CN103955959A - 一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测绘数据建模和计算机图像学技术领域，尤其涉及一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法。对于从车载激光点云生成的三维模型面,通过分析沿途所拍摄多幅相片的相机位置与姿态，自动选择对于被纹理模型面有效像素数最高的相片作为该模型面的纹理母文件，随后截取模型面所对应的纹理像素区域存储为最终纹理文件,并计算纹理坐标(u,v)。本方法可以实现在给定车载激光点云、摄像机内外方位元素的情况下，自动选择每个模型面所对应最高质量的纹理图,并计算出对应的纹理坐标，从而完成自动化三维模型贴图。对于需要使用实景贴图的三维逆向建模问题，该方法有效缩短了建模整体流程中纹理贴图步骤的时间，可完全代替传统的人工贴图流程，是对三维逆向建模工作流程的显著改进。

Description

一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法

技术领域

本发明涉及测绘数据自动化处理和计算机图像学技术领域，尤其涉及车载激光测量系统的全自动纹理映射方法。

背景技术

三维模型是物体的三维多边形表示形式，通常用计算机或者其它视频设备进行显示。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。当前三维模型在各个领域都有广泛的应用，医疗行业使用它们制作器官的精确模型；电影行业将它们用于活动的人物、物体以及现实电影；视频游戏产业将它们作为计算机与视频游戏中的资源；在科学领域将它们作为化合物的精确模型；工程界将它们用于设计新设备、交通工具、结构以及其它应用领域；测绘行业将它们用于三维测绘以及三维数字城市建设等领域。

近些年来, 随着车载摄影测量系统、车载三维激光扫描系统等新型空间数据获取系统的问世，现实世界的空间数据采集的速度愈加快捷，成本也愈加低廉。主流的移动车载激光测量系统（如Streetmapper,Lynx等）均可在正常道路行驶速度下获取周围密集的三维激光点云以及高分辨率相片。借助车载激光测量系统所配备的GPS和惯导装置，系统输出的三维激光点云和相机参数均已处于世界坐标系下，节省了相对定向和绝对定向所需的时间和精力。三维模型的纹理映射是三维模型创建过程中的重要步骤，它将现实采集的纹理图或是虚拟出的纹理图根据坐标系转换赋在模型表面，以便在虚拟场景中更加形象的表现现实世界。现有的三维模型贴图方法主要根据手动纹理图选择、映射的方式：首先选择每个模型面对应的纹理图片，分别将纹理图片在图片编辑软件(如Photoshop)中打开，裁剪出目标纹理，并按照模型面对裁剪的纹理进行形状的修改，将修改好的纹理保存为图片格式；而后使用三维建模软件（如3ds Max）打开模型，使用软件的材质或贴图功能为每个面添加纹理，具体步骤如下：将准备好的纹理图导入软件，设置模型顶点与相应纹理的顶点一一对应，即可为模型的面添加纹理。当前大部分设计、生产等需要用到模型贴图功能的都是使用上述方法，该方法操作复杂，用时较长，对于精度要求较高的模型，需要对纹理图片进行更为精细的裁剪和形状修改；当模型数据量较大或是模型复杂度较高时，会直接增加耗费的人力、物力、财力，直接影响生产效率，是大规模三维建模以及数字城市建设长期难以克服的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的三维模型在纹理映射方面效率低下的长期缺陷，提供一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法。

本发明的技术方案采用最近原则、最正原则和遮挡求其次原则自动选取模型面对应的纹理图，自动计算模型面对应的纹理坐标，包括以下主要步骤：

A、模型的拆分；

B、纹理图的自动获取；

C、纹理图的裁剪与恢复；

D、模型与纹理图的存储。

进一步地，步骤A中模型的拆分是指将已有的单位模型按照拓扑结构分为不同的模型面。

进一步地，步骤B中纹理图的自动获取细化为：

B1通过纹理图外方位元素中的位置(即车载激光雷达扫描系统所配备的相机在空间坐标系的中心位置 Xs、Ys、Zs)和模型面的中心位置(Xa、Ya、Za)计算距离模型面最近的纹理图片；

