CN110672080B - 一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针 - Google Patents

一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针 Download PDF

Info

Publication number
CN110672080B
CN110672080B CN201911001388.6A CN201911001388A CN110672080B CN 110672080 B CN110672080 B CN 110672080B CN 201911001388 A CN201911001388 A CN 201911001388A CN 110672080 B CN110672080 B CN 110672080B
Authority
CN
China
Prior art keywords
compass
laser
sfm
telescopic rod
soft container
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201911001388.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110672080A (zh
Inventor
王冉
林靖愉
李路
肖宙轩
惠元秀
辛永辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changan University
Original Assignee
Changan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changan University filed Critical Changan University
Priority to CN201911001388.6A priority Critical patent/CN110672080B/zh
Publication of CN110672080A publication Critical patent/CN110672080A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110672080B publication Critical patent/CN110672080B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
    • G01C17/02—Magnetic compasses
    • G01C17/04—Magnetic compasses with north-seeking magnetic elements, e.g. needles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，涉及三维模型校正技术领域，本发明包括伸缩杆和永平指南针，利用伸缩杆后端的激光测得伸缩杆前端到激光源之间的距离；其底座为轻质抗压可自由变形材料制成的容器，内盛液体，利用密度大于液体和尖底直立杆保持与之垂直的指南针永远水平，指南针与伸缩杆的夹角则为伸缩杆的方位角。相比于RTK‑GPS(实时动态载波相位差分技术)坐标校正方法，本发明有质轻、抗压、设计范围内无级比例尺、无需卫星信号等优点，实现了更为轻便的、作业环境适应性强的、可空投的一种SfM三维模型校正方法体系，更适合不同环境的野外作业使用，可以应用于建筑、水利工程、土木、地质、地理和军事等诸多领域。

