一种组合式确定三维重建后摄影比例尺的标定方法与流程

本发明涉及图像处理领域，具体涉及一种组合式确定三维重建后摄影比例尺的标定方法。

背景技术：

目前国内外应用于图像特征匹配以及三维重建软件品种多样，从理论到实践的运用已经日趋成熟，但大都是直接通过相机所照取的照片进行基于相机坐标系下的三维重建，比如smart3dcapture，agisoftphotoscan，visualsfm等软件；现如今人们对于三维重建已经从之前的只需要重建出几何关系，而现在则希望通过三维重建直接获得项目的真实尺寸，软件想要重建模型更加精确或者获得真实模型参数除了需要照片外还需要诸如位置和角度这些外方位元素。其中辅助相机在真实坐标系下的多目三维重建的方法主要有以下五种：

1、安装传感器。在拍摄位置安装高精度传感器，以便于在拍摄时能够获取照片位置姿态参数、控制点参数，能够有较高的三维重建精度，但是在进行大规模、高精度建模的时候，高精度、高密度的传感器布置成本需求就相对较高，降低了这种方法经济性，而且安装传感器的过程也会降低拍摄速度和连贯性。

需要重建的每个部件至少需要两张及两张以上不同角度拍摄的照片，所以每次获得相机的照片位置姿态参数、控制点参数就显的极为重要，不过当需要的照片数目越多时也就面临了所需要获取的参数也就随之增多，为了能够精确高效地重建并获得重建结果参数，则提高获取照片参数的效率也就势在必行，这也是高效进行大规模、高精度建模的前提，不过高精度、高密度的传感器布置成本需求就相对较高，难以普遍适用于生产生活当中。

2、在重建部件上设定参考点。对于需要进行三维重建的部件，在拍摄照片前先在部件上选定参考点并在两个参考点并在分别在参考点位置放置激光发射器及激光接收器，而且两点间没有障碍物，然后通过激光收发来测量两点之间的距离，操作较繁杂，还需要在被测项目上安装测距装置，降低拍摄效率。

而且在安装激光收发装置时，会不可避免地产生人工操作产生的误差，导致所安装位置与真实参考点的位置出现了一个误差。

3、用一个尺寸已知的参考物(标靶)辅助重建。对需要进行三维重建的部件，连同参考物一同进行拍摄，进行相机坐标系下的三维重建，代入参考物的真实尺寸，通过相似几何关系，进行真实坐标系下的三维重建。

这种方法存在操作不灵活，对于大尺寸项目，参考物若太小，会导致重建结果精度上会出现问题，所以会出现所需参考物的大小也会由于重建项目的大小不同而不同的情况，而且在进行三维重建时参考物也会对部分重建部件有一定的遮挡，需要增加拍摄次数，否则会导致重建结果可能会出现不理想的情形。

4、在进行拍摄的时候测量两次拍摄间相机透镜的位移。由于在现如今的三维重建算法中，重建后的模型中可以重建出每个相机透镜的位置，所以通过测得真实的两次拍摄之间的位移，通过相似几何原理，即可重建真实坐标系下的三维模型。

不过此种方法实现起来较为困难，由于两个透镜之间的位移测量起来会存在相当的难度，而且测量产生的精度误差也是难以避免。

5、基于相位测量的三维重建。利用计算机编程产生高精度的数字相移光栅图像，并通过dlp投影机将具有相移的光栅图像投影到待测物体表面，ccd摄像机也将先后获取经过待测物体表面，ccd摄像机也将先后获取经过待测表面调制的摩尔条纹图像，再经过图像采集卡将捕捉到的图像信号处理送入计算机计算摩尔条纹图像的每个像素点的相位，最后根据相位与高度的映射关系计算出被测物体表面的三维点云数据，得到的三位点云数据，然后即可通过三维重建获得物体的三维形貌。

这种方法存在操作较为复杂，而且仪器成本也较高，对体积越大的物体进行三维重建操作起来也就越为复杂，而且三维重建所用的时间也会越长。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种组合式确定三维重建后摄影比例尺的标定方法，具体技术方案如下：

一种组合式确定三维重建后摄影比例尺的标定方法，其特征在于：

采用以下步骤，

步骤1：选取需要进行图像采集的场景；

步骤2：在场景中设置有图像采集装置(1)、两个激光测距器(5)和测角装置(6)，图像采集装置(1)水平固定在场景中，所述激光测距器(5)和测角装置(6)设置在所述图像采集装置(1)前方；

在图像采集装置(1)进行第一次采集时，利用带水准器的脚架保证图像采集装置(1)位置水平，两个激光测距装置发射激光束的方向向量所形成的平面是与图像采集装置(1)的成像面存在垂直关系，并且两个激光测距装置通过测角装置(6)分别测出与图像采集装置(1)的透镜的法向ad方向的夹角分别为α和β；