B2根据纹理图的方向和模型面的方向，在已获得的最近的纹理图内，获取最正(两者法向量夹角接近180度)的纹理图片；

B3根据已有模型数据，检测获取的纹理图中建筑物是否被遮挡，若被遮挡则选取次正的纹理图，继续判断直至选取出合适的纹理图为止。

进一步地，步骤C中的纹理图的裁剪与恢复细化为：

C1应用模型面的三维坐标和已选取的纹理图片的内外方位元素，根据共线方程求取模型面上各个端点在纹理图上的纹理坐标；

C2检测纹理坐标范围，正确的纹理坐标值在(0,1)之间，获取纹理坐标的最大、最小值(x_max、x_min、y_max、y_min)，根据纹理坐标的范围获取有效纹理的最小矩形框，对应的坐标应为(x_min , y_min)和(x_max , y_max),根据最小矩形框裁剪出有效的纹理图；

C3将裁减的纹理图恢复到与原始图同样大小，根据两者的坐标关系，通过平移和缩放，重新计算模型面对应的纹理坐标。

进一步地，步骤D中的模型与纹理图的存储细化为：

获得最终的模型纹理图和纹理坐标后，将模型坐标与纹理坐标对应存储，设置纹理图的链接路径，采用相应的格式保存即可完成三维模型自动纹理贴图。

本发明提供了一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法。该方法能够有效地完成三维模型自动纹理贴图，尤其适用于三维模型贴图。如目前常用的三维模型软件在贴图方面的操作均为肉眼识别、手动选取设置模型面对应的纹理图，当模型数据量较大或是模型复杂度较高时，直接影响了模型贴图效率，并间接影响了三维模型的生产效率。而本方法可以将肉眼识别、手动选取设置模型纹理图的过程自动化，不仅节省了大量的人力资源，还直接提高了整个三维城市建设的生产效率。

附图说明

图1是纹理图与模型面之间的距离示意图

图2是纹理图与模型面之间空间关系示意图

图3是模型面被遮挡状况处理示意图

图4是纹理图片裁剪与恢复示意图

具体实施方案

下文将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明：

A 模型的拆分

按照三维模型的组成结构，将模型分解为多个模型面。

B纹理图的自动获取

模型面对应的纹理图片P应满足以下几个条件：

B1最近原则：为了保证模型纹理图的清晰度，P的位置与模型面中心的距离(如图1所示)不应太远，纹理图片P的位置(相机中心位置)与模型面中心之间的距离D如式(1)所示：

$D=\sqrt{{(\mathrm{Xs}-\mathrm{Xa})}^2+{(\mathrm{Ys}-\mathrm{Ya})}^2+{(\mathrm{Zs}-\mathrm{Za})}^2}---\left(1\right)$

通过计算距离，可以获取部分符合条件的纹理图。

B2最正原则：为了防止贴图时纹理图变形较大，纹理图P与模型之间的夹角应接近180度(如图2所示)，本发明中，使用模型面的法线V_face与纹理图的法线V_p之间的夹角来计算获取相对最正的纹理图，其中模型面的法线是从模型中心指向模型面的方向的，使用该原则，获取最正的纹理图P。

B3遮挡求其次原则：在获取最近且最正的纹理图片P之后，需根据已有的模型之间关系，检测获取的纹理图片中模型面是否被遮挡，若有遮挡物存在，则选取次正的纹理图(P’)，继续判断直至选取出合适的纹理图为止(如图3所示)。

C纹理图的裁剪与恢复

C1在选定最合适的纹理图之后，应用模型面的三维坐标和已选取的纹理图片的内、外方位元素，根据共线方程(如式3所示)求取模型面上各个端点在纹理图上的纹理坐标。

$\begin{array}{c}x=-f\frac{a_1(X_A-X_S)+b_1(Y_A-X_S)+c_1(Z_A-Z_S)}{a_3(X_A-X_S)+b_3(Y_A-X_S)+c_3(Z_A-Z_S)}\\ y=-f\frac{a_2(X_A-X_S)+b_2(Y_A-X_S)+c_2(Z_A-Z_S)}{a_3(X_A-X_S)+b_3(Y_A-X_S)+c_3(Z_A-Z_S)}\end{array}---\left(2\right)$