Description

一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针
技术领域
本发明涉及三维模型校正技术领域，特别涉及一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针。
背景技术
在利用SfM(Structure from Motion，运动恢复结构)恢复精细场景结构并提取信息的过程中，模型尺寸与姿态控制至关重要，尤其是在建筑、土木工程、地球科学及军事等野外作业的领域。因为这些领域需要正确的大小、姿态和相对地理位置关系，这是下一步几何学参数正确提取的前提。通常，实际场景中若无控制点，针对一系列无序影像应用SfM，将会生成相对或任意坐标系下的密集点云，点云模型相对真实世界发生了缩放与旋转。产生这一现象的原因在于SfM技术在拍摄过程中简化了实际操作，它不同摄影测量技术，是无需相机的内外方位参数等先验知识或参考信息的，但这一简化造成了模型不具有真实几何条件。为使低成本而又高效的SfM三维重建技术真正得到应用，模型尺寸与姿态控制就不可缺少。
现有的模型尺寸和姿态控制可分为以下两种办法：1)根据GPS坐标校正模型，具体分为两种方式：利用本身具有GPS接收机的相机拍摄；对场景中控制点测量获取GPS坐标。虽前者相片赋存GPS坐标，但定位精度不高，故难以满足实际工作需求。后者需要高精度GPS测量控制点得到真实坐标，对点云进行校正，虽可生成精确模型，但却增添了GPS测量仪器的成本和重量，不符合SfM方法低价高效的初衷。2)在被拍摄场景中布置具有已知尺寸和姿态的物体，同时被拍摄，保证其参数可用于三维模型的校正。例如，提前在感兴趣区中水平放置一块具有方位和大小刻度的轻质塑料板，因已知其姿态矩阵和模型中的姿态矩阵，即可计算二者之间的旋转矩阵，再应用到整个模型即可达到校正要求，该方法可生成毫米误差和五度偏差内的模型，但是这种方式只能人工放置，流程又比较复杂，所以就需要一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，用以解决现有技术中存在的问题。
一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，包括软体容器基座，所述软体容器基座上部为软体容器，所述软体容器上方固定与所述软体容器密封为一体的圆形刚性的浮板，所述浮板的材料密度大于所述软体容器的材料密度，所述软体容器内部盛装液体，所述浮板及与之相连接的其它部分总密度小于所述液体；所述浮板中心位置贯穿且密封固定直立杆，所述直立杆下端固定重锤，所述直立杆顶端水平固定指南针；
所述直立杆上部垂直固定在伸缩杆的中心位置，所述伸缩杆的中部安装激光测距仪，所述伸缩杆两端分别固定反光板一和反光板二，所述直立杆上安装数显设备，所述数显设备与所述激光测距仪电连接。
优选地，所述软体容器由自由变形材料制成。
优选地，所述伸缩杆为两端均可伸缩的伸缩结构。
优选地，所述软体容器中四分之三盛有液体，四分之一为可压缩稀薄空气。
优选地，所述伸缩杆为电动遥控伸缩杆。
本发明有益效果：本发明有质轻、抗压、设计范围内无级比例尺、无需卫星信号等优点，实现了更为轻便的、作业环境适应性强的、可空投的一种SfM三维模型校正方法体系，更适合不同环境的野外作业使用，可以应用于建筑、水利工程、土木、地质、地理和军事等诸多领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针的结构示意图。
附图标记说明：
1-软体容器基座，101-软体容器，102-液体，103-浮板，2-直立杆，201-重锤，3-伸缩杆，301-激光测距仪，302-反光板一，303-反光板二，304-数显设备，4-指南针。
具体实施方式
下面结合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、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参照图1，本发明提供了一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，包括软体容器基座1，所述软体容器基座1上部为软体容器101，所述软体容器101上方固定与所述软体容器101密封为一体的圆形刚性的浮板103，所述软体容器101由自由变形材料制成，所述浮板103的材料密度大于所述软体容器101的材料密度，所述软体容器101内部盛装液体102；液体102为水或油等，所述软体容器101中四分之三盛有液体102，液体在重力作用下，一定保持水平，另外四分之一为可压缩稀薄空气，所述浮板103及与之相连接的其它部分总密度小于所述液体102，以达到平衡，保持其能通过浮板103而浮在液面上。
所述浮板103中心位置贯穿且密封固定直立杆2，所述直立杆2下端固定重锤201，直立杆下端重锤201与上半部分通过设计达到重力平衡，类似于不倒翁原理，永远保持不倒，从而保证伸缩杆3和指南针4保持水平，所述直立杆2顶端水平固定指南针4，因磁场作用永远指向南北方位。
所述直立杆2上部垂直固定在伸缩杆3的中心位置，所述伸缩杆3为两端均可伸缩的伸缩结构，或者为方向相背的两个伸缩杆。所述伸缩杆3的中部安装激光测距仪301，所述激光测距仪301可向两端发射激光，所述伸缩杆3两端分别固定反光板一302和反光板二303，所述直立杆2上安装数显设备304，所述数显设备304与所述激光测距仪301电连接，通过激光测距原理，得到伸缩杆3某一状态的长度，并显示在安装于直立杆内部的数显设备304上。
被拍摄的伸缩杆3大小可在遥控的控制下自由伸缩，以适应不同摄影机位产生的不同空间分辨率，在一定范围内适应相机分辨率，从而被识别。伸缩杆3起到设计范围内无级比例尺的作用，它与被摄场景一起被相机拍摄，用于校正SfM模型的尺寸。指南针4与伸缩杆3之间存在旋转角度，可根据恢复的三维模型得到，伸缩杆的方位角即可得到。因他们永远保持水平，因此可以用方位角和水平面两个参数校正SfM模型的姿态。
该方法的总体技术流程如下：
