一種大規模室外場景三維重建方法技術

本發明專利技術公開了一種大規模室外場景三維重建方法，包括以下步驟：使用多相機采集系統，在不同的視點采集室外場景的圖像，并標定相機的參數；根據多相機采集系統中相機的相對位置關系和成像范圍將多個相機分成相機簇；對同簇的相機，根據其拍攝的圖像恢復場景中局部區域的三維結構；以及對不同局部區域的三維重建結果進行配準與融合，恢復場景中全拍攝范圍的三維結構。本發明專利技術的大規模室外場景三維重建方法使用特定構造的多相機采集系統，使用基于室外場景的相機自標定方法，根據多視點采集的圖像，由局部區域的三維重建結果恢復全拍攝范圍的室外場景空間信息，重建范圍大，方法原理明確，實現成本低。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于計算機視覺
，特別涉及。
技術介紹
隨著計算機視覺技術的發展和人們生產生活需求的增加，三維重建技術有著良好的應用前景。室外場景的三維重建可在城市規劃建設、環境觀測保護、數字導航方面起到重要作用。用計算機技術重建物體三維模型的技術主要包括:幾何造型法，三維掃描法，基于圖像的方法。室外場景的三維可視化方法有:基于星載圖像或機載圖像建立場景的三維模型；基于距離的方法；基于圖像的方法。其中:基于星載圖像或機載圖像的方法需要進行衛星拍攝或航拍，實現成本高，且僅能獲得場景的頂部數據，不能獲取地面數據，觀測精度有限，難以實現對場景中特定建筑物的建模。基于距離的方法利用激光測距儀和攝像機直接獲取場景中景物的三維幾何和紋理信息，可以較為準確地獲取三維場景的稠密點云。對于大規模場景的測量和建模，通常需要載體設備和導航系統，測量數據量大，測量時間長，且三維重建過程復雜度較高。基于圖像的方法根據多視點圖像提取出場景的幾何信息，然而現有的基于圖像的室外場景三維建模方法僅適合簡單場景，不適合大規模場景的建模。由于相機視角范圍有限，若對大規模場景進行建模，需要大量的不同視點的圖像，這使處理的成本和復雜度增力口。基于圖像進行三維重建需要進行相機標定，就拍攝室外景物而言，由于不適合使用標定物，需要根據室外景物的特征進行自標定，而當拍攝視點數量大，視點變化復雜時，相機標定難度和復雜度增加，三維重建的精度不高。因此現有的基于圖像的方法并不適用于大規模室外場景的三維重建。
技術實現思路
本專利技術旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本專利技術的目的在于提出一種重建范圍大，方法原理明確，實現成本低的大規模室外場景三維重建方法。根據本專利技術實施例的大規模室外場景三維重建方法，包括以下步驟:S1:使用多相機采集系統，在不同的視點采集室外場景的圖像，并標定相機的參數；S2:根據所述多相機采集系統中相機的相對位置關系和成像范圍將多個相機分成相機簇；S3:對同簇的相機，根據其拍攝的圖像恢復場景中局部區域的三維結構；以及S4:對不同局部區域的三維重建結果進行配準與融合，恢復場景中全拍攝范圍的三維結構。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟SI進一步包括:101:調整所述多相機采集系統中各相機的焦距，使其適于拍攝所觀測的室外場景，并在拍攝過程中保持相機焦距不變；102:選取不同視點，將所述多相機采集系統移動至對應位置，拍攝各視點下室外場景的圖像；103:對每個相機，根據所述相機在不同視點處采集的圖像，提取有效景物信息，標定相機內部參數；以及104:對每個相機，根據所述相機在不同視點處采集的圖像，以及已標定的所述相機內部參數，標定相機外部參數。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟103進一步包括:對單幅圖像，使用交互或非交互的方法提取圖像中的幾何特征；綜合不同視點處圖像中的幾何特征，建立關于相機內部參數的約束；通過求解關于相機內部參數的約束優化問題，標定相機內部參數。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟104進一步包括:選定世界坐標系與給定的一個攝像機坐標系重合，根據同一相機在不同視點所采集的圖像，以及不同相機在不同視點所采集的圖像，通過特征匹配求出基本矩陣，進而根據基本矩陣與相機內、外參數的關系，在已知相機內部參數的條件下，求出相機外部參數。