本发明属于计算机图形学和计算机视觉技术领域，具体涉及一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法及应用。
背景技术
三维重建一直是近些年计算机视觉、计算机图形学领域非常重要的研究内容，通过重构模型与原模型的各部分特征位置比对，可以作为目标判断的合理依据，在计算机视觉三维重建若干技术研究中，传统的评估方法为先将重建图像与原始图像中的曲线对齐，再取重建曲线中的某部分点计算他们到原始曲线的最近距离，进而得到三维重建的精度，该方法充分利用了原始模型的信息，可以通过精度分析得到重建结果的变形程度等，从而对目标三维重建进行评估；虽然传统方法能够对三维重建进行评估，但是评估需要依赖于原始模型信息，因此应用受到一定的局限性；而且传统方法仅限于评价重构模型局部的边缘拟合精度，局部平面变形程度或重构点密度，不能够对三维重建的吻合度进行评估。
技术实现要素：
本发明的目的是为解决传统方法存在的评估需要依赖于原始模型信息，且评估仅限于重构模型的局部，不能够对三维重建模型的吻合度进行评估的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、在重建模型的各个特征边缘直线周围分别选择部分重构点，对选择的重构点进行特征边缘直线拟合，得到特征边缘直线组；计算出选择的重构点与对应的特征边缘直线拟合方程的残差，来判断结构边缘的吻合度；即判断重构点与对应特征边缘直线拟合方程残差的绝对值是否在0～10-2范围内；若判断结果在0～10-2范围内，则执行步骤二，否则评估结束；
步骤二、在步骤一的特征边缘直线组中，求得任意两条平行特征边缘直线的平行度，即判断任意两条平行特征边缘直线的夹角是否在±3°范围内；若判断结果为在±3°范围内，则执行步骤三，否则评估结束；
步骤三、在步骤一的特征边缘直线组中，求得任意两条垂直特征边缘直线的直角性吻合度，即判断任意两条垂直特征边缘直线的夹角是否在87°～93°范围内；若判断结果为在87°～93°范围内，则执行步骤四，否则评估结束；
步骤四、在重构模型中，选择构成特征相邻平面的部分重构点进行平面拟合，得到任意两个特征相邻面拟合平面方程；根据拟合平面方程，求得任意两个特征相邻面的直角性吻合度，即判断任意两个特征相邻面的夹角是否在87°～93°范围内；若判断结果为在87°～93°范围内，则认为三维重建模型符合吻合度的重建要求，否则三维重建模型不符合吻合度的重建要求。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法及应用，本发明利用选择的重构点与特征边缘直线拟合方程的残差评估三维重建结构边缘的吻合度；利用特征边缘直线的平行度和直角性吻合度来评估重建结构的尺寸吻合度；利用特征相邻面的直角性吻合度评估整体吻合度，相比较于传统方法，本发明的评估方法不需要依赖于原始目标信息，应用性更广；而且本发明的方法克服了传统方法的只能对重建模型局部进行评估的局限性；本发明的方法可以应用于对仿真方形卫星本体和仿真北斗卫星本体表面三维重建进行吻合度评估。
本发明可以对三维重建整体的吻合度进行评价，填补了对三维重建结果评价技术领域的空白。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法的流程图；
图2为本发明实施例的仿真实验对象示意图；
图3为本发明实施例的仿真实验三维稠密重构效果图；
图4为本发明实施例的仿真卫星选取边缘特征直线示意图；
图5为本发明实施例的边缘特征直线的拟合结果图；
图6为本发明实施例的边缘特征直线的拟合残差图；
图7为本发明实施例的特征相邻面的选取图；
其中：白色平面1和灰色平面2互为特征相邻面；
图8为本发明实施例的灰色平面2的拟合结果图；
图9为本发明实施例的灰色平面2的拟合残差图；
图10为本发明实施例的白色平面1的拟合结果图；
图11为本发明实施例的白色平面1的拟合残差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、在重建模型的各个特征边缘直线周围分别选择部分重构点，对选择的重构点进行特征边缘直线拟合，得到特征边缘直线组；计算出选择的重构点与对应的特征边缘直线拟合方程的残差，来判断结构边缘的吻合度；即判断重构点与对应特征边缘直线拟合方程残差的绝对值是否在0～10-2范围内；若判断结果在0～10-2范围内，则执行步骤二，否则评估结束；
步骤二、在步骤一的特征边缘直线组中，求得任意两条平行特征边缘直线的平行度，即判断任意两条平行特征边缘直线的夹角是否在±3°范围内；若判断结果为在±3°范围内，则执行步骤三，否则评估结束；