步骤A，现场布置设计的永平指南针，可知姿态矩阵为(0,0,1)，后手持相机拍摄地面场景，获取覆盖研究区的多方位的清晰照片集；
步骤B，室内检查照片质量，删除模糊、残影、过度曝光等有问题的照片。将图片集导入至Agisoft Photoscan软件中，通过固定流程生成密集点云；
步骤C，将密集点云导入至CloudCompare软件中，利用罗盘工具计算永平指南针产状，并转化为姿态矩阵，在MATLAB软件中计算模型姿态矩阵M和真实姿态矩阵F之间旋转矩阵R。而尺度变换因子则为激光测距大小数值与模型大小之比。用旋转矩阵和尺度变换因子来校正模型。
以下以一组面为例：
R＝M×F
θ＝sin-1R
其中：R为矩阵叉乘结果，即代表旋转矩阵，而θ为旋转角度。
步骤D，模型校正之后，再次利用罗盘工具测定模型面产状，以及多次测量模型内物体大小，验证模型在尺度和姿态两方面的校正效果。
本专利的算法处理主要是基于科学矩阵计算软件(如MATLAB)，三维重建软件(如Agisoft Photoscan)和三维点云处理开源软件(如CloudCompare)。首先通过诸如Photoscan的三维建模软件完成场景三维重建，然后利用诸如CloudCompare和MATLAB的尺度和姿态提取软件来实现模型尺度和姿态校正，最后验证校正效果。
本发明主要有以下五点特征：
1)指南针和伸缩杆，永远保持水平；
2)指南针永远指向南北；
3)伸缩杆可以遥控伸缩长短且可以根据自带激光及其端部的反光板得到遥控的距离，实现无级比例尺的功能；
4)目标大小可调，在一定范围内可在相机分辨率条件下被识别。
5)操作流程大大简化，能够空投并自动返回尺寸和姿态数据。
永平指南针包括软体容器基座、伸缩杆、直立杆和指南针四大部分，下方附有防水平板，由于密度小于下方水或油体，整体会漂浮在水面上，同时上有尖底直立杆，下附有重锤，类似于不倒翁，永远保持直立，依据尖底直立杆即可保持水平，便可构造水平面。而伸缩杆可遥控调整长度，伸缩杆上发射激光测距得出长度值。而指南针重量轻可自由旋转，指示真实地理方向，同时这道激光与指南针形成夹角，即方位角。伸缩杆上贴有明显标志，便于在生成模型中被识别，如此便可指示真实方向，并给出尺度大小控制。
综上所述，利用本发明的设备所得尺寸和水平方位来校正SfM模型：尺寸用激光测距得到的超过mm级空间分辨率的任意尺度来约束，水平方位应用指南针永远指向地球南北极的原理来约束。具体包括加载激光测距功能的伸缩杆和永平指南针两大部分，利用伸缩杆后端的激光测得伸缩杆前端到激光源之间的距离；其底座为轻质抗压可自由变形材容器，内盛液体，利用密度大于液体和尖底直立杆保持与之垂直的指南针永远水平，指南针方位指向地球南北极，指南针与伸缩杆的夹角则为伸缩杆的方位角。相比于RTK-GPS(Real-time kinematic，实时动态载波相位差分技术)坐标校正方法，本发明装置有质轻、抗压、设计范围内无级比例尺、无需卫星信号等优点，实现了更为轻便的、作业环境适应性强的、可空投的一种SfM三维模型校正方法体系，更适合不同环境的野外作业使用，可以应用于建筑、水利工程、土木、地质、地理和军事等诸多领域。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，其特征在于，包括软体容器基座(1)，所述软体容器基座(1)上部为软体容器(101)，所述软体容器(101)上方固定与所述软体容器(101)密封为一体的圆形刚性的浮板(103)，所述浮板(103)的材料密度大于所述软体容器(101)的材料密度，所述软体容器(101)内部盛装液体(102)，所述浮板(103)及与之相连接的其它部分总密度小于所述液体(102)；所述浮板(103)中心位置贯穿且密封固定直立杆(2)，所述直立杆(2)下端固定重锤(201)，所述直立杆(2)顶端水平固定指南针(4)；
所述直立杆(2)上部垂直固定在伸缩杆(3)的中心位置，所述伸缩杆(3)的中部安装激光测距仪(301)，所述伸缩杆(3)两端分别固定反光板一(302)和反光板二(303)，所述直立杆(2)上安装数显设备(304)，所述数显设备(304)与所述激光测距仪(301)电连接。
2.如权利要求1所述的一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，其特征在于，所述软体容器(101)由自由变形材料制成。
3.如权利要求1所述的一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，其特征在于，所述伸缩杆(3)为两端均可伸缩的伸缩结构。
4.如权利要求1所述的一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，其特征在于，所述软体容器(101)中四分之三盛有液体(102)，四分之一为可压缩稀薄空气。
5.如权利要求1所述的一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针，其特征在于，所述伸缩杆(3)为电动遥控伸缩杆。
CN201911001388.6A 2019-10-21 2019-10-21 一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针 Expired - Fee Related CN110672080B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911001388.6A CN110672080B (zh) 2019-10-21 2019-10-21 一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911001388.6A CN110672080B (zh) 2019-10-21 2019-10-21 一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110672080A CN110672080A (zh) 2020-01-10
CN110672080B true CN110672080B (zh) 2020-10-23

