TWI494898B - 從地理參考影像擷取和映對三維特徵之技術 - Google Patents

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Description

從地理參考影像擷取和映對三維特徵之技術
本發明係有關於更新及增強實體對象之三維模型。
 背景
鏡像世界是模擬實體空間之一虛擬空間。諸如第二人生、谷歌地球及虛擬地球之應用程式提供了可產生虛擬城市之平臺。此等虛擬城市是致力於產生一鏡像世界之部分。應用程式(諸如谷歌地球)之用戶能夠藉由輸入影像且創建三維模型來產生鏡像世界，該等三維模型可以在任何地方共享。然而，通常情況下，為了產生且共享此等模型，用戶必須具有高層次的計算及通訊能力。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種方法，其包含以下步驟：藉由使一輸入幾何模型輪廓線與輸入攝像機影像之一邊緣特徵對齊，來映對來自地理參考影像之三維特徵。
圖式簡單說明
第1圖是本發明之一個實施例之原理圖式；第2圖是根據一個實施例之繪示在第1圖中之感測器元件之原理圖式；第3圖是根據一個實施例之繪示在第1圖中之一演算法組件之原理圖式；第4圖是根據一個實施例之也繪示在第1圖中之其它演算法組件之原理圖式；第5圖是根據一個實施例之繪示在第1圖中之其它演算法組件之原理圖式；及第6圖是根據一個實施例之流程圖。
 詳細描述
根據一些實施例，可利用行動網際網路裝置替代具有高層次通訊能力之高層次計算系統來創建虛擬城市或鏡像世界。一行動網際網路裝置是經由一無線連接運行且連接到網際網路之任何裝置。行動網際網路裝置之範例包括膝上型電腦、平板電腦、蜂巢式電話、手持電腦及電子遊戲機，僅舉幾例。
根據一些實施例，非專家用戶可提高一互聯可視計算環境中之三維模型之視覺外觀，該互聯可視計算環境諸如谷歌地球或虛擬地球。
從地理參考影像擷取及模擬三維特徵之問題可表示為一基於模型之三維追蹤問題。一粗線框架模型給出了一目標建築物之輪廓線及基本幾何資訊。則在一些實施例中，動態紋理映對可自動產生與照片一樣真實的模型。
參考第1圖，一行動網際網路裝置10可包括一控制器12，控制器12可以是一個或多個處理器或控制器。控制器12可耦接到一顯示器14及一無線介面15，無線介面15可經由無線電信號或光信號通訊。在一個實施例中，該無線介面可以是一蜂巢式電話介面，而在其它實施例中，其可以是一WiMAX介面。(參見關於區域網路及都會區域網路之IEEE std.802.16-2004 IEEE標準之第16部分：Interface for Fixed Broadboard Wireless Access Systems，IEEE紐約總部，紐約市，10016)。
一組感測器16也耦接到控制器12。在一個實施例中，該等感測器可包括一個或多個高解析度攝像機20。該等感測器還包括慣性導航系統(INS)感測器22。此等慣性導航系統(INS)感測器22可包括全球定位系統、無線系統、慣性測量單元(IMU)及超音波感測器。一慣性導航系統利用一電腦、諸如加速計之一運動感測器及諸如回轉儀之旋轉感測器來經由航位推算計算一移動物件之位置、方向及速度，而不需外部參考。在此實施例中，該移動物件可以是行動網際網路裝置10。攝像機20可用來從不同的方向拍攝一物件的圖像以模擬。此等方向及位置可由慣性導航系統22記錄。
行動網際網路裝置10還可包括儲存演算法組件之一儲存器18，其包括影像方位模組24、2D/3D對位模組26及紋理構成模組28。在一些實施例中，可使用至少一個高解析度攝像機，或者如果一高解析度攝像機不可用時，兩個較低解析度攝像機分別用於前視圖及後視圖。例如，方位感測器可以是一回轉儀、加速計或磁力計。影像方位可以藉由攝像機校準、運動感測器融合及對應性對齊來實現。該二維及三維對位可藉助基於模型之追蹤與映對及基於基準矯正。紋理構成可藉助將不同顏色影像融合為一三維幾何表 面之方式進行。
