CN108334697A - 用于评估三维重建软件的仿真实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于评估三维重建软件的仿真实验方法，包括以下步骤：S1.制作仿真模型；S2.对所述仿真模型场景规划航飞路径；S3.渲染仿真航空相片，然后导出仿真航空相片及仿真航空相片对应的精确内外方位数据；S4.把仿真航空相片和精确内外方位数据导入各个三维重建软件中进行空三平差；S5.各个三维重建软件获得已经排除仿真航空相片各类畸变对空三平差精度影响的修正数据；S6.用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，生成三维重建仿真模型；S7.对三维重建仿真模型进行全方位对比记录，生成三维重建软件评估报告。本发明是基于摄影测量技术，通过使用精确数学标准的仿真数据，定性定量测试不同三维重建软件的效率和质量。
Description
技术领域
本发明专利涉及摄影测量技术，特别是一种基于摄影测量的用于评估三维重建软件的仿真实验方法。
背景技术
数字摄影测量是基于数字影像和摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象以数字方式表达的几何与物理信息的摄影测量学的分支学科。
空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。其主要目的是为缺少野外控制点的地区测图提供绝对定向的控制点。空中三角测量一般分为两种：模拟空中三角测量即光学机械法空中三角测量，解析空中三角测量即俗称的电算加密。其中：模拟空中三角测量是在全能型立体测量仪器（如多倍仪）上进行的空中三角测量，它是在仪器上恢复与摄影时相似或相应的航线立体模型，根据测图需要选定加密点，并测定其高程和平面位置。解析空中三角测量是指用计算的方法，根据像片上量测的像点坐标和少量地面控制点，采用较严密的数学公式，按最小二乘法原理，用电子计算机解算待定点的平面坐标和高程。
光束法区域网平差是解析空中三角测量中最常使用的方法，其具有的优点：不触及被量测目标即可测定其位置和几何形状；可快速地在大范围内同时进行点位测定，以节省野外测量工作量；不受通视条件限制；区域内部精度均匀，且不受区域大小限制。但是由于其使用现实相机影像进行测试，因此会有很多不确定的误差因素影响，如底片变形、物镜畸变、大气折光、地球曲率等，会影响后续独立模块三维重建的测试精度对比。即使采用相同的现实影像进行测试，因真实影像包含畸变（相机本身）、光线（外部环境）等诸多干扰，很多时候无法排除是原始相片问题还是软件本身算法问题；空三平差结果、三维重建结果也缺乏精度基准，因此就很难定性定量的对这些软件进行准确评估。
发明内容
本发明提供了一种用于评估三维重建软件的仿真实验方法，是基于摄影测量技术，通过使用精确数学标准的仿真数据，定性定量测试不同三维重建软件的效率和质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
用于评估三维重建软件的仿真实验方法，包括以下步骤：
S1.根据重建算法的特点制作仿真模型，仿真模型的实际数据作为测试基准数据使用；
S2.基于摄影测量的目的对所述仿真模型场景规划航飞路径；
S3.根据航飞路径设置相机参数，渲染仿真航空相片，然后导出仿真航空相片及仿真航空相片对应的精确内外方位数据；
S4.把仿真航空相片和精确内外方位数据导入各个三维重建软件中进行空三平差；
S5.各个三维重建软件通过相同参数的空三平差后，获得已经排除仿真航空相片各类畸变对空三平差精度影响的修正数据；
S6.在相同的空三平差条件下，在各个三维重建软件中，用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，生成三维重建仿真模型，记录三维重建软件的内核算法效率；
S7.对三维重建仿真模型进行全方位对比记录，生成三维重建软件评估报告。
进一步的，步骤S1中，所述重建算法的特点为：根据选择的重建算法级数等级的不同，对不同大小和不同细节程度的物体形成不同的重建效果。
更进一步的，制作仿真模型场景的具体步骤包括：制作大小和细节程度不同的模型物体和建筑，共同构建成一个标准仿真模型场景，仿真模型场景的实际数据作为测试基准数据使用。
进一步的，步骤S2中，所述规划航飞路径具体步骤包括：根据摄影测量对航线规划要求，调节航向和旁向重叠率，设置图片中心点位置，生成仿真航飞路径。