步骤三、在步骤一的特征边缘直线组中，求得任意两条垂直特征边缘直线的直角性吻合度，即判断任意两条垂直特征边缘直线的夹角是否在87°～93°范围内；若判断结果为在87°～93°范围内，则执行步骤四，否则评估结束；
步骤四、在重构模型中，选择构成特征相邻平面的部分重构点进行平面拟合，得到任意两个特征相邻面拟合平面方程；根据拟合平面方程，求得任意两个特征相邻面的直角性吻合度，即判断任意两个特征相邻面的夹角是否在87°～93°范围内；若判断结果为在87°～93°范围内，则认为三维重建模型符合吻合度的重建要求，否则三维重建模型不符合吻合度的重建要求。
本实施方式中的步骤一至步骤四是评估三维重建模型吻合度的四个方面。由于目前空间飞行器的外形部分大多为规则几何体，当无法得知空间重建目标的具体标准模型时，本发明的基于重建模型吻合度的评估方法可以仅根据重建结果来进行评估，充分利用了重建模型中的对称结构。
若该重构点取自该特征边缘直线的周围，则该特征边缘直线即为该重构点对应的特征边缘直线。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法进行进一步的限定，本实施方式中步骤一中对选择的重构点进行特征边缘直线拟合的具体过程为：
在特征边缘直线ab周围随机选取n个重构点作为观测点，第i个观测点的坐标值为(xi,yi,zi)，i＝1,2,…n；选取(x0,y0,z0)为特征边缘直线ab的拟合方程上的点的坐标，其中
所有观测点奇异值分解的具体过程为：矩阵aah的特征值为λ1，λ2和λ3，其中：ah为矩阵a的共轭转置矩阵，则观测点奇异值σ1、σ2和σ3分别为
即拟合特征边缘直线ab的方向向量
同理，对所有特征边缘直线进行拟合，即得到特征边缘直线组。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法进行进一步的限定，本实施方式中步骤一中重构点与对应的特征边缘直线拟合方程的残差为
对于任意一条特征边缘直线，分别计算出当前特征边缘直线与对应选择的各重构点的残差的绝对值，在各重构点之间做比较，得到当前特征边缘直线对应的残差绝对值的最大值；同理，分别计算出各个特征边缘直线对应的残差绝对值的最大值，在各特征边缘直线之间做比较，得到特征边缘直线组的残差绝对值的最大值；判断特征边缘直线组的残差绝对值的最大值是否在0～10-2范围内。
本实施方式中首先求出每条特征边缘直线与对应重构点的残差绝对值，比较出每条特征边缘直线对应的残差绝对值的最大值，然后在每条特征边缘直线对应的残差绝对值的最大值中，比较出所最大的残差绝对值的最大值，即所有的特征边缘直线中最大的残差绝对值，以判断该值是否在0～10-2范围内。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法进行进一步的限定，本实施方式中的步骤二的求任意两条平行特征边缘直线的平行度的具体过程为：
假设直线ab和cd为两条相互平行的特征边缘直线，且直线ab和直线cd的方向向量分别为
其中|ab|和|cd|分别表示方向向量
判断特征边缘直线ab与cd的夹角α是否在±3°范围内；
同理，判断特征边缘直线组中的任意两条平行直线的夹角是否在±3°范围内。
本实施方式中，若任意两条相互平行的特征边缘直线的夹角α均在范围±3°内，则说明三维重建模型的特征边缘直线的平行度较好。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式四所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法进行进一步的限定，本实施方式中的步骤三的求任意两条垂直特征边缘直线的直角性吻合度的具体过程为：
假设直线ab和ad为两条相互垂直的特征边缘直线，且直线ab和直线ad的方向向量分别为
其中|ab|和|ad|分别表示方向向量
判断特征边缘直线ab与ad的夹角β是否在87°～93°范围内；
同理，判断特征边缘直线组中的任意两条垂直直线的夹角是否在87°～93°范围内。
本实施方式中，若任意两条相互垂直的特征边缘直线的夹角β均在87°～93°范围内，则说明三维重建模型的特征边缘直线的直角性吻合度较好。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式五所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法进行进一步的限定，本实施方式中的步骤四中平面拟合的具体过程为：
假设平面a和b为重构模型上的两个特征相邻平面，在平面a上随机选取m个重构点作为观测点，每个观测点的坐标值为(xj,yj,zj)，j＝1,2,…,m，其中，xj，yj和zj是第j个观测点的三维坐标值；