其中

在式(2)和式(3)中各个变量的含义如下

X_S、Y_S、Y_S、φ、ω、κ是相机在摄影瞬间的空间位置和姿态，f为相机的焦距，x、y为模型点在纹理图片中的纹理坐标，X_A、Y_A、Z_A为模型面的端点坐标。

C2为了节约存储空间，只截取纹理图中有效的部分。检测纹理坐标范围，正确的纹理坐标值在(0,1)之间，获取纹理坐标的最大、最小值(x_max、x_min、y_max、y_min)(如图4中L圈定的范围为有效的范围)，根据纹理坐标的范围获取有效纹理的最小矩形框，对应的坐标应为(x_min , y_min)和(x_max , y_max),根据最小矩形框裁剪出有效的纹理图(如图4(1)所示)。

C3将裁减的纹理图恢复到与原始图同样大小，根据两者的坐标关系，计算模型面端点对应的新纹理坐标， (如图4(2)所示)，首先将纹理图按照(-x_min, -y_min)的偏移量进行移动，然后对X和Y方向进行缩放，平移缩放后的纹理坐标如式(4)所示

$\begin{array}{c}x1=\frac{x_0-x_{\min }}{x_{\max }-x_{\min }}\\ y1=\frac{y_0-y_{\min }}{y_{\max }-y_{\min }}\end{array}---\left(4\right)$

D模型与纹理图的存储：

获得最终的模型纹理图和纹理坐标后，将模型坐标与纹理坐标对应存储，设置纹理图的链接路径，采用相应的格式保存即可完成三维模型自动纹理映射。

Claims (9)

1.一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：对于从车载激光雷达点云生成的三维模型面,通过分析沿途所拍摄多幅相片的相机位置与姿态，自动选择对于被纹理模型面有效像素数最高的相片作为该模型面的纹理母文件，随后截取模型面所对应的纹理像素区域存储为最终纹理文件,并计算纹理坐标(u,v)。具体包括以下步骤： 

A根据各相片拍摄位置的相机内外方位元素，将模型面F中心投影到各个相方空间坐标系，并根据最近原则、最正原则和遮挡求其次的原则，选择一幅模型面对应有效像素数量最高的相片M作为纹理母图片。 

B将模型面F各顶点的坐标根据纹理母图片M的相机内外方位元素，中心投影到M的相方空间坐标系，从而求取模型F各顶点对应的像素坐标，并进一步根据像素坐标范围截取纹理母图片M中与模型面对应的部分，另存为纹理文件m。 

C根据纹理母文件M与纹理文件m的坐标系转换关系，将各顶点的原像素坐标转换为在新相片空间下的像素坐标，并计算纹理坐标(u,v)。 

2.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤1所述的模型面为三维车载激光点云生成的不规则三角网络TIN面或选取三维激光点为顶点所形成的多边形面。 

3.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤1所述的最近原则是纹理图片中心到三维模型面的距离最小。 

4.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤1所述的最正原则是纹理图片的法线与模型面的法线夹角接近180度(平行为最正)。 

5.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤1所述的遮挡求其次原则是当模型面的前方有其它模型有遮挡时，选择次正且无遮挡的图片作为模型面的纹理图。 

6.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤2所述的模型面对应的纹理坐标计算方法为相机后方交会方法。 

7.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤2所述的根据纹理坐标范围(正确的范围是0-1)，截取与模型面对应的纹理图部分。 

8.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤3所述的将裁减的纹理图恢复到与原始图同样大小，根据两者的坐标关系，通过平移和缩放，获取模型点的新纹理坐标。 

9.根据权利要求1所述的一种基于车载激光测量系统的全自动纹理映射方法，其特征在于：步骤3所述的获取模型面的对应的纹理坐标后，保存三维模型与纹理图通过存储模型面的对应纹理坐标来实现。