CN112905731A - 一种imu-gps辅助的360°全景照片与三维gis场景的联动方法 - Google Patents

一种imu-gps辅助的360°全景照片与三维gis场景的联动方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种IMU‑GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法，该方法包括如下步骤：步骤S100：通过IMU/GPS辅助的360°全景照片对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行估算；步骤S200：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置；步骤S300：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态；步骤S400：通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动。该方法可以弥补现有技术的不足，解决传统全景照片单纯依靠位置与二维场景进行联动的缺陷，也填补了全景照片与三维GIS场景联动的空缺，丰富了空间信息，为拓展三维场景呈现方式和提高基于位置的服务水平提供基础。

Description

一种IMU-GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法
技术领域
本申请涉及空间信息技术领域，具体是提供了一种IMU-GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法及其呈现平台。
背景技术
三维GIS场景采用的是由地形、影像、地表覆盖物三维模型构成的真实场景的虚拟再现，能够从三维立体角度展现现实世界；同时，三维GIS场景的呈现平台具备全空间维度的浏览、漫游、缩放等功能，交互体验丰富，储存地理信息数据也呈现多样化。IMU全称Inertial Measurement Unit，即惯性测量单元，是主要用来检测和测量加速度与旋转运动的传感器。360°全景照片有较为丰富的纹理与全景视角，有沉浸式体验潜能。如果能实现在查看全景照片的同时与三维GIS场景进行匹配与实时联动，可以提升空间信息可视化交互体验，拓展交互功能，为提高基于位置的服务水平提供基础。
目前在解决全景照片和三维GIS场景联动的技术领域还存在欠缺。
现有专利中，申请号201410288249.7，发明名称：一种三维全景图和二维地图的联动浏览新方法通过三维全景图和二维地图视窗相互透明叠加的方法实现了三维全景和二维地图的位置联动以及视觉联动的融合，丰富了交互体验，为平台视觉设计和交互功能设计提供了参考，但研究缺乏对二维与三维场景坐标转化的深入探讨。
在解决全景图相机姿态估计方面，由于全景相机与传统相机相比，具有宽视角、成像过程更为复杂的特点，应采用与传统相机不同的姿态估计方式。现有专利中，申请号：201810377659.7，发明名称：基于全景图的室外全景相机姿态估计方法公开了全景相机姿态估计的方法，为实现相机位置及姿态解算提供了计算方法参考。
申请号：201911411050.8，发明名称：一种实景三维数据与二维栅格图片的联动展示平台及其联动方法，具体公开了集数据处理、资源上传、联动匹配的展示平台页面设计，详细说明了数据处理方法和联动方法，值得关注的是，发明提出在数据处理方面，因存在数据量大、计算时间长的问题，容易造成计算机崩溃，因此有必要进行数据预处理。通过数据分割处理和可以提高联动匹配精准度。
综上所述，目前公开的发明中，对全景相机的姿态估计方面提供了一定的技术参考，对三维场景、二维图片和地图的联动进行了探索，丰富了交互功能，但是仍缺乏对三维GIS场景匹配联动的深入探索，现有技术无法满足IMU/GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动及可视化呈现。
发明内容
本申请提供了一种IMU/GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法及其呈现平台，用于解决上述背景技术中提出的对360°全景照片与三维GIS场景的联动及可视化呈现的缺乏，为提升空间信息可视化交互体验，拓展交互功能提供支撑。
本发明采用如下技术方案实现。
一种IMU-GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法，本发明包括如下具体步骤：
步骤S100：通过IMU-GPS辅助的360°全景照片对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行解算；
步骤S200：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置；
步骤S300：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态；
步骤S400：通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动。
进一步为，本发明所述步骤S100包括：
对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行解算方法，具体为：
步骤S110：使用IMU的加速度计读数计算相机的旋转分量翻滚角-roll角和俯仰角-pitch角：
Figure BDA0002997798340000031
Figure BDA0002997798340000032
其中，accelX为当前时刻加速度计在X轴上的读数；accelY为当前时刻加速度计在Y轴上的读数；accelZ为当前时刻加速度计在Z轴上的读数；
步骤S120：使用IMU的磁力计读数计算相机围绕垂直轴旋转的航偏角-yaw角：
Figure BDA0002997798340000033
其中，magy为当前时刻磁力计在Y轴上的读数；magx为当前时刻磁力计在X轴上的读数；
步骤S130：使用GPS获取相机在wgs-84坐标系或CGCS2000坐标系下的绝对位置。
进一步为，本发明所述步骤S200包括：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置，具体为：三维GIS场景所处的地理坐标系为wgs-84或CGCS2000，在对应的坐标系下根据步骤S100中解算得到的数值实现全景相机的三维空间位置定位。
