CN110070604B - 一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，具体包括：首先提取单张回转体图像中回转体的边缘轮廓线，得到回转体的边缘轮廓图像；然后将得到回转体的边缘轮廓图像进行旋转纠正；再然后将纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行透视变换，还原回转体正面平行投影的轮廓图像；最后将还原得到的回转体正面平行投影的轮廓图像进行点云三维重建，本发明的方法简单、高效和低成本。

Description

一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法

技术领域

本发明涉及计算机虚拟现实、图像建模技术、计算机图形学技术领域，具体涉及一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法。

背景技术

文化遗存遗址是古代劳动人民伟大创造和聪明智慧的结晶，是历史高度、文化厚度、自然生命的沉淀，是研究古代历史、文化、艺术、科学技术发展极其重要的实物资料。它们经历了长时间的风化侵蚀、历史变迁，以及人类频繁活动对此的破坏或冲击。随着人类对文化遗存遗址保护意识的增强以及现代旅游业的迅猛发展，人们渴望恢复或重建这些老旧的遗址文物，提高文化遗存和文化内涵的形象，更大范围的向人们展示这些文化遗存遗址独特的文化、科学、艺术价值，以此来加深人们对文化的理解，积极弘扬文化。在现有数据的基础上：如何恢复或重建这些不复存在的文化遗存遗址是文化遗产保护和文化旅游宣传需要共同解决的重要问题。

目前，文化遗存遗址的三维模型获取共有三种方式：

1.人力进行现场采集测量数据；

2.基于现代激光扫描设备所采集的高精度离散点云数据；

3.借助数码相机获取的古建筑二维影像数据。

以上三种不同的数据源有着有一一对应的遗存遗址三维模型构建方式：现如今大多建模方法基于：3DMAX、AUTOCAD、CREATOR等建模软件的参数化建模技术，这种方法在一定程度上构建了精细的古建筑二维模型，但该技术建模周期长、操作过程复杂、需专业熟练的操作人员，对于非专业技术人员而言，实时获取三维模型就显得尤为困难。对于基于深度数据的三维建模技术而言，该方法虽可以获取高精度的三维模型，但需要借助价格高昂的扫描设备，数据自动化处理程度低，工作量大。另一方面，在建模过程中随着工程中数据的日益增长，数据格式的不断增加，在数据管理和查询方面，文件管理已越来越显示出其不足：例如数据不完整，数据孤立且获取困难，数据存储不规范，数据假丢失，数据的重复存储。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，解决了现有的回转体文化遗址的三维重建方法过程繁琐和代价较高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，具体包括以下步骤：

步骤1，提取单张回转体图像中回转体的边缘轮廓线，得到回转体的边缘轮廓图像；

步骤2，将经步骤1得到回转体的边缘轮廓图像进行旋转纠正；

步骤3，将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行透视变换，还原回转体正面平行投影的轮廓图像；

步骤4，将经步骤3还原得到的回转体正面平行投影的轮廓图像进行点云三维重建。

本发明的特点还在于：

其中所述步骤1具体为：首先将RGB彩色图像转化为灰度图像，然后通过Otsu’s算法对其进行二值化，得到有噪声的二值化图像，然后使用中值滤波对二值化图像进行去噪，最后使用Canny边缘检测算法，得到回转体边缘轮廓图像；

其中所述步骤2具体包括：

步骤2.1，扫描经步骤1得到的回转体边缘轮廓图像，然后求出回转体边缘轮廓图像的极点坐标；

步骤2.2，在经步骤2.1得到的极点坐标之间根据回转体边缘轮廓选取若干坐标点；

步骤2.3，将经步骤2.2选取的若干坐标点进行椭圆拟合，得到拟合椭圆方程：

在原始测得的N(N≥5)组数据(x_i，y_i)，(i＝1，2，3，...，N)中，根据椭圆方程通式和最小二乘法原理，x_i和y_i分别就是i点的x轴坐标和y轴坐标。这里是对i个点进行拟合，求目标函数：

的偏导数均为零，得到以下方程组：

可以写为

则计算

即可得到拟合系数(A，B，C，D，E)，然后求解参数x₀，y₀，a，b，q：

其中x₀和y₀为椭圆的中心点坐标，a为椭圆的长轴，b为椭圆的短轴，q为倾斜的弧度；

步骤2.4，计算经步骤2.3得到的拟合椭圆方程的参数，求出回转体边缘轮廓图像的旋转角，并进行判断纠正；

其中所述步骤3具体包括：

步骤3.1，将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行重新拟合椭圆方程，计算出新的拟合椭圆方程的参数；

步骤3.2，利用经步骤3.1计算出的椭圆方程求出回转体的边缘轮廓图像中上椭圆长轴的左右坐标点；

步骤3.3，然后根据步骤3.1计算出透视变换前后的坐标，然后使用OpenCV相应透视变换的库来进行透视变换；

其中所述步骤4具体包括：

步骤4.1，将经步骤3透视变换后的回转体的边缘轮廓图像再次进行步骤2.3的拟合椭圆方程，得出透视变换后上下椭圆的拟合椭圆方程；

步骤4.2，利用经步骤4.1得到的上下椭圆的拟合椭圆方程，从透视变换后回转体的边缘轮廓图像的上椭圆的方程的row坐标到下椭圆方程的row坐标，在回转体的边缘轮廓图像中从左到右遍历图片，将扫描得到的坐标，依次保存到数组中；