Family

ID=69083512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911001388.6A Expired - Fee Related CN110672080B (zh) 2019-10-21 2019-10-21 一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110672080B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112712559B (zh) * 2020-12-28 2021-11-30 长安大学 基于NED坐标系向量旋转的SfM点云校正方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104200523A (zh) * 2014-09-11 2014-12-10 中国科学院自动化研究所 一种融合附加信息的大场景三维重建方法
CN107004028A (zh) * 2014-12-19 2017-08-01 高通股份有限公司 可缩放3d地图绘制系统
CN109781083A (zh) * 2019-03-05 2019-05-21 重庆工商大学 一种具有定位和测长功能的地质罗盘

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7006944B2 (en) * 2003-11-10 2006-02-28 Mitsubishi Electric Research Labs., Inc. Method for determining poses of sensors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104200523A (zh) * 2014-09-11 2014-12-10 中国科学院自动化研究所 一种融合附加信息的大场景三维重建方法
CN107004028A (zh) * 2014-12-19 2017-08-01 高通股份有限公司 可缩放3d地图绘制系统
CN109781083A (zh) * 2019-03-05 2019-05-21 重庆工商大学 一种具有定位和测长功能的地质罗盘

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于无人机的小流域地形提取技术;高尚;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》;20180315;第1-65页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110672080A (zh) 2020-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bemis et al. Ground-based and UAV-Based photogrammetry: A multi-scale, high-resolution mapping tool for structural geology and paleoseismology
CN107464264A (zh) 一种基于gps的相机参数标定方法
CN104268935A (zh) 一种基于特征的机载激光点云与影像数据融合系统及方法
CN103822644B (zh) 一种三维激光成像系统的相机标定方法
CN109146958B (zh) 一种基于二维图像的交通标志空间位置测量方法
CN107917699A (zh) 一种用于提高山区地貌倾斜摄影测量空三质量的方法
CN105334525A (zh) 一种基于增强现实技术的地理信息显示方法
CN110986888A (zh) 一种航空摄影一体化方法
Corradetti et al. Virtual outcrops in a pocket: The smartphone as a fully equipped photogrammetric data acquisition tool
CN110672080B (zh) 一种用于SfM三维建模的加载激光无级比例尺的永平指南针
CN108253942A (zh) 一种提高倾斜摄影测量空三质量的方法
CN101793517B (zh) 一种提高机载平台定姿精度的在线快速方法
Lin et al. Landslide identification and information extraction based on optical and multispectral UAV remote sensing imagery
Sørensen et al. Point clouds from oblique stereo-imagery: Two outcrop case studies across scales and accessibility
CN114140397A (zh) 全数字地面成像法重力近区地形改正方法及系统
Yuan et al. Theoretical accuracy of direct georeferencing with position and orientation system in aerial photogrammetry
Niu et al. 3D geopositioning accuracy analysis based on integration of QuickBird and IKONOS imagery
Kulur et al. The Effect of Pixel Size on the Accuracy of Orthophoto Production
Chadwick et al. The application of digital reconstruction techniques in taphonomy of an Upper Cretaceous dinosaur site in eastern Wyoming
Yilmaz et al. Selection of the most suitable sizes of ground control points in the satellite images
CN108491401A (zh) 一种2.5维地图的坐标纠偏方法
Clay et al. Assessing the Accuracy of Georeferenced Point Clouds from Uas Imagery
Kaamin et al. Evaluation of Orthophoto Image using UAV Photogrammetry in UTHM Parit Raja
Barragána et al. HISTORICAL DOCUMENTATION IN SAN AGUSTIN (HUILA), COLOMBIA, WORLD HISTORICAL HERITAGE USING CLOSE RANGE PHOTOGRAMMETRY TECHNIQUES: A CASE STUDY OF THE STATUE" TRIANGULAR FACE
Clapuyt et al. Very-high resolution monitoring of movement of surface material within a landslide

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20201023

Termination date: 20211021

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee