虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法
【专利摘要】本发明涉及一种虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法。将虚拟三维模型与立体正射模型融合，可对二者同时进行表达和操作。本发明确定虚拟三维模型的空间坐标和姿态，计算其落入立体正射模型的像对区域，模拟拍摄并制作虚拟三维模型的左右影像；由左影像经正射纠正制作虚拟三维模型的正射影像，镶嵌到原立体正射模型的正射影像中，形成最终融合模型的正射影像；由右影像制作虚拟三维模型的辅助立体正射影像，并镶嵌到原立体正射模型的辅助立体正射影像中，形成最终融合模型的辅助立体正射正射影像。本发明将虚拟建造的三维模型对象按指定的姿态放置到立体正射模型中的指定位置，达到虚拟的三维模型在真实感的立体正射模型场景中表达和操作的效果。
【专利说明】虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测绘科学【技术领域】，具体涉及一种虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法。
【背景技术】
[0002]立体正射影像模型，是由正射影像和立体匹配影像(或称辅助立体影像)构成的模型。在立体显示设备下，该模型能完整的展示真实的地面景观，是一种三维的真实感场景模型。在该立体模型上，可进行地物空间信息的量测。立体正射模型体现的是真实存在的地表现状，目前尚无将模拟工程建设的虚拟模型表现在此真实景观中的技术方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法，可将虚拟建造的三维模型对象按指定的姿态放置到立体正射模型中的指定位置，达到虚拟的三维模型在真实感的立体正射模型场景中表达和操作的效果。
[0004]本发明所采用的技术方案是:
虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法，其特征在于:
由以下步骤实现:
步骤一:在虚拟三维空间中将虚拟三维模型放置到三维空间坐标位置，并通过给出绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态角调整好姿态；
步骤二:计算虚拟三维模型的位置落入立体正射模型的哪个立体像对区域中，分别在立体像对区域记录的左片投影中心位置和右片投影中心位置，对虚拟三维模型进行模拟拍摄，制作虚拟三维模型的左影像和右影像；
步骤三:由虚拟三维模型的左影像和数字高程模型，经正射纠正制作虚拟三维模型的正射影像，并将虚拟模型的正射影像镶嵌到原立体正射模型的正射影像中，形成最终融合模型的正射影像；
步骤四:由虚拟三维模型的右影像制作虚拟三维模型的辅助立体正射影像，并将该辅助立体正射影像镶嵌到原立体正射模型的辅助立体正射影像中，形成最终融合模型的辅助立体正射正射影像。
[0005]步骤二中，对虚拟三维模型进行模拟拍摄，制作虚拟模型的左影像和右影像的具体过程，由以下步骤实现:
(1)读取立体像对左影像的拍摄参数，包括焦距、投影中心位置；在三维渲染引擎中模拟一个同样焦距的相机放置到左影像投影中心坐标位置，拍摄姿态朝向Z轴负方向，绕X、Y、Z轴的旋转角取O ;
(2)根据虚拟三维模型的空间位置，计算模拟相机拍摄的视场角范围，并在该范围内渲染虚拟三维模型，得到虚拟三维模型的左影像；
(3)读取立体像对右影像的拍摄参数，以第(1)、(2)步同样的方法制作虚拟三维模型的右影像。
[0006]步骤四中，制作虚拟三维模型的辅助立体正射影像及融合由以下步骤实现:
(O由虚拟三维模型所在的空间位置，读取所在像对参数，包括左片投影中心坐标、基线长度、基线方位角；
(2)首先由虚拟三维模型的右影像的边界确定该模型辅助立体正射影像的边界，然后对边界范围内的各像点根据像对参数计算其辅助视差投影方程；