步骤4.2，然后利用透视变换后回转体的边缘轮廓图像中垂线的col坐标依次减去经步骤4.2得到的数组，得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组；

步骤4.3，利用经步骤4.2得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组导入三维绘图软件或者三维绘图工具包进行自动化脚本的编写，最后得到重建后的三维回转体图像。

本发明的有益效果是

一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法对规则回转体不需要大量图像来提取特征，也不需要大量的计算，只需要单张回转体的图像即可获取对应的回转体参数和三维模型，且本发明创造可应用在建立大型的瓷器古文物数据库，简单、高效和低成本的来获取大量的回转体瓷器数据，可针对回转体瓷器的分析、分类、鉴定和保护等工作。

附图说明

图1是本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法在使用过程中的整体流程效果图；

图2是本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法的系统整体框图；

图3是本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法进行点云三维重建示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，如图1与图2所示，具体步骤为：步骤1，边缘轮廓提取，从原始图像中提取瓷器的边缘轮廓图像；

步骤1.1，将RGB彩色图像转化为灰度图像

对图像的RGB赋予不同的权值(权值和为1)，将各自像素与权值的积取和得到原图对应的灰度图；

步骤1.2，灰度图转化为二值图

对灰度图使用Otsu’s对其进行二值化，得到有噪声的二值化图像；

步骤1.3，图像去噪

使用中值滤波，滤波器经常用来去校验噪声，中值滤波是用与卷积框对应像素的中值来替代中心像素的值或者本来的值来取代它，它能有效的去噪声。在这个例子中，我们给原始图像加上50％的噪声后再使用中值模糊；

步骤1.4，边缘轮廓提取

使用Canny边缘检测算法，得到回转体边缘轮廓图像；

步骤2，旋转纠正，计算在平面图像中回转体的中垂线，然后通过中垂线和图像边框计算出回拍摄时倾斜的角度，然后通过角度纠正

步骤2.1，扫描图片求瓶子的极点坐标

求出回转体边缘轮廓在图像中的最左上角、最右上角、最左下角、最右下角、最点、最下点的坐标。

步骤2.2，从回转体图像中的上椭圆轮廓的上部选取若干点

从最左上角到最右上角的列坐标之间从上到下选取若干点

步骤2.3，拟合椭圆方程：

在原始测得的N(N≥5)组数据(x_i，y_i)，(i＝1，2，3，...，N)中，根据椭圆方程通式和最小二乘法原理，x_i和y_i分别就是i点的x轴坐标和y轴坐标。这里是对i个点进行拟合，求目标函数：

的偏导数均为零，得到以下方程组：

可以写为

则计算

即可得到拟合系数，然后求解参数x₀，y₀，a，b，q

求解得到椭圆的中心点坐标x₀和y₀、椭圆的长轴a和短轴b、倾斜的弧度；

步骤2.5，根据步骤2.4所求得弧度求旋转角，并判断旋转角是否过小，旋转角小于4度，则不进行旋转纠正；

步骤2.6，旋转纠正：旋转纠正是以图片的中心为旋转点，旋转的角度为上一步骤所计算的角度，使得图像中的回转体轮廓的中垂线与图像的上下边缘垂直。

步骤3，透视变换，通过计算瓶子上部椭圆方程中的参数a和b来计算出回转体透视变换后的点；

步骤3.1，扫描图片求回转体轮廓在图像中的极点坐标

求出瓷器在图像中的最左上角、最右上角、最左下角、最右下角、最上点、最下点；

步骤3.2，从上椭圆的上边部分选取若干点

从最左上角到最右上角的列坐标之间从上到下遍历图像选取若干点；

步骤3.3：重复步骤2.3，进行拟合椭圆方程，计算椭圆方程的参数a，回转体图像的下椭圆的下半部分提取若干点，该步骤为瓷瓶的最左下角到最右下角的列坐标在图片中由下向上遍历，取其中的若干点，求上椭圆长轴的左右点坐标，由于这里的图像是经过旋转纠正后的，所以上边椭圆的x轴是和图像的上下边缘是平行的；

步骤3.4，计算透视变换前的坐标

其中四点有两点为图片的左下角和右下角点，以及上部椭圆长轴的左右点。

步骤3.5，计算透视变换后的坐标

回转体的上椭圆的边在透视变换中不发生变化，所需计算的是图片的左下角和右下角的坐标。这里的透视变换就是将回转体的高度拉伸一定长度，这里的长度与图像中回转体的上椭圆的长短轴之间有着必然联系。我们这里认为上椭圆的方程中的参数a和b的比值就是回转体高度的误差，当然这是错误的，但纠正的高度误差在可接受范围之内(10％左右)。回转体的坐标和图像的四个角的坐标有映射关系，所以这里的图像的左下角和右下角的坐标的宽度不变，高度为原来的高度加上原来的高度乘以a/b的值；

