CN110111249B - 一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法及系统，根据隧道中心线的曲率将隧道进行分段拟合，并对每个拟合面展开后得到多个投影平面，再将隧道三维模型中的空间三角形和纹理三角形分别投影至对应的投影平面得到多幅纠正子影像，再将多幅纠正子影像拼接得到隧道内壁的整体纠正影像，由于该方法采用了对隧道先分段拟合，再投影，最后拼接的处理过程，可适用于任意截面形状的隧道，不依赖于外部硬件界设备，故该方法便捷、精度高且适用范围广。
Description
技术领域
本发明实施例涉及计算机图像处理技术领域，更具体地，涉及一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法及系统。
背景技术
根据带纹理的隧道三维模型构建隧道内壁超高分辨率二维全景图，为隧道的施工管理、日常维护等提供全局的把控，并且可以根据二维全景图所展示出的情况对隧道内壁进行裂缝检测、变形分析、超欠挖信息分析等，减少技术人员到实地考察的外业量及重大事故的发生。
目前，常用的获取隧道二维全景图的方法主要有三种：第一种是利用隧道扫描仪扫描隧道得到隧道内壁的系列影像，然后完成隧道的二维全景图的生产。第二种是直接基于拍摄的图像拼接得到二维全景图。第三种是参数化隧道三维模型后将模型展开。
第一种方法使用专门的仪器设备，但是这种设备往往价格非常昂贵，只有少数公司可以负担得起这种设备。如果只是小型隧道或者只是简单的隧道监测的情况，没必要使用这么昂贵的设备。并且这种设备的数据采集方式比较单一，不够灵活，需要沿着特定路线移动，如果处在障碍物比较多、情况很复杂的隧道环境，采集数据会遇到困难，误差也会累加。不能适用任意形状截面的隧道，生成的隧道内壁全景图像会存在很大的畸变。
第二种方法直接基于图像的算法只能处理小视差的图像，拍摄的图像不共心或者拍摄场景不在一个平面都会导致拼接图像之间拼接缝的出现，随着图像数量的增多，必然导致畸变累积，以至于拼接成的隧道全景图存在很大畸变，并且不具有测量信息。
第三种方法参数化带有纹理的隧道三维模型没有顾及隧道的形状，展开图存在非常大的畸变，导致展开图基本丧失了隧道的原有形状，造成的畸变较之第二种更大，并且只能针对流行模型，对非流行模型并不适用。
综上所述，亟需提供一种便捷、精度高以及适用范围广的隧道内壁纠正影像获取方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的隧道内壁纠正影像获取方法及系统。
第一方面本发明实施例提供了一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法，包括：
根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；
根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；
将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；
将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像。
另一方面本发明实施例提供了一种隧道内壁拼图影像的获取和生成系统，包括：
分段模块，用于根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；
第一投影模块，用于根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；
第二投影模块，用于将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；
图像拼接模块，用于将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像。
第三方面本发明实施例提供了包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行第一方面提供的隧道内壁拼图影像的获取和生成方法。
第四方面本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面提供的隧道内壁拼图影像的获取和生成方法。
本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法及系统，根据隧道中心线的曲率将隧道进行分段，并对每个分段展开后得到多个投影平面，再将隧道三维模型中的空间三角形和纹理三角形分别投影至对应的投影平面得到多幅纠正子影像，再将多幅纠正子影像拼接得到隧道的纠正子影像，由于该方法采用了对隧道先分段，再投影，最后拼接的处理过程，可适用于任意截面形状的隧道，不依赖于外部硬件界设备，故该方法便捷、精度高且适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法的流程图；
图2为本发明实施例中二维平面子图像拼接处理示意图；
图3为本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成系统的结构框图；