进一步为，本发明所述步骤S300包括：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态，具体为：通过将全景相机的点位值和姿态值赋予三维GIS场景的Camera对象，实现场景视点匹配；Cesium.Camera.positon代表三维GIS场景中相机视点的位置；Cesium.Camera.heading代表三维GIS场景中相机视点的航偏角；Cesium.Camera.pitch代表三维GIS场景中相机视点的俯仰角；Cesium.Camera.roll代表三维GIS场景中相机视点的翻滚角。
进一步为，本发明所述步骤S400包括，通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动，具体为：
包括以下模块：双屏显示模块、全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块、坐标系选择和相机视点确认模块、全景照片上传模块、联动匹配模块；
所述的双屏显示模块通过联动匹配模块与坐标系选择和相机视点确认模块连接；坐标系选择和相机视点确认模块分别与全景照片上传模块和全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块连接；全景照片上传模块和全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块分别与全景相机连接；坐标系选择和相机视点确认模块分别与wgs-84坐标系按钮或CGCS2000坐标系按钮连接；双屏显示模块包含360°全景照片视窗和三维GIS场景的三维视窗；
双屏显示模块，包括用于上传360°全景照片视窗、三维GIS场景的三维视窗；
全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块，用以识别并自动计算360°全景照片在拍摄时的位置及姿态；
坐标系选择和相机视点确认模块，用以确认坐标系和显示相机位置和姿态解算结果；将其转化为Cesium.Camera.positon、Cesium.Camera.heading、Cesium.Camera.pitch、Cesium.Camera.roll，其次点击选择wgs-84坐标系按钮或CGCS2000坐标系按钮；确认的结果用以进行联动；
联动匹配模块与坐标系选择和相机视点确认模块、双屏显示模块的三维视窗连接，用以将360°全景照片视窗和三维GIS场景的三维视窗进行一一映射联动。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
(1)解决传统全景照片单纯依靠位置与二维场景进行联动的缺陷，填补了IMU/GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动及可视化呈现的应用空缺，丰富了空间信息，使得全景照片所呈现的空间信息不再局限于相机所拍摄的内容，还包含了相机所处的GIS大场景信息；为拓展三维场景呈现方式和提高基于位置的服务水平提供基础。
(2)从多维度提升了空间信息可视化交互体验，为全景照片交互的拓展应用提供支撑。
(3)为提升空间信息可视化交互体验，拓展交互功能提供支撑。本发明自动化程度高，联动灵敏，结果准确，完全满足智慧城市建设中多维度可视化的要求，具有显著的社会效益和技术经济效益。
附图说明
图1为本申请提供的IMU/GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法流程示意图。
图2为360°全景相机的姿态角示意图。
图3为系统的初始界面示意图。
图4为上传全景照片后的照片位置和姿态角估算示意图。
图5为确认匹配信息后进行联动的效果示意图。
图6为本发明部分硬件连接结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
参见图1，图2，图3，图4，图5，图6所示。
一种IMU-GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法，本发明包括如下具体步骤：
步骤S100：通过IMU-GPS辅助的360°全景照片对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行解算；
步骤S200：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置；
步骤S300：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态；
步骤S400：通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动。
进一步为，本发明所述步骤S100包括：
对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行解算方法，具体为：
步骤S110：使用IMU的加速度计读数计算相机的旋转分量翻滚角-roll角和俯仰角-pitch角：
Figure BDA0002997798340000061
Figure BDA0002997798340000062
其中，accelX为当前时刻加速度计在X轴上的读数；accelY为当前时刻加速度计在Y轴上的读数；accelZ为当前时刻加速度计在Z轴上的读数；
步骤S120：使用IMU的磁力计读数计算相机围绕垂直轴旋转的航偏角-yaw角：
Figure BDA0002997798340000063
其中，magy为当前时刻磁力计在Y轴上的读数；magx为当前时刻磁力计在X轴上的读数；
步骤S130：使用GPS获取相机在wgs-84坐标系或CGCS2000坐标系下的绝对位置。
进一步为，本发明所述步骤S200包括：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置，具体为：三维GIS场景所处的地理坐标系为wgs-84或CGCS2000，在对应的坐标系下根据步骤S100中解算得到的数值实现全景相机的三维空间位置定位。
进一步为，本发明所述步骤S300包括：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态，具体为：通过将全景相机的点位值和姿态值赋予三维GIS场景的Camera对象，实现场景视点匹配；Cesium.Camera.positon代表三维GIS场景中相机视点的位置；Cesium.Camera.heading代表三维GIS场景中相机视点的航偏角；Cesium.Camera.pitch代表三维GIS场景中相机视点的俯仰角；Cesium.Camera.roll代表三维GIS场景中相机视点的翻滚角。
进一步为，本发明所述步骤S400包括，通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动，具体为：