步骤3：一个所述激光测距器(5)通过发出第一激光束(1)确定场景中第一定位点b到图像采集装置(1)的距离为a，另一个所述激光测距器(5)通过第二激光束(2)确定场景中第二定位点c到图像采集装置(1)的距离为b；

步骤5：假设第一定位点b和第二定位点c之间的实际距离为c，通过算式确定距离bc的长度；

∠abc＝arccos[(a²+c²-b²)/(2ac)]；

c在与相机成像底片平行的平面上的投影长度为d＝c·cos[∠abc-(π/2-α)]；

步骤6：图像采集装置(1)采集场景图像，计算机采用双目视觉三维重建算法，利用n张场景图像进行三维重建，n>1：

具体为，定义图像采集装置在现实场景中的空间为现实空间，三维重建后的场景空间为模型空间；

计算机计算出第一次发射激光束时的图像采集装置(1)位置a，在进行多目三维重建后，根据现实空间中图像采集装置(1)的位置a，在模型空间中建立虚拟相机，确定模型空间中的虚拟相机相对重建出来的模型的位置d；

然后在重建处的模型中由虚拟相机位置出发，画出两条直线与重建后的模型相交得到两个点e、f，保持直线方向向量不变，沿着竖直方向移动调整两条直线，使ab/bc＝de/df，利用余弦定理计算出模型中e、f的长度；

步骤7：计算机处理装置得到实际长度d与模型长度e之间的标定比例；

步骤8：根据标定比例对三维模型进行尺寸标定。

进一步地：所述图像采集装置(1)为相机。

本发明的有益效果为：第一，本发明可以在多目三维重建中提供静态物体的照片姿势位置参数以及图像控制点参数，并且由于此过程中测距由激光测距器直接得到，可以减小由于人工操作引起的精度误差；

第二，该仪器制作简单并且操作简单，可以普遍适用于所有型号的相机，可根据用户需求定制成不同精度的测角方式，灵活调整使用成本；

第三，激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，这也决定本发明在高亮度环境下依然能够顺利将标记点投射到项目上以辅助三维重建；

第四，之前的三维重建测量技术存在操作繁琐、计算复杂等问题，而通过在相机上外加本仪器，可以直接在三维重建后得出重建模型的比例参数，使简化计算模型、便于操作得以实现。

附图说明

图1为本发明的第一结构示意图；

图2为本发明的第二结构示意图；

图3为模型空间中对应图1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1和图2所示：

一种组合式确定三维重建后摄影比例尺的标定方法，采用以下步骤，

步骤1：选取需要进行图像采集的场景；

步骤2：在场景中设置有图像采集装置1、两个激光测距器5和测角装置6，图像采集装置1为相机。图像采集装置1水平固定在场景中，激光测距器5和测角装置6设置在图像采集装置1前方，采用激光测距器5，由激光测距器直接完成，可以保证减小由于人工操作激光测距装置所带来的人工操作误差；

在图像采集装置1进行第一次采集时，可以使用诸如三脚架调平以及手持陀螺仪自动调平等方法，保证图像采集装置1位置水平，两个激光测距装置所形成的平面是与图像采集装置1的底面存在平行关系，并且两个激光测距装置通过测角装置6分别测出与图像采集装置1的透镜的法向ad方向的夹角分别为α和β；

步骤3：一个激光测距器5通过发出第一激光束1确定场景中第一定位点b到图像采集装置1的距离为a，另一个激光测距器5通过第二激光束2确定场景中第二定位点c到图像采集装置1的距离为b；

步骤5：假设第一定位点b和第二定位点c之间的实际距离为c，通过算式确定距离c的长度；

∠abc＝arccos[(a²+c²-b²)/(2ac)；]

c在与相机成像底片平行的平面上的投影长度为d＝c·cos[∠abc-(π/2-α)]；

步骤6：图像采集装置1采集场景图像，计算机采用双目视觉三维重建算法，利用n张场景图像进行三维重建，n>1：

具体为，定义图像采集装置在现实场景中的空间为现实空间，三维重建后的场景空间为模型空间；

计算机计算出第一次发射激光束时的图像采集装置1位置a，在进行多目三维重建后，根据现实空间中图像采集装置1的位置a，在模型空间中建立虚拟相机，确定模型空间中的虚拟相机相对重建出来的模型的位置d；

然后在重建处的模型中由虚拟相机位置出发，在重建后的模型中通过计算机编写程序实现将这两条直线沿透镜竖直向上移动，使ab/bc＝de/df，利用余弦定理计算出模型中e、f的长度；

步骤7：计算机处理装置得到实际长度d与模型长度e之间的标定比例；

步骤8：根据标定比例对三维模型进行尺寸标定。