CN111091595B - 斜视三维测绘方法及测绘系统 - Google Patents

斜视三维测绘方法及测绘系统 Download PDF

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Abstract

斜视三维测绘方法及测绘系统，涉及光电技术及数字图像处理领域，解决现有技术对物体进行斜视三维测绘方法存在系统结构复杂、导致运算速度慢，效率低等问题，包括地面，摄像机，第一物体，第二物体和图像处理器；本发明提供了一种运用天际线计算进行测绘的方法，从平行视角下的两张斜视图像照片中计算得到天际线，斜视照片的图像畸变经过旋转和畸变校正，可以得到景物中物体在水平与垂直两个方向的正视图像，可以用统一比例尺度量测绘；与传统方法相比，本发明最少只需要两张照片，数据量小，算法简单；本发明适用于航拍等三维测绘等应用。

Description

斜视三维测绘方法及测绘系统
技术领域
本发明涉及光电技术及数字图像处理领域，具体涉及一种斜视三维测绘方法及测绘系统；适用于航拍等三维测绘等应用。
背景技术
传统航拍测绘平面图需要使用正视图像，需要飞行器在航拍区正上方进行Z字形密集飞行；但是有些区域正上方空间属于禁飞区，因此无法进行航拍；在斜视照片中，图像存在畸变，不能直接用像素坐标定位景物或计算距离；在航天活动中拍摄到很多斜视照片；例如月球车在月表拍摄到的照片，不仅视线倾斜，而且图中可供参考估算尺寸与距离的物体非常少，导致难以判断车前障碍的位置与距离；
传统对物体进行三维测绘首先需要多角度进行大量拍摄，然后采用矩阵变换方法；或者利用多个摄像机，采用三角测量方法从视差中恢复出深度信息，存在数据量巨大，算法复杂速度慢的问题；
发明内容
本发明为解决现有技术对物体进行斜视三维测绘方法存在系统结构复杂、导致运算速度慢，效率低等问题，提供一种斜视三维测绘方法及测绘系统。
斜视三维测绘方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用摄像机斜视拍摄包含平面上不共线的A点，B点和C点的斜视图像S0；水平方向移动摄像机，再次斜视拍摄包含A点，B点和C点的斜视图像S1；
步骤二、采用图像处理器对步骤一获得的斜视图像S0和斜视图像S1进行处理，获得平面斜视图；
具体处理过程为：
步骤二一、设定地面所在平面为π，平面上存在不共线的A点，B点和C点；在斜视图像S0中，A1点，B1点以及点C1点对应地面上A点，B点和C点；在斜视图像S1中，A2点，B2点以及C2点对应地面上A点，B点和C点；
步骤二二、取斜视图像S0和斜视图像S1中的A1点、A2点、B1点、B2点、C1点、C2点以及像心M的坐标，输入平面β；连接A1点和B1点，A2点和B2点，A1点和C1点，A2点和C2点；直线A1C1与直线A2C2交于P1点，直线A1B1与直线A2B2交于P2点；
步骤二三、连接P1点与P2点，直线P1P2为水平天际线，以像心M为轴使β平面旋转角度ψ，所述水平天际线到达水平方向，获得平面斜视图γ；
步骤三、对步骤二获得的平面斜视图γ进行畸变矫正，获得地面正视图；具体过程为：
步骤三一、在所述平面斜视图γ上，以像心M为坐标原点建立uv平面直角坐标系，水平方向为u轴，垂直方向为v轴；水平天际线与v轴交于点K，线段MK长度为T；四边形A1A2B2B1为梯形，上底边A1A2的宽度为a，下底边B1B2的宽度为w，高A1D为h；
定义水平插值因子Ex(v)为：
Ex(v)＝v*(w-a)/h
定义垂直方向上插值强度为Q(v)：
Figure GDA0004202163760000021
步骤三二、对步骤三一所述的平面斜视图γ进行旋转，再进行水平插值像素点和垂直插值像素行；获得含有A点，B点和C点的地面正视图；
步骤四、在步骤三获得的地面正视图中，对每一个像素对应的物体均与地面上已知高度的物体虚拟共面绘制垂直正视图，则根据获得地面上所有物体的实际高度数值，实现整个地面视图的三维重建。
斜视三维测绘系统，包括摄像机，第一物体、第二物体和图像处理器；
设定地面为水平面，有A点，B点和C点位于地面上，并且三点不在同一条直线上，第一物体高度DE为已知，D点在地面上，E点在第一物体的顶端，DE连线垂直于地面；第二物体高度GH为未知，G点在地面上，H点在第二物体的顶端，GH连线垂直于地面；
所述摄像机拍摄含有第一物体和第二物体的图像S3，绘制垂直正视图η；将所述垂直正视图η设定为平面，DE连线与GH连线均处于平面中，视线垂直所述平面时，第一物体和第二物体所述平面中各个方向的比例尺相同；
建立直角坐标系，以在地面上与中轴线垂直的方向作为x轴方向；以在地面上中轴线投影所在直线的方向作为y轴方向；以地面垂直的法线方向作为z轴方向；摄像机正下方地面为坐标原点O；
交换x轴与z轴，则垂直正视图η处于水平面上一个ij平面直角坐标系中，找到与点D，点E，点G和点H在图像S3中的对应点D1，点E1，点G1和点H1，直线D1E1与直线G1H1相交于天际点K1，然后旋转角度ψ使天际点K1落在j轴上；计算水平插值因子和垂直插值强度，进行ij平面直角坐标系的插值之后得到的图像为垂直正视图；根据已知第一物体的高度LDE，即可根据D1点和E1点在垂直正视图中对应点的像素坐标(ID,JD)和(IE,JE)距离计算出比例尺，计算第二物体的高度LGH；用下式表示为：
Figure GDA0004202163760000031
式中，(IG,JG)和(IH,JH)为第二物体上G和H两点在ij平面直角坐标系中的坐标；
在地面正视图中，对每一个像素对应的物体都与地面上一个已知高度的物体虚拟共面绘制垂直正视图，获得地面上所有物体的高度数值，实现整个地面的三维重建。
本发明有益的效果：
使用本发明提供的方法及系统，如果只进行平面测绘，那么只需要倾斜拍摄少量几幅照片，而不再需要进入在拍摄区正上方进行Z字形密集拍摄；对于整体比较平坦，起伏不大，景物相互无遮挡的地域或物体进行三维测绘，最少只需拍摄两幅斜视照片即可。
本发明所述的方法运用天际线计算进行测绘，从平行视角下的两张斜视图像照片中计算得到天际线，斜视照片的图像畸变经过旋转和畸变校正，可以得到景物中物体在水平与垂直两个方向的正视图像，可以用统一比例尺度量测绘；与传统方法相比，最少只需要两张照片，数据量小，结构简单，运算速度快。算法简单。
附图说明
图1为本发明所述的斜视三维测绘系统的结构图；
图2为本发明所述的斜视三维测绘方法绘制出地面正视图的原理图；
图3为本发明所述的斜视三维测绘方法对平面斜视图γ进行畸变矫正，绘制出地面正视图的效果图；
图4为本发明所述的斜视三维测绘方法获得垂直正视图的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，斜视三维测绘系统，包括地面1，摄像机2，第一物体3，第二物体4和图像处理器；图1为本实施方式所述的系统结构图，地面1为水平面π，有不共线三点A，B和C位于地面上，有一个物体3高度DE为已知，D点在地面1上，E点在第一物体3的顶端，DE连线垂直于地面；第二物体4高度GH为未知，G点在地面1上，H点在第一物体4的顶端，GH连线垂直于地面；建立直角坐标系，以在地面1上与中轴线垂直的方向作为x轴方向；以在地面1上中轴线投影所在直线的方向作为y轴方向；以地面1垂直的法线方向作为z轴方向；摄像机正下方地面为坐标原点O；
结合图4说明本实施方式，所述摄像机拍摄一张包含有第一物体3和第二物体4的图像S3，可以绘制出一幅垂直正视图η；所述垂直正视图是假想存在一个平面，DE连线与GH连线都处于这个平面之中，视线垂直于这个平面时，看到物体3和物体4在这个平面中各个方向的比例尺相同；交换x轴与z轴，则垂直正视图η处于水平面上一个ij平面直角坐标系中，先用点D，点E，点G和点H在照片S3中的对应点D1，点E1，点G1和点H1，直线D1E1与直线G1H1相交于天际点K1，然后旋转角度ψ使天际点K1落在j轴上；计算出水平插值因子和垂直插值强度，进行ij平面直角坐标系的插值；根据已知第一物体3的高度LDE，即可根据在垂直正视图中D1点和E1点像素坐标(ID,JD)和(IE,JE)距离计算出比例尺，计算得到第二物体4的高度LGH；
Figure GDA0004202163760000051
其中(IG,JG)和(IH,JH)是物体4上G和H两点在ij平面直角坐标系中的坐标；
本实施方式中，在倾斜视角拍摄照片的过程中，沿水平面上移动一次摄像机，可以得到地面正视图；在地面正视图中对每一个像素对应的物体都与地面上一个已知高度的物体虚拟共面绘制垂直正视图，则可获得地面上所有物体的实际高度数值，实现整个地面的三维重建；
本实施方式中，若摄像机2为只有一个镜头的单目摄像机，则三维重建过程必须移动摄像机或景物；若摄像机2是具有两个镜头的双目摄像机，则不必移动摄像机或景物，拍摄过程中只需转动摄像机即可直接进行三维重建；双目摄像时，使用两个完全性能参数一致的摄像机，在焦距相同情况下，中轴线平行，像面方向一致；倾视放置两个摄像机，分别拍摄图像S5和S6；利用地面上A点，B点和C点在图像S5和图像S6上的对应点计算出天际线转角，然后旋转斜视照片，进行uv平面直角坐标系的插值，得到地面正视图；利用地面上第一物体3和第二物体4在图像S5和图像S6上的对应点，绘制出一幅垂直正视图；交换x轴与z轴之后，根据天际点位于j轴来旋转斜视照片，再进行ij平面直角坐标系的插值；计算出垂直正视图的比例尺之后，可以根据已知第一物体3的高度，计算得到第二物体4的高度；在地面正视图中，对每一个像素对应的物体都与地面上一个已知高度的物体虚拟共面绘制垂直正视图，获得地面上所有物体的高度数值，实现整个地面的三维重建；在整个重建过程中，摄像机和景物都无需发生任何机械运动；
本实施方式中，若拍摄过程中，第一物体3或第二物体4受到地面上其它物体阻挡而拍摄不到，则可以移动摄像机或景物到其他方向和角度之后，再进行拍摄；对于整体比较平坦，只存在少数几个垂直突出的平面，可以用最少两幅斜视图像照片实现三维重建；而对于起伏较大的不平坦平面，因景物相互遮挡较多，则需要从多个角度经过多次拍摄才能准确实现三维重建。
具体实施方式二、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式为斜视三维测绘方法，
一、摄像机2斜视拍摄一张包含有A点，B点和C点的图像S0；之后保持视摄像机2姿态，中轴线方向及焦距不变，水平任意方向移动摄像机2，再斜视拍一张仍然包含A点，B点和C点的图像S1；利用图像S0和图像S1这两张斜视图，可以绘制出一幅地面正视图；
结合图2说明本实施方式，地面1所在平面为π，上面有不共线的A点，B点和C点；拍摄照片S0中，点A1，点B1以及点C1对应地面上A点，B点和C点；拍摄照片S1中，点A2，点B2以及点C2对应地面上A点，B点和C点；取得S0和S1中A1，A2，B1，B2，C1及C2这六个点，还有像心M的坐标，输入平面β；用直线连接A1和B1，用直线连接A2和B2，用直线连接A1和C1，用直线连接A2和C2；直线A1C1与直线A2C2交于P1点，直线A1B1与直线A2B2交于P2点；用直线连接P1与P2，把这条线称为水平天际线，P1和P2点以及水平天际线可能位于像面图像实际区域之外，这时就需要对这些坐标进行虚拟运算；以像心为轴使β平面旋转角度ψ之后，水平天际线到达水平方向得到平面斜视图γ；
在平面γ上，以像心M为坐标原点建立uv平面直角坐标系，水平方向为u轴，垂直方向为v轴；平面γ中图像区域宽度为U，高度为V；水平天际线与v轴交于点K，线段MK长度为T；四边形A1A2B1B2为梯形，上底A1A2的宽度为a，下底B1B2的宽度为w，高A1D为h；定义水平插值因子Ex(v)是v的函数；
Ex(v)＝v*(w-a)/h
定义垂直方向上插值强度为Q(v)是v的函数；
Figure GDA0004202163760000071
二、对平面斜视图γ进行畸变矫正，得到正视图像，具体过程：先旋转，再进行水平插值像素点，之后进行垂直插值像素行；即可以矫正S0也可以矫正S1，都可以得到包含有A，B以及C三点的地面正视图；
对斜视图进行旋转，转动角度为ψ；用一个从零到V的循环，对每行像素都用水平插值因子Ex(v)进行水平插值，额外填充一些近似像素数据，矫正水平方向的图像畸变，得到水平矫正图；用一个从零到V的循环，从水平矫正图的下边缘向上进行矫正；插值强度为Q(v)表示每次应额外填充插入近似像素数据的行数；循环结束即得到包含有A，B，C三点的地面正视图；
结合图3说明本实施方式，图3为对平面斜视图γ进行畸变矫正，绘制出地面正视图的效果图；在平面γ上原来四点连线为梯形，经过畸变矫正之后，四点连线为矩形；地面正视图上所有方向具有相等的比例尺；图中各点所在像素的坐标与地面上实际位置坐标存在比例关系，若已知地面上点A与点B之间的距离LAB，则在uv平面直角坐标系上可计算比例尺SC；
Figure GDA0004202163760000081
若C1坐标为(Uc,Vc)，则C1点在地面上的坐标为(SC*UC,SC*VC)；可以把斜视图中对应在地面的所有像素绘制到地面正视图中。

Claims (3)

1.斜视三维测绘方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、采用摄像机(2)斜视拍摄包含平面上不共线的A点，B点和C点的斜视图像S0；水平方向移动摄像机(2)，再次斜视拍摄包含A点，B点和C点的斜视图像S1；
步骤二、采用图像处理器对步骤一获得的斜视图像S0和斜视图像S1进行处理，获得平面斜视图；
具体处理过程为：
步骤二一、设定地面(1)所在平面为π，平面上存在不共线的A点，B点和C点；在斜视图像S0中，A1点，B1点以及点C1点对应地面上A点，B点和C点；在斜视图像S1中，A2点，B2点以及C2点对应地面上A点，B点和C点；
步骤二二、取斜视图像S0和斜视图像S1中的A1点、A2点、B1点、B2点、C1点、C2点以及像心M的坐标，输入平面β；连接A1点和B1点，A2点和B2点，A1点和C1点，A2点和C2点；直线A1C1与直线A2C2交于P1点，直线A1B1与直线A2B2交于P2点；
步骤二三、连接P1点与P2点，直线P1P2为水平天际线，以像心M为轴使β平面旋转角度ψ，所述水平天际线到达水平方向，获得平面斜视图γ；
步骤三、对步骤二获得的平面斜视图γ进行畸变矫正，获得地面正视图；具体过程为：
步骤三一、在所述平面斜视图γ上，以像心M为坐标原点建立uv平面直角坐标系，水平方向为u轴，垂直方向为v轴；水平天际线与v轴交于点K，线段MK长度为T；四边形A1A2B2B1为梯形，上底边A1A2的宽度为a，下底边B1B2的宽度为w，高A1D为h；
定义水平插值因子Ex(v)为：
Ex(v)＝v*(w-a)/h
定义垂直方向上插值强度为Q(v)：
Figure FDA0004185863560000011
步骤三二、对步骤三一所述的平面斜视图γ进行旋转，再进行水平插值像素点和垂直插值像素行；获得含有A点，B点和C点的地面正视图；
步骤四、在步骤三获得的地面正视图中，对每一个像素对应的物体均与地面上已知高度的物体虚拟共面绘制垂直正视图，则根据获得地面上所有物体的实际高度数值，实现整个地面视图的三维重建；