设平面a的拟合平面方程为z＝b0+b1x+b2y，其中：b0，b1和b2是拟合平面方程的系数；则选取的m个重构点与拟合平面的残差平方和为
同理求得平面b的拟合平面方程为：z′＝b0′+b1′x+b2′y。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式六所述的一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法进行进一步的限定，本实施方式中的步骤四中求两个特征相邻面的直角性吻合度的具体过程为：
重构模型上的两个特征相邻平面a和b的夹角r表示为：
判断特征相邻平面a与b的夹角r是否在87°～93°范围内；
同理，判断重构模型中任意两个特征相邻面的夹角是否在87°～93°范围内。
本实施方式中，若任意两个相互垂直的特征相邻面的夹角r均在87°～93°范围内，则说明三维重建模型的特征相邻面的直角性吻合度较好。
对于任意一个三维重建模型，若当前重建模型的结构边缘吻合度、特征边缘直线平行度、特征边缘直线直角性吻合度和特征相邻面直角性吻合度均在规定允许的范围内，则认为当前三维重建模型符合吻合度的重建要求，三维重建的吻合度较好，否则，当结构边缘吻合度、特征边缘直线平行度、特征边缘直线直角性吻合度和特征相邻面直角性吻合度中的任意一个不满足要求时，则认为当前三维重建模型不符合吻合度的重建要求。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是，本实施方式中利用一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法对仿真方形卫星本体三维重建进行吻合度评估。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是，本实施方式中利用一种基于重构模型吻合度的空间目标三维重建评估方法对仿真北斗卫星本体表面三维重建进行吻合度评估。
实施例
下面结合附图2至11进行进一步描述：
对目标进行三维重建，实验对象为仿真方形卫星，如图2所示。相机与卫星中心相对距离10.5m，拍摄时相机绕中心旋转360度，并保持与中心距离不变，相机光轴始终指向卫星中心，每旋转2度采集一次图像。
针对卫星的正面选取了若干幅序列图片，相机参数设定为焦距45mm，视场角为17.5度，图像分辨率为2048×2048。得到稠密重构结果，如图3所示。可以得出外形及帆板部分信息。
此处需说明的是，图中的结果是处理了背景干扰物的重建，即干扰物在重建后的三维点已经在结果中被删除。
对重建结果进行特征边缘直线拟合，选取仿真方形卫星本体作为特征结构，对其上的特征边缘直线进行直线拟合，如图4所示。
在直线ab、直线bc、直线cd与直线ad上分别选取50个观测点进行空间直线拟合。空间直线拟合结果如下图5所示。直线ab、直线bc、直线cd与直线ad的拟合残差图如下图6所示。
由实验结果可知，仿真方形卫星边缘特征直线吻合度较好。
对重建结果进行特征边缘直线组平行度计算和特征边缘直线组直角性吻合度评价：
选取了四组空间直线组，分别为直线ab和直线cd组，直线bc和直线ad组，直线ab和直线ad组，直线cb和直线cd组。空间直线ab、cd、bc和ad的方向向量，如下表1所示；
表1各空间直线方向向量
可得两直线组夹角如下表2所示。由实验结果可知，一二各组空间直线夹角均在本文界定范围内。因此仿真方形卫星边缘特征直线有较好的平行度，且仿真方形卫星边缘特征直线有较好的直角性吻合度。
表2各组空间直线夹角
对重建结果进行特征相邻面夹角计算，选取仿真方形卫星本体两个特征相邻面，如图7所示。
在表面拟合结果中剔除数据中点，再次进行表面拟合，观测残差值，如此往复直至出现点残差值都满足要求，最终得到如图8所示的特征相邻面中的灰色平面2的拟合结果图，如图9所示的灰色平面2的拟合残差图；如图10所示的白色平面1的拟合结果图，如图11所示的白色平面1的拟合残差图。
最终可得白色平面1和灰色平面2的拟合表面方程分别为：
2.2654x+0.0904y-z+16.2933＝0
0.3859x+0.1675y+z+15.4281＝0
根据两个特征相邻面的夹角计算公式，可得白色平面1和灰色平面2的夹角为92.3588度。根据测量原模型可得，原相邻面夹角为90度，所以，白色平面1和灰色平面2的夹角大小在误差允许的范围内，即特征相邻面的直角性吻合度较好。
综上所述，仿真方形卫星边缘特征直线吻合度、边缘特征直线平行度、边缘特征直线直角性吻合度和特征相邻面的直角性吻合度均较好，可以得出仿真方形卫星的三维重建效果较好。