进一步的，步骤S3中，所述渲染仿真航空相片具体步骤包括：根据仿真航飞路径，调节相机焦距和CCD尺寸参数渲染出对应的仿真航空图片。
进一步的，步骤S4具体包括以下子步骤：
S4.1导入仿真航空相片：把步骤S3中生成的仿真航空相片导入各个三维重建软件中；
S4.2导入精确内外方位数据：把步骤S3中导出的精确内外方位数据导入各个三维重建软件中，所述精确内外方位数据包含姿态和位置信息数据；
S4.3空三平差：分别运行各个三维重建软件的空三平差功能，得到空三平差成果数据。
进一步的，所述步骤S5还包括：将测试基准数据与各个三维重建软件获得的修正数据进行比较，得出各个三维重建软件空三平差算法精度结果。
进一步的，步骤S6具体包括以下子步骤：
S6.1用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，各个三维重建软件分别生成三维重建仿真模型；
S6.2记录重建效率：记录生成三维重建仿真模型的开始和结束时间，计算各个三维重建软件的内核算法效率。
进一步的，步骤S7具体包括以下子步骤：
S7.1三维重建仿真模型之间对比：各个三维重建软件生成的三维重建仿真模型之间进行多方向、多角度、多处细节和不同显示模式的对比；
S7.2三维重建仿真模型与原始仿真模型对比：各个三维重建软件生成的三维重建仿真模型和原始仿真模型进行多方向、多角度、多处细节和不同显示模式的对比；
S7.3根据步骤S7.1和 S7.2的对比记录制作三维重建软件仿真评估报告。
更进一步的，所述三维重建软件仿真评估报告的内容还包括各个三维重建软件的内核算法效率和空三平差算法精度结果。
以上所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，与现有技术相比具有以下优点：
(1)无室外作业采集数据的工作量：若涉及外业测绘数据采集工作，需要资质和空域申请，作业准备时间长，还需要有专业的飞手作业才能完成；而本发明中，步骤S1的仿真模型制作、步骤S2的规划航飞路径、步骤S3的渲染仿真航空相片均通过电脑软件操作实现，因此无需进行室外作业，且采用虚拟仿真数据来替代真实的航飞数据，数据生产周期短，完全符合实验需求。
(2)控制原始影像畸变和误差：若采用相同的现实影像进行测试，因真实影像包含畸变、光线等诸多干扰，很多时候无法排除是原始相片问题还是软件本身算法问题，空三平差结果、三维重建结果由此也缺乏精度基准，就很难定性定量的对这些软件进行准确评估，而本发明的方法由于得出的成果为数学级别精度的图片，都是确定性的参数，可以控制不同三维重建软件空三过程的初始平等条件，减小三维重建功能模块的控制条件偏差，因此可以有效地做到对三维重建软件的定性定量准确评估。
(3)可参照对比和量化：仿真场景模型生成的数据重建的Mesh模型，最后可以跟原始仿真模型进行质量对比，直接原始模型与生成的Mesh模型数据进行套合，在视觉上也可以直观看出效果差异，而且质量对比精度能准确的进行量算量化，评估结果更为直观。
附图说明
图1为仿真虚拟航拍航线示意图。
图2为仿真虚拟影像序列。
图3为预设虚拟相机的精确内外方位数据。
图4为某三维重建软件的空三结果示意。
图5为原始仿真模型。
图6为原始仿真模型的线框模型显示。
图7为三维重建仿真线框模型与原始仿真模型对比：图7a为原始仿真模型的正视角度图，图7b为某*It*ure软件生成的三维重建仿真线框模型的正视角度图，图7c为某S****3D软件生成的三维重建仿真线框模型的正视角度图；图7d为某C******Capture软件生成的三维重建仿真线框模型的正视角度图；图7e为某P**4D软件生成的三维重建仿真线框模型的正视角度图。
图8为三维重建仿真线框模型与原始仿真模型正面细节对比：图8a为原始仿真模型的正面细节图，图8b为某*It*ure软件生成的三维重建仿真线框模型的正面细节图，图8c为某S****3D软件生成的三维重建仿真线框模型的正面细节图；图8d为某C******Capture软件生成的三维重建仿真线框模型的正面细节图；图8e为某P**4D软件生成的三维重建仿真线框模型的正面细节图。
图9为三维重建仿真线框模型与原始仿真模型侧面角度对比：图9a为原始仿真模型的侧面角度图，图9b为某*It*ure软件生成的三维重建仿真线框模型的侧面角度图，图9c为某S****3D软件生成的三维重建仿真线框模型的侧面角度图；图9d为某C******Capture软件生成的三维重建仿真线框模型的侧面角度图；图9e为某P**4D软件生成的三维重建仿真线框模型的侧面角度图。