(3)将辅助视差投影的投影线与DEM的交点作为该点对应的地面点，按共线方程确定地面点坐标与右影像像面点坐标之间的关系，从而得到辅助立体正射影像各像点对应的右影像像面点坐标；
(4)按此坐标在右片上进行灰度重采样，并将该灰度值赋到对应的辅助立体正射影像像点位置；对边界内所有的点进行采样后得到虚拟三维模型的辅助立体正射影像。
[0007]本发明具有以下优点:
本发明实现了在立体正射影像模型上虚拟三维模型的放置，将真实的三维地形信息与虚拟的三维模型信息同时显示和表达出来。利用本发明可在立体真实的场景中进行公路、铁路、电力塔杆、电厂等建筑物的虚拟建造，判断构筑物与周边环境的关系，并可对周边地物进行高精度的量测和信息采集。对电力、城市规划、建筑环评、公路和铁路设计等有极为重要的意义和使用价值。
【具体实施方式】
[0008]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细的说明。
[0009]本发明所涉及的虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法，对虚拟三维模型按照航空摄影的参数进行模拟拍摄，产生虚拟模型的模拟照片，然后采用正射立体像对的制作方法，制作虚拟模型的立体正射影像，并将立体正射影像融合到立体正射三维模型中。
[0010]本发明即是要将虚拟三维模型与立体正射模型融合，将虚拟三维模型在立体正射模型环境中表达和操作，达到在立体正射模型中虚拟工程建造的效果。本项发明可应用于建筑、铁路、公路、电力等行业的工程选址、施工设计、工程环境评价等方面。
[0011]具体由以下步骤实现:
步骤一:确定虚拟三维模型放置的空间坐标位置和姿态；
步骤二:计算虚拟三维模型空间坐标位置落入立体正射影像模型的哪个立体像对区域中。分别在立体像对区域记录的左片投影中心位置和右片投影中心位置，对虚拟的三维模型进行模拟拍摄，制作虚拟模型的左影像和右影像:
(I)读取立体像对左影像的拍摄参数，包括焦距、投影中心位置。在三维渲染引擎中模拟一个同样焦距的摄像机放置到左影像投影中心坐标位置，拍摄姿态朝向Z轴负方向，绕X、Y、Z轴的旋转角取O。
[0012](2)根据虚拟三维模型的空间位置，计算模拟相机拍摄的视场角范围，并在该范围内渲染虚拟三维模型，得到虚拟三维模型的左影像。
[0013](3)读取立体像对右影像的拍摄参数，以第(1)、(2)步同样的方法制作虚拟三维模型的右影像。
[0014]步骤三:通过步骤二得到的虚拟三维模型的左影像和数字高程模型，经正射纠正制作虚拟三维模型的正射影像。正射影像的生成采用数字微分纠正算法，算法原理及流程见《数字摄影测量学》(张祖勋、张建清武汉大学出版社1997)。将生成的正射影像与原立体正射模型的正射影像按坐标进行镶嵌，形成最终融合模型的正射影像。
[0015]步骤四:通过步骤二得到的虚拟三维模型的右影像，制作虚拟三维模型的辅助立体正射影像:
(O由虚拟三维模型所在的空间位置，读取所在像对参数，包括左片投影中心坐标、基线长度、基线方位角；
(2)由虚拟三维模型的右影像的边界确定该模型辅助立体正射影像的边界，然后对边界范围内的各像点根据像对参数计算其辅助视差投影方程； (3)将辅助视差投影的投影线与DEM的交点作为该点对应的地面点，按共线方程确定地面点坐标与右影像像面点坐标之间的关系，从而得到辅助立体正射影像各像点对应的右影像像面点坐标；
(4)按此坐标在右片上进行灰度重采样，并将该灰度值赋到对应的辅助立体正射影像像点位置；对边界内所有的点进行采样后得到虚拟三维模型的辅助立体正射影像。
[0016]具体计算过程如下:
(O由虚拟三维模型所在的空间位置，读取所在像对参数，包括左片投影中心坐标、基线长度、基线方位角。