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法的流程图，如图1所示，包括：
S101，根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；
S102，根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；
S103，将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；
S104，将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像。
步骤S101对隧道进行分段的过程。由于隧道在长度方向上各段的截面、形状往往并不相同，其三维模型无法用同一个空间曲面方程来表示，需要对其进行分段，使得得到的每个分段的空间曲面方程能够用一个空间曲面方程来表示。
具体地，获取隧道模型中的点云，根据各点云中包含的隧道中对应的各点的位置信息，可以利用L1-median算法提取隧道的三维中心线。可以理解的是，这里也可以采用隧道的设计中心线作为三维中心线。然后，将三维中心线投影至二维平面得到中心线，或者直接使用三维样条函数拟合三维中心线。隧道中心线的曲率反映了隧道趋势的变化和弯曲程度，所以可以设定一个阈值根据曲率变化自适应的将隧道分成若干段，进而实现对隧道的精确拟合。
步骤S102-S103是对隧道的多个分段分别进行纹理映射的过程。由于将隧道投影到二维平面后，达到了降维的目的，就可以将隧道内壁展开为二维图像。
具体地，确定各隧道分段的横截面及各分段对应的柱体参数，可以利用RANSAC算法对各分段进行拟合得到多个对应的拟合曲面。再将多个拟合曲面展开得到多个投影平面，以供将隧道的三维模型投影到这多个投影平面上。遍历隧道的三维模型上的所有空间三角形，将各空间三角形投影到对应的投影平面，再根据空间三角形和纹理三角形之间的对应关系，将各纹理三角形投影到对应的投影平面，最后按一定分辨率映射到图像，进而得到多幅纠正子影像。
步骤S104为通过多幅纠正子影像拼接得到隧道内壁纠正影像的过程。
本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法，根据隧道中心线的曲率将隧道进行分段拟合，并对每个拟合曲面展开后得到多个投影平面，再将隧道三维模型中的空间三角形和纹理三角形分别投影至对应的投影平面得到多幅纠正子影像，再将多幅纠正子影像拼接得到隧道内壁的整体纠正影像，由于该方法采用了对隧道先分段拟合，再投影，最后拼接的处理过程，可适用于任意截面形状的隧道，不依赖于外部硬件界设备，故该方法便捷、精度高且适用范围广。
在上述实施例中，在根据中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段之前，还包括：
对所述中心线进行拟合得到所述中心线的拟合方程；
根据所述中心线的拟合方程计算得到所述中心线的曲率，计算所述带纹理的隧道三维模型的包围盒，得到所述中心线的定义域。
其中，在拟合得到中心线的拟合方程时，采用多项式拟合或者空间样条函数拟合。
在上述实施例中，所述根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段，具体包括：
根据所述中心线的曲率和定义域选择多个分段节点，并根据所述多个分段节点和所述多个分段节点所在的切向量确定对应的多个分段平面；
根据所述多个分段平面将所述隧道分成所述多个分段。
具体地，隧道分段过程具体可分为以下几个步骤：
(1)对隧道点云进行降采样，减少隧道中心线提取的计算量；
(2)基于L1-median算法得到隧道模型的三维中心线；
(3)将提取得到的三维中心线点投影到XOY平面进行降维分析；
(4)在XOY平面进行中心线多项式拟合，得到中心线的拟合方程；
(5)计算隧道模型的包围盒，得到隧道中心线方程的定义域；
(6)最后根据所述中心线的曲率和定义域选择多个分段节点，并根据所述多个分段节点和所述多个分段节点所在的切向量确定对应的多个分段平面；
(7)根据所述多个分段平面将所述隧道分成所述多个分段。
在上述实施例中，所述将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像，具体包括：
将所述带纹理的隧道三维模型中的空间三角形分别投影到对应的多个拟合曲面上；并将所述带纹理的隧道三维模型中的空间三角形再分别投影到对应的多个投影平面上；
根据投影之后的三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上，即得到隧道内壁的带纹理的多个二维展开三角网；
根据所述多个二维展开三角网，按一定的分辨率映射到图像，即得到多幅纠正子影像。
进一步地，所述根据投影之后的三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上，具体包括：
根据所述带纹理的隧道三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，计算所述空间三角形和所述纹理三角形之间的仿射变换矩阵；