图10a为各个三维重建软件评估报告，图10b为各个三维重建软件的耗时对比图，图10c为三角形数量对比图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于以下实施例。
用于评估三维重建软件的仿真实验方法，包括以下步骤：
S1.根据重建算法的特点制作仿真模型，仿真模型如图5所示，仿真模型的线框模式如图6所示，仿真模型的实际数据作为测试基准数据使用。
步骤S1中，重建算法的特点为：根据选择的重建算法级数等级的不同，对不同大小和不同细节程度的物体形成不同的重建效果。
根据重建算法的特点制作仿真模型场景的具体步骤包括：制作大小和细节程度不同的模型物体和建筑，组合起来共同构建成一个标准仿真模型场景，仿真模型场景的实际数据作为测试基准数据使用。
S2.基于摄影测量的目的对所述仿真模型场景规划航飞路径。
结合图1所示，规划航飞路径具体步骤包括：根据摄影测量对航线规划要求，对要进行三维重建的目标模型规划航线，因本实施例的实验基准数据为一栋房子，即设置环绕椭圆型航飞轨迹，设置图片中心点位置，调节航向和旁向重叠率为70%，共为36拍摄点即图片中心点，保证有足够的重叠率可以进行像对匹配生成仿真航飞路径。
本实施例中，设置的航飞路径包括36个拍摄点，可生成36张虚拟仿真航空相片。
S3.根据航飞路径设置相机参数，确定图片分辨率为2048*1536，渲染仿真航空相片，然后导出仿真航空相片及仿真航空相片对应的精确内外方位数据。
渲染仿真航空相片具体步骤包括：根据仿真航飞路径，调节相机焦距和CCD尺寸参数渲染出对应的仿真航空图片，如图2所示意。
根据设置的参数导出仿真航空相片对应的精确内外方位数据，精确内外方位数据又称POS数据，包含姿态和定位信息，如图3所示。
上述步骤S1、S2、S3均通过电脑软件操作实现，因此无需进行室外作业，无光线等因素干扰，且采用虚拟仿真数据来替代真实的航飞数据，数据生产周期短，完全符合实验需求。
S4.把仿真航空相片和精确内外方位数据导入各个三维重建软件中进行空三平差。本实施例评估的软件包括*It*ure软件、S****3D软件、C******Capture软件、P**4D软件、Pho***can软件、3*FZe**yr软件、Pi**I-Mo**ic软件。
具体包括以下子步骤：
S4.1导入仿真航空相片：把步骤S3中生成的仿真航空相片导入各个三维重建软件中；
S4.2导入精确内外方位数据：把步骤S3中导出的精确内外方位数据导入各个三维重建软件中，所述精确内外方位数据包含姿态和位置信息数据；
S4.3空三平差：分别运行各个三维重建软件的空三平差功能，得到空三平差成果数据，空三平差成果数据如图4所示。
S5.各个三维重建软件通过相同参数的空三平差后，获得已经排除仿真航空相片各类畸变对空三平差精度影响的修正数据。
进一步的，在这一步骤中，还可以包括：将测试基准数据与各个三维重建软件获得的修正数据进行比较，得出各个三维重建软件空三平差算法精度结果。
S6. 在相同的空三平差条件下，在各个三维重建软件中，用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，生成三维重建仿真模型，记录三维重建软件的内核算法效率。
具体包括以下子步骤：
S6.1用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，各个三维重建软件分别生成三维重建仿真模型；
S6.2记录重建效率：记录生成三维重建仿真模型的开始和结束时间，计算各个三维重建软件的内核算法效率。
S7.对三维重建仿真模型的线框模型进行全方位对比记录，生成三维重建软件评估报告。
具体包括以下子步骤：
S7.1三维重建仿真模型之间对比：各个三维重建软件生成的三维重建仿真模型之间进行多方向和多角度对比；
S7.2三维重建仿真模型与原始仿真模型对比：各个三维重建软件生成的三维重建仿真模型和原始仿真模型进行多方向和多角度对比；
S7.1和S7.2的对比，如图7所示，是以不同的角度进行对比，图中显示的为正视角度图；如图8所示，是以不同细节进行对比，如图9所示，是以不同显示模式进行对比，图中显示的是线框模式。为显示简单，图中只示例了It*ure软件、S****3D软件、C******Capture软件、P**4D软件的对比图。
S7.3根据步骤S7.1和 S7.2的对比记录制作三维重建软件仿真评估报告。
其中，三维重建软件仿真评估报告包括模型细节程度和整体效果的对比排序，还可以包括各个三维重建软件的内核算法效率和空三平差算法精度结果排序。图10a、图10b和图10c所示的是仿真评估报告的示例。