參考第2圖，以慣性導航感測器形式之感測器元件22將衛星、回轉儀、加速計、磁力計、控制點WiFi、無線電(RF)或超音波信號之一者或多者作為輸入接收。(多個)攝像機20記錄一真實世界場景S。攝像機20及慣性導航系統感測器固定在一起且當獲取影像序列(I1 ...In )、位置(L=經度，緯度，及海拔高度)、旋轉(R=R1 ,R2 ,R3 )矩陣及平移資料T時暫時同步。
參考第3圖，演算法組件24用於確定該等影像之方位。演算法組件24包括擷取出相對方位參數c1 ...cn 之攝像機姿勢恢復模組30及計算絕對方位參數p1 ...pn 之感測器融合模組32。輸入之內在攝像機參數K是一3x3矩陣，該3x3矩陣取決於u及v坐標方向中之縮放因數、主點及歪斜。例如，感測器融合演算法32可利用一卡爾曼濾波器或貝氏網絡。
接著參考第4圖，2D/3D對位模組26相應地包括多個子模組。在一個實施例中，一粗略三維框架模型可以以一組控制點Mi 之形式進行。另一輸入可以是用戶利用攝像機20拍攝之影像序列，該影像序列包含投影之控制點mi 。該等控制點可取樣於沿著三維模型邊緣處及反照率快速變化之區域中。因此，利用邊緣而非利用點。
預測姿勢PMi 表示哪些控制點是可見的及它們的新位置應當在何處。且該新姿勢藉由搜尋水平、豎直或對角線方向中最靠近模型邊緣標準之相應距離(dist(PMi ,mi ))更新。在一些實施例中，利用充足的控制點，姿勢參數可藉 由對一最小平方問題求解而被最佳化。
因此，姿勢設定模組34接收線框模型輸入且輸出掃描線、控制點、模型段及可見邊緣。在一些實施例中，此資訊接著用在特徵排比子模組38中以將該姿勢設定與來自該攝像機之影像序列組合以輸出輪廓線、梯度模及高反差邊緣。此資訊可用在視點關聯模組36中以產生影像之一可視視圖，表示為Iv 。
接著轉向第5圖，具體而言轉向紋理構成模組28，針對3D表面上之一三角形之每一頂點計算相應的影像坐標，了解到該等影像之內在及外在方位參數(K,R,T)。幾何校正應用在子模組40中以移除網格生成(多邊形)中不精確的影像對位或錯誤。無關的靜止或移動物件，諸如在要模擬的物件之前面成像之行人、汽車、標石或樹木，可以在阻塞移除級42(Iv -R)中移除。利用自不同位置或者在不同光照條件下獲得之不同影像可產生輻射影像失真。對於每一紋理元素網格(Tg )，綁定包含一有效投射之有效像斑之子集(Ip )。因此，子模組44將該紋理元素網格與該像斑綁定以針對一紋理元素網格產生有效像斑。
當該攝像機及該等感測器獲取到一真實世界場景時，以原始資料形式之該等影像序列可以在時間上同步。該鏡像世界表示可在實施以下之後被更新：利用攝像機姿勢恢復及感測器功能實施定位影像之演算法組件、利用姿勢預測實施2D/3D對位、利用幾何多邊形細化實施距離測量及視點關聯及紋理構成、實施阻塞移除及紋理網格像斑綁定， 如上所述。
因此，參考第6圖，該真實世界場景藉由攝像機20及感測器讀數22獲取，產生影像序列46及原始資料48。該等影像序列將一顏色表提供給攝像機恢復模組30，攝像機姿勢恢復模組30還從攝像機20接收攝像機內在參數K。攝像機姿勢恢復模組30產生相對姿勢50及二維影像特徵52。該等二維影像特徵在56處被檢查以確定該輪廓線及梯度模是否對齊。如果對齊，則一視點關聯模組36將當前姿勢下的二維視圖傳遞到多邊形細化模組40。此後，可在42處進行阻塞移除。接著，在44處發生紋理元素網格到像斑之綁定。接著，針對一紋理元素網格58之有效像斑可用來更新三維模組60中之紋理。
相對姿勢50可以利用一恰當的感測器融合技術在感測器融合模組32中處理，該感測器融合技術諸如一擴展卡爾曼濾波器(EKF)。感測器融合模組32融合相對姿勢50及該原始資料以產生一絕對姿勢54，該原始資料包括位置、旋轉及平移資訊。絕對姿勢54傳遞到姿勢設定模組34，姿勢設定模組34接收來自三維模組60之回饋資訊。接著在66處，姿勢設定模組34與二維影像特徵52比較以確定是否發生對齊。在一些實施例中，此可利用將視覺邊緣作為一控制點而進行，而非傳統上所進行之將一點作為一控制點。