包括以下模块：双屏显示模块、全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块、坐标系选择和相机视点确认模块、全景照片上传模块、联动匹配模块；
所述的双屏显示模块通过联动匹配模块与坐标系选择和相机视点确认模块连接；坐标系选择和相机视点确认模块分别与全景照片上传模块和全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块连接；全景照片上传模块和全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块分别与全景相机连接；坐标系选择和相机视点确认模块分别与wgs-84坐标系按钮或CGCS2000坐标系按钮连接；双屏显示模块包含360°全景照片视窗和三维GIS场景的三维视窗；
双屏显示模块，包括用于上传360°全景照片视窗、三维GIS场景的三维视窗；
全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块，用以识别并自动计算360°全景照片在拍摄时的位置及姿态；
坐标系选择和相机视点确认模块，用以确认坐标系和显示相机位置和姿态解算结果；将其转化为Cesium.Camera.positon、Cesium.Camera.heading、Cesium.Camera.pitch、Cesium.Camera.roll，其次点击选择wgs-84坐标系按钮或CGCS2000坐标系按钮；确认的结果用以进行联动；
联动匹配模块与坐标系选择和相机视点确认模块、双屏显示模块的三维视窗连接，用以将360°全景照片视窗和三维GIS场景的三维视窗进行一一映射联动。
应注意到：在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (5)

1.一种IMU-GPS辅助的360°全景照片与三维GIS场景的联动方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤S100：通过IMU-GPS辅助的360°全景照片对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行解算；
步骤S200：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置；
步骤S300：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态；
步骤S400：通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动。
2.根据权利要求1所述的联动方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
对全景相机拍摄时刻的位置及姿态进行解算方法，具体为：
步骤S110：使用IMU的加速度计读数计算相机的旋转分量翻滚角-roll角和俯仰角-pitch角：
Figure FDA0002997798330000011
Figure FDA0002997798330000012
其中，accelX为当前时刻加速度计在X轴上的读数；accelY为当前时刻加速度计在Y轴上的读数；accelZ为当前时刻加速度计在Z轴上的读数；
步骤S120：使用IMU的磁力计读数计算相机围绕垂直轴旋转的航偏角-yaw角：
Figure FDA0002997798330000021
其中，magy为当前时刻磁力计在Y轴上的读数；magx为当前时刻磁力计在X轴上的读数；
步骤S130：使用GPS获取相机在wgs-84坐标系或CGCS2000坐标系下的绝对位置。
3.根据权利要求1所述的联动方法，其特征在于，所述步骤S200包括：在三维GIS场景所处的地理坐标系下定位全景相机的三维空间位置，具体为：三维GIS场景所处的地理坐标系为wgs-84或CGCS2000，在对应的坐标系下根据步骤S100中解算得到的数值实现全景相机的三维空间位置定位。
4.根据权利要求1所述的联动方法，其特征在于，所述步骤S300包括：匹配三维GIS场景视点与全景相机的点位和姿态，具体为：通过将全景相机的点位值和姿态值赋予三维GIS场景的Camera对象，实现场景视点匹配；
Cesium.Camera.positon代表三维GIS场景中相机视点的位置；
Cesium.Camera.heading代表三维GIS场景中相机视点的航偏角；
Cesium.Camera.pitch代表三维GIS场景中相机视点的俯仰角；
Cesium.Camera.roll代表三维GIS场景中相机视点的翻滚角。
5.根据权利要求1所述的联动方法，其特征在于，所述步骤S400包括，通过呈现平台实现照片与三维GIS场景的实时联动，具体为：
包括以下模块：双屏显示模块、全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块、坐标系选择和相机视点确认模块、全景照片上传模块、联动匹配模块；
所述的双屏显示模块通过联动匹配模块与坐标系选择和相机视点确认模块连接；坐标系选择和相机视点确认模块分别与全景照片上传模块和全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块连接；全景照片上传模块和全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块分别与全景相机连接；坐标系选择和相机视点确认模块分别与wgs-84坐标系按钮或CGCS2000坐标系按钮连接；双屏显示模块包含360°全景照片视窗和三维GIS场景的三维视窗；
双屏显示模块，包括用于上传360°全景照片视窗、三维GIS场景的三维视窗；
全景相机拍摄时刻的位置及姿态解算模块，用以识别并自动计算360°全景照片在拍摄时的位置及姿态；
坐标系选择和相机视点确认模块，用以确认坐标系和显示相机位置和姿态解算结果；将其转化为Cesium.Camera.positon、Cesium.Camera.heading、Cesium.Camera.pitch、Cesium.Camera.roll，其次点击选择wgs-84坐标系按钮或CGCS2000坐标系按钮；确认的结果用以进行联动；
联动匹配模块与坐标系选择和相机视点确认模块、双屏显示模块的三维视窗连接，用以将360°全景照片视窗和三维GIS场景的三维视窗进行一一映射联动。
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CN118334286A (zh) * 2024-06-17 2024-07-12 中科星图智慧科技安徽有限公司 一种联动VR和Cesium的方法、装置、设备及介质
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