[0017](2)计算虚拟三维模型右影像在立体匹配影像中对应的多边形区域，作为采样目标区域。然后在目标区域内，逐点计算该点投影到DEM的地面点坐标，投影计算必须采用与原立体正射影像模型相同的投影方法，一般采用斜平行投影方法或对数投影法，原理及过程参见解析摄影测量学(李德仁、郑肇葆测绘出版社1992)。
[0018](3)在DEM中按该点对应点的地面坐标内插出高程，并以简化的共线方程计算该目标点在原虚拟三维模型右影像中对应点的坐标。简化的共线方程是指不带旋转且像主点坐标为零的共线方程，方程如下:.X X1
X— -J --
ZZ
7 7⑴
y Z Zi
(I)式中，f为焦距，(疋，ζ,乙)为摄影中心点坐标，(I:乃为地面点坐标，(X，Y)为虚拟三维模型右影像的像平面坐标。
[0019](4)根据各目标点在虚拟三维模型右影像中对应点的坐标，内插出该点灰度值，赋与目标点，虚拟模型的辅助立体影像制作完毕；
(5)将生成的辅助立体正射影像与原立体正射模型的辅助立体正射影像按坐标进行镶嵌，形成最终融合辅助立体正射正射影像。
[0020]在上述方法中，采用无旋转角的拍摄方式，简化正射影像和辅助立体正射影像制作的计算复杂度。
[0021]本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法，其特征在于: 由以下步骤实现: 步骤一:在虚拟三维空间中将虚拟三维模型放置到三维空间坐标位置，并通过给出绕X轴、Y轴和Z轴旋转的姿态角调整好姿态； 步骤二:计算虚拟三维模型的位置落入立体正射模型的哪个立体像对区域中，分别在立体像对区域记录的左片投影中心位置和右片投影中心位置，对虚拟三维模型进行模拟拍摄，制作虚拟三维模型的左影像和右影像； 步骤三:由虚拟三维模型的左影像和数字高程模型，经正射纠正制作虚拟三维模型的正射影像，并将虚拟模型的正射影像镶嵌到原立体正射模型的正射影像中，形成最终融合模型的正射影像； 步骤四:由虚拟三维模型的右影像制作虚拟三维模型的辅助立体正射影像，并将该辅助立体正射影像镶嵌到原立体正射模型的辅助立体正射影像中，形成最终融合模型的辅助立体正射正射影像。
2.根据权利要求1所述的虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法，其特征在于: 步骤二中，对虚拟三维模型进行模拟拍摄，制作虚拟模型的左影像和右影像的具体过程，由以下步骤实现: (1)读取立体像对左影像的拍摄参数，包括焦距、投影中心位置；在三维渲染引擎中模拟一个同样焦距的相机放置到左影像投影中心坐标位置，拍摄姿态朝向Z轴负方向，绕X、Y、Z轴的旋转角取O ; (2)根据虚拟三维模型的空间位置，计算模拟相机拍摄的视场角范围，并在该范围内渲染虚拟三维模型，得到虚拟三维模型的左影像； (3)读取立体像对右影像的拍摄参数，以第(1)、(2)步同样的方法制作虚拟三维模型的右影像。
3.根据权利要求2所述的虚拟三维模型与立体正射模型的融合方法，其特征在于: 步骤四中，制作虚拟三维模型的辅助立体正射影像及融合由以下步骤实现: (O由虚拟三维模型所在的空间位置，读取所在像对参数，包括左片投影中心坐标、基线长度、基线方位角； (2)首先由虚拟三维模型的右影像的边界确定该模型辅助立体正射影像的边界，然后对边界范围内的各像点根据像对参数计算其辅助视差投影方程； (3)将辅助视差投影的投影线与DEM的交点作为该点对应的地面点，按共线方程确定地面点坐标与右影像像面点坐标之间的关系，从而得到辅助立体正射影像各像点对应的右影像像面点坐标； (4)按此坐标在右片上进行灰度重采样，并将该灰度值赋到对应的辅助立体正射影像像点位置；对边界内所有的点进行采样后得到虚拟三维模型的辅助立体正射影像。
【文档编号】G06T17/00GK103632393SQ201310612652
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】王争鸣, 任晓春, 王玮, 张剑, 刘鹏, 张小华, 孙炜, 郭笑非 申请人:中铁第一勘察设计院集团有限公司