根据所述仿射变换矩阵及预设分辨率，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上。
具体地，纹理投影过程具体可分为以下几个步骤：
(1)根据隧道的截面得到拟纠正曲面的方程(二次柱面、长方体、截面为多边形的柱体等)；
(2)假设已将隧道分为n个分段，根据纠正曲面方程及RANSAC算法拟合n个纠正曲面；
(3)调整n个纠正曲面，获取第i(i＝0，1…n-1)个和第i+1个纠正曲面之间的方向向量夹角，若大于90°，将第i+1个方向向量反向；
(4)将第i个分段对应的隧道点云投影到第i个曲面，i＝0,1,2...；
(5)将第i个曲面展开为平面，即展开为投影平面，并将投影后的隧道模型也同时映射到投影平面上；
(6)将第i个分段对应的隧道模型展开为第i个平面后，针对每对模型空间三角形与相对应的纹理三角形，计算它们之间的仿射变换矩阵；
(7)根据仿射变换矩阵及一定的分辨率将纹理三角形映射到展开平面，完成纹理的映射，产生n张展开影像，即n张纠正子影像。
在上述实施例中，所述将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道的纠正影像，具体包括：
将所述多幅纠正子影像依次拼接，得到带有拼接缝的纠正影像；
将所述多个分段各自对应的截面的顶点作为控制点对各纠正子影像进行调整，以消除所述带有拼接缝的纠正影像中的拼接缝得到所述纠正影像。
具体地，将隧道分段后，因为同一截面投影到不同的拟合曲面上，展开平面后形状表现不同，直接将几段影像拼接起来必然存在接缝问题，所以需要消除多幅纠正子影像之间的拼接缝。
隧道分段的时候，根据中心线(三维中心线在XOY平面的投影)曲率，确定了C个平面α，αi与mesh相交得到交点集合Vi＝{pj＝(xj,yj,zj)|j＝1,2..n}，连接起来得到多段线PLi。PLi在相邻两个圆柱的投影形状是不一样的，所以图像存在接缝。
如图2，pj(rowj,colj),pk(rowk,colk)为集合Vi相邻的两点在img1的位置，p'j(row'j,col'j),p'k(row'k,col'k)为对应点在img2的位置。坐标以0为起始坐标，并非1。
以img2为基准，img1的像素列坐标调整方法如下：
设p(row,col)为pi,pj中间一点，令pk＝pk',pj＝pj'。
由
得到：
img1的像素行坐标调整方法如下：
设q(rowq,col)为边界上一点，列值与p相同。row调整如下：
rownew＝row+(img1.rows()-1-rowq)
最终坐标为：
图3为本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成系统的结构框图，如图3所示，包括：分段模块301、第一投影模块302、第二投影模块303以及图像拼接模块304。其中：
分段模块301用于根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段。第一投影模块302用于根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面。第二投影模块303用于将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像。图像拼接模块304用于将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像。
本发明实施例提供的一种隧道内壁拼图影像的获取和生成系统，根据隧道中心线的曲率将隧道进行分段拟合，并对每个拟合面展开后得到多个投影平面，再将隧道三维模型中的空间三角形和纹理三角形分别投影至对应的投影平面得到多幅纠正子影像，再将多幅纠正子影像拼接得到隧道内壁的整体纠正影像，由于该方法采用了对隧道先分段拟合，再投影，最后拼接的处理过程，可适用于任意截面形状的隧道，不依赖于外部硬件设备，故该方法便捷、精度高且适用范围广。
在上述实施例中，所述系统还包括计算模块，用于在所述根据所述中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段之前，对所述中心线进行拟合得到所述中心线的拟合方程；根据所述中心线的拟合方程计算得到所述中心线的曲率，计算所述带纹理的隧道三维模型的包围盒，得到所述中心线的定义域。
在上述实施例中，分段模块301具体用于：
根据所述中心线的曲率和定义域选择多个分段节点，并根据所述多个分段节点和所述多个分段节点所在的切向量确定对应的多个分段平面；
根据所述多个分段平面将所述隧道分成所述多个分段。
在上述实施例中，第二投影模块303具体用于：
将所述带纹理的隧道三维模型中的空间三角形分别投影到对应的多个拟合曲面上；并将所述带纹理的隧道三维模型中的空间三角形再分别投影到对应的多个投影平面上；
根据投影之后的三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上，即得到隧道内壁的带纹理的多个二维展开三角网；
根据所述多个二维展开三角网，按一定的分辨率映射到图像，即得到多幅纠正子影像。
在上述实施例中，图像拼接模块304具体用于：
将所述多幅纠正子影像依次拼接，得到带有拼接缝的纠正影像；