步骤3.6，透视变换

这里我们使用OpenCV相应透视变换的库来完成这一步骤。

步骤4，计算回转体的半径数组

步骤4.1，求极点

求出瓷器在图像中的最左上角、最右上角、最左下角、最右下角、最上点、最下点；

步骤4.2，上椭圆取点

从最左上角到最右上角的列坐标之间从上到下选取若干点；

步骤4.3，下椭圆取点并判断椭圆是否过扁

该步骤为瓷瓶的最左下角到最右下角的列坐标从图片由下向上遍历，取其中的若干点，并判断上下椭圆是否过扁；

步骤4.4，进行拟合上下椭圆方程，求上下椭圆方程的参数A；

步骤4.5，从左端扫描图像，计算回转体的左边轮廓点的row坐标

从瓶子的上椭圆的方程的row坐标到下椭圆方程的row坐标，在图像中从左到右遍历图片，将扫描得到的坐标，依次保存到数组中(只保存row坐标)

步骤4.6，坐标数组计算半径数组

回转体的中垂线的col坐标依次减去遍历的数组；

步骤4.7，三维重建绘图

如图3所示使用三维绘图软件或者三维绘图工具包，进行少量自动化脚本的编写即可。

本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法为基于图像的三维重建技术，它是以计算机视觉和数字摄影测量理论为依托，运用单幅图像或多幅图像，通过图像匹配、相机标定、三维绘图等一系列步骤重构三维模型。该方法不需要专业的建模人员，重建成本低、周期短，自动化程度高，且可构造出具有照片级真实感的二维模型。

Claims (4)

1.一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，提取单张回转体图像中回转体的边缘轮廓线，得到回转体的边缘轮廓图像；

步骤2，将经步骤1得到回转体的边缘轮廓图像进行旋转纠正：

步骤2.1，扫描经步骤1得到的回转体边缘轮廓图像，然后求出回转体边缘轮廓图像的极点坐标；

步骤2.2，在经步骤2.1得到的极点坐标之间根据回转体边缘轮廓选取若干坐标点；

步骤2.3，将经步骤2.2选取的若干坐标点进行椭圆拟合，得到拟合椭圆方程：

在原始测得的N(N≥5)组数据(x_i，y_i)，(i＝1,2,3,…,N)中，根据椭圆方程通式和最小二乘法原理，x_i和y_i分别就是i点的x轴坐标和y轴坐标； 这里是对i个点进行拟合，求目标函数：

的偏导数均为零，得到以下方程组：

公式(2)可以写为：

则计算

即可得到拟合系数(A，B，C，D，E)，然后求解参数x₀，y₀，a，b，q：

其中x₀和y₀为椭圆的中心点坐标，a为椭圆的长轴，b为椭圆的短轴，q为倾斜的弧度；

步骤2.4，计算经步骤2.3得到的拟合椭圆方程的参数，利用倾斜弧度q求出回转体边缘轮廓图像的旋转角，并进行判断纠正；

步骤3，将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行透视变换，还原回转体正面平行投影的轮廓图像；

步骤4，将经步骤3还原得到的回转体正面平行投影的轮廓图像进行点云三维重建。

2.根据权利要求1所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，其特征在于，所述步骤1具体为：首先将RGB彩色图像转化为灰度图像，然后通过Otsu’s算法对其进行二值化，得到有噪声的二值化图像，然后使用中值滤波对二值化图像进行去噪，最后使用Canny边缘检测算法，得到回转体边缘轮廓图像。

3.根据权利要求1所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行重新拟合椭圆方程，重复步骤2.3计算出新的拟合椭圆方程的参数；

步骤3.2，利用经步骤3.1计算出的椭圆方程求出回转体的边缘轮廓图像中上椭圆长轴的左右坐标点；

步骤3.3，然后根据步骤3.1计算出透视变换前后的坐标，然后使用OpenCV相应透视变换的库来进行透视变换，得到椭圆的方程的row坐标与col坐标。

4.根据权利要求3所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，将经步骤3透视变换后的回转体的边缘轮廓图像再次进行步骤2.3的拟合椭圆方程，得出透视变换后上下椭圆的拟合椭圆方程；

步骤4.2，利用经步骤4.1得到的上下椭圆的拟合椭圆方程，从透视变换后回转体的边缘轮廓图像的上椭圆的方程的row坐标到下椭圆方程的row坐标，在回转体的边缘轮廓图像中从左到右遍历图片，将扫描得到的坐标，依次保存到数组中；

步骤4.3，然后利用透视变换后回转体的边缘轮廓图像中垂线的col坐标依次减去经步骤4.2得到的数组，得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组；

步骤4.4，利用经步骤4.3得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组导入三维绘图软件或者三维绘图工具包进行自动化脚本的编写，最后得到重建后的三维回转体图像。

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