基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机虚拟现实、图像建模技术、计算机视觉以及摄影测量领域，特别 是一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法。
【背景技术】
[0002] 文化遗存遗址是古代劳动人民伟大创造和聪明智慧的结晶，是历史高度、文化厚 度、自然生命的沉淀，是研宄古代历史、文化、艺术、科学技术发展的及其重要的实物资料。 它们经历了长时间的风化侵蚀、历史变迀，遭遇着由于现代社会经济的高速发展、人类频繁 活动的破坏和冲击，其中一部分已损坏或不复存在。然而随着社会对文化遗存遗址保护意 识的增强及现代旅游业的迅猛发展，人们渴望恢复重建这些老旧的遗址文物，以便能够让 其继续存留下来，提高文化遗存和文化内涵的形象，更大范围的向世人展示这些文化遗存 遗址独特的文化、科学、艺术价值，以此来促进人们对文化的理解，提高传播和弘扬文化的 能力。所以在现有数据的基础上如何恢复重建出这些已破坏或不复存在的文化遗存遗址是 文化遗产保护和文化旅游宣传共同需要解决的重要问题。
[0003] 目前，文化遗存遗址的三维模型的获取要有三种方式：第一种是组织人力进行现 场采集测量，以此积累的建筑工程测绘图纸和文档资料；第二种是基于现代激光扫描设备 所采集的高精度离散点云数据；第三种是借助数码相机获取的古建筑二维影像数据。对应 于三种不同的数据源有三种不同的遗存遗址三维模型构建方式：1)基于3DMAX、AUTOCAD、 CREATOR等建模软件的参数化建模技术，这种方法虽在一定程度上构建了精细的古建筑三 维模型，但该技术建模周期长、操作过程复杂、需要专业熟练的操作人员，对于非专业人员 的实时获取三维模型就显得尤为困难。2)基于深度数据的三维建模技术，该方法虽可以获 取高精度的三维模型，但需要借助高昂的扫描设备，数据自动化处理程度低，工作量大。3) 基于图像的三维重建技术是以计算机视觉和数字摄影测量理论为依托，运用单幅图像或多 幅图像，通过图像匹配、相机标定、三维重构等一系列步骤重构三维模型。该方法不需要专 业的建模人员，重建成本低、周期短，自动化程度高，且可以构造出照片级真实感的三维模 型。
[0004] 基于图像的三维重建技术根据所利用的图像的数目不同可以分为基于多张图像 的三维重建及基于单张图片的三维重建。研宄人员对于多张图片的三维重建(又称为基于 图像序列的三维重建）多采用从运动中恢复和从轮廓中恢复两大主要方法。基于多张图片 的三维重建需要在多张图片中寻找特征点，计算量大、过程复杂且易受拍摄角度及成像过 程的影响，当仅存一张图片时无法采用该方法进行三维重建。基于单张图片的三维重建可 以根据单张图片中的信息利用不同约束重建三维场景，这里的约束有透视变形约束、反射 模型约束两种。
[0005] 专利号为CZ103824323A，发明名称为"一种基于单幅二维图像的三维重建方法" 的专利提出了一种利用反射模型约束从单幅图形重建三维场景的方法，通过二维灰度图像 计算朗伯体表面反射模型（ambertiansurfacereflectionmodel)，将模型进行逆求解解 算像点深度信息。这种方法快速且适用广泛，但重建精度较低且对图像拍摄要求较高，对于 凹凸面不能实现唯一重建，所以对于规则形体的单张三维重建不太适用。
[0006] 专利号为CN1453740A，发明名称为"由单幅图像测量场景及场景内物体几何信息 的方法"的专利提出了一种基于单幅图像的场景测量方法，该方法可以对场景内任意平面 的信息进行度量，但要利用这些测量信息进行三维重建需要借助第三方软件，没有形成一 个完整的单幅三维重建系统。
[0007] 专利号为CN104143211A发明名称为"基于单幅图像的三维自由形体生成方法" 和专利号为CN102855665A发明名称为"从单幅图像重建三维建筑模型的方法"分别介绍从 单幅图像恢复曲面形体的方法，但方法都仅适用于非规则形体，忽略了规则形体的三维重 建。
【发明内容】
[0008] 有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方 法，可以借助本发明在同一系统内完成规则形体及非规则形体的三维重建，整个重建过程 以面为单元，重建过程更为灵活。
[0009] 本发明采用以下方案实现：一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，具 体包括以下步骤实现： 步骤S1 :将一张待重建文化遗存遗址场景的图像或相片输入计算机； 步骤S2 :采用手动或自动的方法从步骤S1中所述图像中提取尤7、Z三个垂直方向的 平行直线簇，并将提取的直线簇分成三组； 步骤S3 :利用步骤S2提取的Z、7、2方向的三组平行直线簇计算Z、7、Z三个主方向灭 点，得到三个主灭点； 步骤S4 :利用步骤S3计算的尤7、Z三个主灭点，根据三个主灭点计算相机内参数矩阵 (沿及外参数矩阵（兄完成相机标定，即求取投影矩阵（灼； 步骤S5 :在三维空间中设定参考平面及参考方向，其中所述参考平面为空间直角坐标 系的刀平面，所述参考方向为空间直角坐标系的2方向，在所述参考方向上建立多个平行 于参考平面的平行平面，利用反投影射线与平行平面的交点完成三维点重建，得到点云； 步骤S6 :对步骤S5重建的点云进行点云网格化及纹理映射完成真实感三维模型重建。
[0010] 进一步的，所述步骤S1中的图像为照片或图片的数字化影像，图像的数字化分辨 率为 600dpi~1200dpi。
[0011] 进一步的，所述步骤S2中的手动方法具体为：用户可根据输入的图像选取建筑骨 架线，运用交互式方法分别在X、Y、Z三个垂直方向上绘制三条或四条直线，根据用户绘制 的直线方向，依据空间直角坐标系三个坐标轴方向完成直线分组。
[0012] 进一步的，所述步骤S2中的自动方法具体包括以下步骤： 步骤S21:对待提取的图像进行图像预处理，具体包括：利用Ostu阈值分割算法对图像 进行分割用以提取待重建建筑物目标区域，利用数学形态学原理清除图像中的孤立点，对 图像进行细化处理； 步骤S22:利用步骤S21预处理完成的图像，采用Canny边缘检测算法提取目标区域的 边缘图像； 步骤S23 :利用步骤S22提取的边缘图像，采用累计概率霍夫变换，通过将同方向、间隔 短的直线段合并为一条直线提取长直线； 步骤S24 :利用步骤S23提取的长直线，采用角度和距离的共同限制，将提取的直线分 成与空间坐标系三个坐标轴对应的三组。
[0013]进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：具体包括以下步骤： 步骤S31 :假设两条非平行直线Li=[aihc