将所述多个分段各自对应的截面的顶点作为控制点对各纠正子影像进行调整，以消除所述带有拼接缝的纠正影像中的拼接缝得到所述纠正影像。
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图4所示，电子设备包括：处理器(processor)401、通信接口(Communications Interface)402、存储器(memory)403和总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过总线404完成相互间的通信。处理器401可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像。
上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的通信设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种隧道内壁拼图影像的获取和生成方法，其特征在于，包括：
根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；
根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；
将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；
将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像；
其中，所述将所述隧道分成多个分段，具体包括：
对隧道点云进行降采样，减少隧道中心线提取的计算量；
基于L1-median算法得到隧道模型的三维中心线；
将提取得到的三维中心线点投影到XOY平面进行降维分析；
在XOY平面进行中心线多项式拟合，得到中心线的拟合方程；
计算隧道模型的包围盒，得到隧道中心线方程的定义域；
根据所述中心线的曲率和定义域选择多个分段节点，并根据所述多个分段节点和所述多个分段节点所在的切向量确定对应的多个分段平面；
根据所述多个分段平面将所述隧道分成所述多个分段。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像，具体包括：
将所述带纹理的隧道三维模型中的空间三角形分别投影到对应的多个拟合曲面上；并将所述带纹理的隧道三维模型中的空间三角形再分别投影到对应的多个投影平面上；
根据投影之后的三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上，即得到隧道内壁的带纹理的多个二维展开三角网；
根据所述多个二维展开三角网，按一定的分辨率映射到图像，即得到多幅纠正子影像。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述根据投影之后的三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上，具体包括：
根据所述带纹理的隧道三维模型中空间三角形和纹理三角形的对应关系，计算所述空间三角形和所述纹理三角形之间的仿射变换矩阵；
根据所述仿射变换矩阵及预设分辨率，将所述纹理三角形投影到所述投影平面上。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像，具体包括：
将所述多幅纠正子影像依次拼接，得到带有拼接缝的纠正影像；
将所述多个分段各自对应的截面的顶点作为控制点对各纠正子影像进行调整，以消除所述带有拼接缝的纠正影像中的拼接缝得到所述纠正影像。
5.一种隧道内壁拼图影像的获取和生成系统，其特征在于，包括：
分段模块，用于根据带纹理的隧道三维模型的中心线的曲率和定义域将所述隧道分成多个分段；
第一投影模块，用于根据所述多个分段分别拟合得到多个拟合曲面，并将所述多个拟合曲面，然后分别展开得到多个投影平面；
第二投影模块，用于将所述带纹理的隧道三维模型投影到所述多个投影平面上，得到对应于所述多个分段的多幅纠正子影像；
图像拼接模块，用于将所述多幅纠正子影像依次进行拼接，得到所述隧道内壁的纠正影像；
其中，所述将所述隧道分成多个分段，具体包括：
对隧道点云进行降采样，减少隧道中心线提取的计算量；
基于L1-median算法得到隧道模型的三维中心线；
将提取得到的三维中心线点投影到XOY平面进行降维分析；
在XOY平面进行中心线多项式拟合，得到中心线的拟合方程；
计算隧道模型的包围盒，得到隧道中心线方程的定义域；
根据所述中心线的曲率和定义域选择多个分段节点，并根据所述多个分段节点和所述多个分段节点所在的切向量确定对应的多个分段平面；
根据所述多个分段平面将所述隧道分成所述多个分段。
6.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如权利要求1至4任一项所述的隧道内壁拼图影像的获取和生成方法。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至4任一项所述的隧道内壁拼图影像的获取和生成方法。
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