F. 利用所有立体对应点，根据最小二乘原则最优化配准参数，得到精确的配准参数。
2. 如权利要求1所述的一种多视影像与三维模型的快速配准方法，其特征在于：步骤D 中的立体对应点的选取步骤，包括， (1) 在同一个影像组内选取特征对应像点，其中在多张影像上的特征对应像点称为一 个立体像点，一个影像组内的立体像点应分布均匀； (2) 在三维模型上选取立体像点的对应点； (3) 在一个影像组内，选取另一个影像组的立体像点的对应立体像点，所有的选取方法 不限于手动选取、半自动选取或者自动选取； 其中，影像组与三维模型之间的对应点、影像组与影像组之间的对应立体像点统称为 立体对应点。
3. 如权利要求1所述的一种多视影像与三维模型的快速配准方法，其特征在于：步骤E 中，具体步骤包括， (4) 利用初始参数和立体像点，通过前方交会解算出同一个影像组内的立体点； (5) 如果一组影像组与三维模型之间的立体对应点数量大于等于3个，则通过绝对定 向解算出该影像组与三维模型的配准参数的初值； (6) 重复步骤（5)直到所有与三维模型的立体对应点数量大于等于3个的影像组都解 算出了配准参数的初值，得到配准参数初值的影像组称为已配准影像组，否则称为未配准 影像组； (7) 如果一个未配准影像组与一个已配准影像组之间的立体对应点数量大于等于3 个，则通过绝对定向解算出该未配准影像组的配准参数的初值； (8) 重复步骤（5)直到所有与一个已配准影像组之间的立体对应点数量大于等于3个 未配准影像组都解算出配准参数的初值； (9) 如果仍然存在未配准影像组，则继续选取立体对应点，直到数量足够为止，如果不 存在未配准影像组，则结束。
4. 如权利要求1所述的一种多视影像与三维模型的快速配准方法，其特征在于：配准 参数的最小二乘解算方法包括， (10) 对所有的立体对应点，结合配准参数的初值，列线性化的误差方程； (11) 对误差方程法化，并求解配准参数的改正数； (12) 将改正数附加到配准参数的初值上； (13) 返回步骤（10)，直到配准参数的改正数都小于某一限定值，得到配准参数的精确 值。
5.如权利要求1所述的一种多视影像与三维模型的快速配准方法，其特征在于： 步骤A中照片数量为10至20张；步骤B中以2至4种摆放姿势。
【文档编号】G01C11/08GK104048649SQ201310084681
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】郑顺义 申请人:南京中观软件技术有限公司