所述步骤三二的具体过程为：对所述平面斜视图γ进行旋转，转动角度为ψ；采用从0到V的循环，对每行像素采用水平插值因子Ex(v)进行水平插值，填充新的像素数据，矫正水平方向的图像畸变，获得水平矫正图；采用从0到V的循环，从所述水平矫正图的下边缘向上进行矫正；插值强度Q(v)为每次应填充插入新的像素数据的行数；循环结束后，获得含有A点，B点和C点的地面正视图；
所述斜视三维测绘方法通过斜视三维测绘系统实现，所述测绘系统包括摄像机(2)，第一物体(3)、第二物体(4)和图像处理器；
设定地面(1)为水平面，有A点，B点和C点位于地面上，并且三点不在同一条直线上，第一物体(3)高度DE为已知，D点在地面(1)上，E点在第一物体(3)的顶端，DE连线垂直于地面(1)；第二物体(4)高度GH为未知，G点在地面(1)上，H点在第二物体(4)的顶端，GH连线垂直于地面(1)；
所述摄像机(2)拍摄含有第一物体(3)和第二物体(4)的图像S3，绘制垂直正视图η；将所述垂直正视图η设定为平面，DE连线与GH连线均处于平面中，视线垂直所述平面时，第一物体(3)和第二物体(4)所述平面中各个方向的比例尺相同；
建立直角坐标系，以在地面(1)上与中轴线垂直的方向作为x轴方向；以在地面(1)上中轴线投影所在直线的方向作为y轴方向；以地面(1)垂直的法线方向作为z轴方向；摄像机正下方地面为坐标原点O；
交换x轴与z轴，则垂直正视图η处于水平面上一个ij平面直角坐标系中，找到与点D，点E，点G和点H在图像S3中的对应点D1，点E1，点G1和点H1，直线D1E1与直线G1H1相交于天际点K1，然后旋转角度ψ使天际点K1落在j轴上；计算水平插值因子和垂直插值强度，进行ij平面直角坐标系的插值之后得到的图像为垂直正视图；根据已知第一物体(3)的高度LDE，即可根据D1点和E1点在垂直正视图中对应点的像素坐标(ID,JD)和(IE,JE)距离计算出比例尺，计算第二物体(4)的高度LGH；用下式表示为：
Figure FDA0004185863560000031
式中，(IG,JG)和(IH,JH)为第二物体(4)上G和H两点在ij平面直角坐标系中的坐标；
所述摄像机(2)为单目摄像机或双目摄像机，双目摄像机摄像时，采用两个完全性能参数一致的摄像机，在焦距相同的情况下，中轴线平行，像面方向一致；倾视放置两个摄像机，分别拍摄图像两幅图像，采用地面上A点，B点和C点在两幅图像上的对应点计算出天际线转角，然后旋转斜视图像，进行uv平面直角坐标系的插值，得到地面正视图；
采用地面上第一物体和第二物体分别在两幅图像上的对应点，绘制出一幅垂直正视图；交换x轴与z轴后生成ij平面直角坐标系，根据天际点位于j轴旋转斜视图像，再进行ij平面直角坐标系的插值；计算出垂直正视图的比例尺后，根据已知第一物体的高度，计算第二物体的高度；在地面正视图中，对每一个像素对应的物体都与地面上一个已知高度的物体虚拟共面绘制垂直正视图，获得地面上所有物体的高度数值，实现整个地面的三维重建。
2.根据权利要求1所述的斜视三维测绘方法，其特征在于：在地面正视图中，各方向具有相同的比例尺；A点在uv平面直角坐标系上坐标为(UA,VA)；B点在uv平面直角坐标系上坐标为(UB,VB)；当已知地面上A点与B点之间的距离LAB时，则计算比例尺SC，用下式表示为：
Figure FDA0004185863560000032
若C点在uv平面直角坐标系上坐标为(Uc,Vc)，则C点在地面上的坐标为(SC*UC,SC*VC)；实现将斜视图中对应在地面的所有像素点绘制到地面正视图中。
3.根据权利要求1所述的斜视三维测绘方法，其特征在于：所述摄像机(2)像面中心点为像心；在地面(1)中成像在像心的点为物心；摄像机镜头中心与物心之间的直线为中轴线；所述中轴线与地面(1)法线的夹角为视角，摄像机(2)航拍时的视角为θ；当视角为零时，拍摄得到的图像为正视图，当视角非零时，拍摄得到的图像为斜视图。
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