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟S2進一步包括:201:按系統中相機的相對位置關系，將相機初始劃分為若干簇，同簇的相位置相鄰；以及202:根據所述步驟201的相機簇劃分的初始結果進行優化，將系統在一個給定的位置采集的所有圖像劃分為若干圖像子集，使得不同子集的圖像之間的重疊區域小于一定閾值，屬于同一子集的圖像對應的相機劃分為同一簇。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟S3進一步包括:301:確定同簇的相機之間的層次關系，優先使用層次高的相機采集的圖像進行三維重建；302:對同一相機在不同視點拍攝的圖像，取相鄰視點的圖像進行幾何校正，使用雙目立體匹配方法對選取的待重建區域求取深度圖，計算待重建區域內每個像素對應的物點的三維坐標；以及303:對同簇內不同相機的三維重建結果進行融合。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟301中，選取位置接近相機簇中心的相機為層次優先級高，由中心位置向邊界位置相機的層次優先級遞降。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟302中，根據所述相機內部參數和相機外部參數，估計當前相機和優先級在它上一級的相機在給定視點處的成像重疊范圍，選取當前相機在給定視點處的待重建區域，該區域與所述重疊范圍僅有微小交集。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟303中，當某一物點在同一相機的不同視點圖像中均有投影時，若根據每一對相鄰視點計算的物點世界坐標存在差異，則采用線性加權方法或投票機制確定唯一的物點世界坐標；當某一物點在不同相機的圖像中均有投影時，對于某一相機恢復的物點，若以其為中心的小鄰域內存在被其他相機恢復的物點，且投影點的匹配相似度高，則合并兩個物點為一點。在本專利技術的一個實施例中，所述步驟S4進一步包括:401:根據相機的外部參數，將各個相機簇的三維重建結果變換到相同的世界坐標系下，組合為全局的三維重建結果；402:對于相鄰的相機簇，將成像重疊區域的圖像點所映射的物點進行融合，若匹配的圖像點映射為不同的物點，采用線性加權方法或投票機制確定唯一的物點世界坐標；以及403:若重疊區域存在未映射為物點的像素點，則采用線性插值方法計算映射的物點世界坐標。本專利技術實施例的大規模室外場景三維重建方法通過使用特定構造的多相機采集系統，在不同的視點采集室外場景的圖像，結合室外場景的景物特征標點相機的參數，根據拍攝的圖像重建場景中局部區域的三維結構，并進而重建全拍攝范圍內的場景三維結構。具有重建范圍大，方法原理明確，實現成本低的優點。本專利技術的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本專利技術的實踐了解到。附圖說明本專利技術的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:圖1是本專利技術實施例的大規模室外場景三維重建方法的流程圖；圖2是本專利技術一個實施例的多相機采集系統的實物示意圖(a)和光路示意圖(b);圖3是圖1的步驟SI的詳細流程圖；圖4是圖1的步驟S2的詳細流程圖；圖5是圖1的步驟S3的詳細流程圖；圖6是圖1的步驟S4的詳細流程圖。具體實施例方式下面詳細描述本專利技術的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本專利技術，而不能理解為對本專利技術的限制。在本專利技術的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本專利技術和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本專利技術的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種大規模室外場景三維重建方法，其特征在于，包括以下步驟：S1：使用多相機采集系統，在不同的視點采集室外場景的圖像，并標定相機的參數；S2：根據所述多相機采集系統中相機的相對位置關系和成像范圍將多個相機分成相機簇；S3：對同簇的相機，根據其拍攝的圖像恢復場景中局部區域的三維結構；以及S4：對不同局部區域的三維重建結果進行配準與融合，恢復場景中全拍攝范圍的三維結構。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：季向陽，楊揚，戴瓊海，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：