1.1　研究背景和意义

1.1.1　研究背景

对一个实体进行三维建模,存在着许多种方法。传统的方法是物体的三维模型完全由人工使用几何建模软件生成,做出复杂和精确的物体模型需要有经验的建模人员花费很长的时间。现在有时也使用三维激光扫描仪对实体进行数字化处理,优点是精度高、速度快,缺点是激光扫描仪成本比较高,而且恢复出的是数字点云图,模型的数据量比较大。因此人们希望有不需要专门设备和较高技术要求的简单快速的物体建模方法,基于图像的造型和绘制方法[1](IMBR,Image-Based Modeling and Rendering)有造型过程简便、绘制速度快的优点,逐渐成为研究的热点。但现有的基于图像的建筑物三维建模系统多数都是基于2DGIS或者是由航拍图像序列获得重建的方法,只适用于某些特定的应用,并且多数都需要人工交互选取部分特征或需要有关于模型的先验知识,因此有必要对基于陆地图像的建筑物三维自动参数化重建的相关问题进行研究。

另外,当我们无法得到目标的带有重叠度的图像,比如在拍摄时受到相机载体和目标地理位置等条件的限制无法得到目标各个角度的重叠图像,或者图像的历史性决定了不能得到它的卫星图像和激光测距结果,很可能只存有一幅照片,这时只能依靠单幅图像进行重建。从理论上讲,如果没有其他任何的先验知识,从单幅图像是无法得到物体的三维模型的。但是如果充分利用人对城市场景理解的先验知识,利用一幅图像也是可以恢复建筑物目标的三维模型的。

利用单幅图像进行三维重建并不是一个新的研究领域,以往这方面的研究都是基于使用光照、纹理、焦距以及其他类似的属性,这些方法多数都要求提供已知场景中物体的一些信息,需要做大量的控制工作,最后所得到的模型都存在一定的模糊度,而且很多方法实现起来难度较大。近几年,国内外学者使用基于射影几何的方法进行单幅图像重建方面的研究,这种方法利用了图像中的透视变形等信息,从存在这种变形的成像中得到物体的模型。这种方法处理图像中点、线、面之间的几何关系,适合几何体和代数平面的重建,因为在这些对象中更容易获得这些关系。

本书的主要内容是介绍数字城市中,数码相机拍摄的建筑物陆地图像的参数化三维建模技术。

在由图像获得建筑物三维模型的过程中,一般包含图像的预处理、建筑物特征选取、相机标定、纹理图像的校正、建筑物的三维建模等步骤。首先,图像分割是基于图像的各种三维重建方法中重要的预处理步骤,图像分割效果的好坏直接影响后续的处理。当前存在的图像分割算法适用范围不同,而且容易受到噪声的影响。我们需要一种适用于由建筑物图像完成重建过程中的有效的分割方法,能够更利于获取关于建筑物的先验知识和纹理。其次,建筑物几何结构信息或相机的内、外参数是完成3D建筑物模型重构的必要条件,它可以为由一幅或多幅图像实现重建的各种方法提供更多的约束和场景的先验知识。在实现建筑物轮廓提取的各种方法中更多的是针对航拍、遥感图像进行处理,利用边缘检测和霍夫变换(Hough Transform)后经过复杂的后处理和各种判断的建筑物轮廓提取。而对于地面图像中建筑物的主体轮廓,由于图像背景复杂,遮挡和成像过程中引起的形变,各种边缘检测算法无法区分建筑物边缘还是其他边缘,很难实现自动提取。在研究地面图像建筑物提取的过程中,可利用建筑物的几何结构与相机的参数之间存在的联系同时实现相机参数的获取,这将是一种前景广阔的方法。另外,关于三维城市模型中建筑物实体的参数化建模方法,针对多种建筑物模型表达的特点,为城市建筑物建立面向对象的参数化模型和如何对建筑物模型进行自动分类,采用不同的参数提取方法来表达相应的建筑物等问题也有待于进一步研究。

1.1.2　研究意义

虚拟现实技术的应用极为广泛。在1993年,Helsel与Doheriy对全世界范围内已经进行的805项虚拟现实研究项目做了统计,结果表明当时在娱乐、教育及艺术方面的应用占据主流,达21.4%,其次是军事与航空方面,达12.7%,医学方面达6.13%,机器人方面达6.21%,商业方面达4.96%,另外在可视化计算、制造业等方面也有相当的比重。

从上述虚拟现实的部分应用可以看出,经过近十几年的发展,虚拟现实已经渗入到人们的日常生活中,人们可以在虚拟世界中聊天、购物、逛街、旅游及工作,如同在现实世界中一样。而且,这项技术还有更广泛的应用前景,通过与互联网技术结合,可以构造出一个更加完美的虚拟世界[2]。

建立虚拟城市的目的是借助于计算机虚拟现实技术创造出一种崭新的人机交互手段,为用户提供模拟城市的操作环境,使其具有仿佛置身于现实城市中的临境感,形成一个逼真的,具有视觉、听觉、触觉的感官世界,同时,还可以通过感觉、语言、手势等方式进行交互式操作[3]。用户不仅可以沉浸在虚拟城市中,而且可以进行查询分析,评价,规划和决策。在国内,虽然近年来虚拟城市的研究逐渐受到重视,但就整个世界范围来看目前虚拟城市的研究仍处于探索阶段。

基于图像的建筑物三维建模作为虚拟城市中的重要内容有许多实际应用价值,首先,三维模型比二维图像有更强的表现力,人们可以从三维立体模型获得对目标更具体的认识,这对于历史景观的真实再现、城市规划中的模型表达、城市公共设施的管理、建筑设计的建筑物景观模拟、军事国防、旅游、游戏、电子商务等领域都有着重要的意义。其次,使用基于图像三维重建生成的模型要比由建模人员使用几何建模软件根据目测、直觉做出的模型更符合原场景,更简单。比如,在建立一个建筑物的三维模型时,通常建筑物的设计图纸这些原始资料不容易找到,而且有时也无法做到去实地测量来得到建筑物的精确数据。使用基于视频图像的三维重建技术仅需要使用照相机拍摄几张照片,然后就可以恢复出该建筑物的三维模型,得到的模型与真实建筑物的大小成比例,如果知道模型上两点间的距离对应的真实世界中的长度,就可以计算出模型上任意两点间的真实长度。

本课题研究的基于图像的城市建筑物三维自动重建参数化建模问题与那些基于2DGIS或者是由航拍图像获得城市模型的方法相比更具有普遍性,因此对推动自动建筑物参数化建模具有重要的理论意义。另外,模型建模法与恢复某视点下的三维效果的三维重建方法相比更便于网上浏览,易于操作,可移植性强。而其中研究的图像预处理算法、相机标定算法、建筑物模型自动分类法、建筑物轮廓自动提取法、建筑物三维重建方法等对推动相关领域的理论研究也具有广泛的价值。