本实施例所述的方法进行采用仿真摄影测量技术，对三维重建软件的三维重建模块进行标测试，提高了目前对比结果的可信度，工作方法更具科学性、合理性和可操作性，为基于摄影测量仿真实验技术领域、三维重建软件对标测试提供了一种适用方法。
Claims (10)
1.用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.根据重建算法的特点制作仿真模型，仿真模型的实际数据作为测试基准数据使用；
S2.基于摄影测量的目的对所述仿真模型场景规划航飞路径；
S3.根据航飞路径设置相机参数，渲染仿真航空相片，然后导出仿真航空相片及仿真航空相片对应的精确内外方位数据；
S4.把仿真航空相片和精确内外方位数据导入各个三维重建软件中进行空三平差；
S5.各个三维重建软件通过相同参数的空三平差后，获得已经排除仿真航空相片各类畸变对空三平差精度影响的修正数据；
S6.在相同的空三平差条件下，在各个三维重建软件中，用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，生成三维重建仿真模型，记录三维重建软件的内核算法效率；
S7.对三维重建仿真模型进行全方位对比记录，生成三维重建软件评估报告。
2.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
步骤S1中，所述重建算法的特点为：根据选择的重建算法级数等级的不同，对不同大小和不同细节程度的物体形成不同的重建效果。
3.根据权利要求2所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
制作仿真模型场景的具体步骤包括：制作大小和细节程度不同的模型物体和建筑，共同构建成一个标准仿真模型场景，仿真模型场景的实际数据作为测试基准数据使用。
4.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
步骤S2中，所述规划航飞路径具体步骤包括：根据摄影测量对航线规划要求，调节航向和旁向重叠率，设置图片中心点位置，生成仿真航飞路径。
5.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
步骤S3中，所述渲染仿真航空相片具体步骤包括：根据仿真航飞路径，调节相机焦距和CCD尺寸参数渲染出对应的仿真航空图片。
6.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
步骤S4具体包括以下子步骤：
S4.1导入仿真航空相片：把步骤S3中生成的仿真航空相片导入各个三维重建软件中；
S4.2导入精确内外方位数据：把步骤S3中导出的精确内外方位数据导入各个三维重建软件中，所述精确内外方位数据包含姿态和位置信息数据；
S4.3空三平差：分别运行各个三维重建软件的空三平差功能，得到空三平差成果数据。
7.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
所述步骤S5还包括：将测试基准数据与各个三维重建软件获得的修正数据进行比较，得出各个三维重建软件空三平差算法精度结果。
8.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
步骤S6具体包括以下子步骤：
S6.1用步骤S5获得的修正数据再进行三维重建功能操作，各个三维重建软件分别生成三维重建仿真模型；
S6.2记录重建效率：记录生成三维重建仿真模型的开始和结束时间，计算各个三维重建软件的内核算法效率。
9.根据权利要求1所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
步骤S7具体包括以下子步骤：
S7.1三维重建仿真模型之间对比：各个三维重建软件生成的三维重建仿真模型之间进行多方向、多角度、多处细节和不同显示模式的对比；
S7.2三维重建仿真模型与原始仿真模型对比：各个三维重建软件生成的三维重建仿真模型和原始仿真模型进行多方向、多角度、多处细节和不同显示模式的对比；
S7.3根据步骤S7.1和 S7.2的对比记录制作三维重建软件仿真评估报告。
10.根据权利要求9所述的用于评估三维重建软件的仿真实验方法，其特征在于：
所述三维重建软件仿真评估报告的内容还包括各个三维重建软件的内核算法效率和空三平差算法精度结果。
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