在一些實施例中，本發明可以以硬體、軟體或韌體實施。在軟體實施例中，一指令序列可儲存在一電腦可讀媒體上，諸如儲存器18，以由可以是一處理器或控制器之一 恰當控制器執行，諸如控制器12。在此實施例中，指令(諸如第1圖及第2圖到第6圖中在模組24、26及28中說明之那些指令)可儲存在一電腦可讀媒體(諸如一儲存器18)上以由一處理器執行，該處理器諸如控制器12。
在一些實施例中，一虛擬城市可由非專家用戶利用行動網際網路裝置產生。在一些實施例中，用於動態紋理更新及增強之一混合視覺及感測器融合利用邊緣特徵以對齊且透過利用慣性導航系統感測器來提高攝像機姿勢恢復之準確度及處理時間。
此整個說明書中，對“一個實施例”或“一實施例”之參照指的是結合該實施例描述之一特定特徵、結構或性質至少包括在本發明內包含之一個實施態樣中。因此，措辭“一個實施例”或“在一實施例中”之出現不一定指的是同一實施例。而且，除了所說明之該特定實施例外，該等特定特徵、結構或性質可以以其它恰當方式實施，且所有此等形式可以包含在本申請案之申請專利範圍內。
儘管本發明已就一定數目之實施例予以描述，但熟於此技者將明白可對其做大量修改及改變。期望的是，後附申請專利範圍涵蓋落入本發明之真正精神與範疇內之所有此等修改及改變。
10‧‧‧行動網際網路裝置
12‧‧‧控制器
14‧‧‧顯示器
15‧‧‧無線介面
16‧‧‧感測器
18‧‧‧儲存器
20‧‧‧高解析度攝像機
22‧‧‧慣性導航系統(INS)感測器、慣性導航系統、感測器元件、感測器讀數
24‧‧‧影像方位模組、演算法組件
26‧‧‧2D/3D對位模組
28‧‧‧紋理構成模組
30‧‧‧攝像機姿勢恢復模組
32‧‧‧感測器融合模組、感測器融合演算法
34‧‧‧姿勢設定模組
36‧‧‧視點關聯模組
38‧‧‧特徵排比子模組
40‧‧‧子模組、多邊形細化模組
42‧‧‧阻塞移除級
44‧‧‧子模組
46‧‧‧影像序列
48‧‧‧原始資料
50‧‧‧相對姿勢
52‧‧‧二維影像特徵
54‧‧‧絕對姿勢
58‧‧‧紋理元素網格
60‧‧‧三維模組
第1圖是本發明之一個實施例之原理圖式；第2圖是根據一個實施例之繪示在第1圖中之感測器元件之原理圖式； 第3圖是根據一個實施例之繪示在第1圖中之一演算法組件之原理圖式；第4圖是根據一個實施例之也繪示在第1圖中之其它演算法組件之原理圖式；第5圖是根據一個實施例之繪示在第1圖中之其它演算法組件之原理圖式；及第6圖是根據一個實施例之流程圖。
10．．．行動網際網路裝置
12．．．控制器
14．．．顯示器
15．．．無線介面
16．．．感測器
18．．．儲存器
20．．．高解析度攝像機
22．．．慣性導航系統(INS)感測器、慣性導航系統、感測器元件、感測器讀數
24．．．影像方位模組、演算法組件
26．．．2D/3D對位模組
28．．．紋理構成模組

Claims (20)

  1. 一種方法，其包含以下步驟：藉由使一輸入幾何模型輪廓線與輸入攝像機影像之一邊緣特徵對齊，來映對來自地理參考影像之三維特徵。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括利用一行動網際網路裝置映對該等三維特徵。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括將慣性導航系統感測器用於攝像機姿勢恢復。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括產生一鏡像世界。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括將慣性導航系統感測器資料及攝像機影像組合用於紋理映對。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其包括利用一內在攝像機參數執行攝像機恢復。
  7. 一種儲存由電腦執行之指令之電腦可讀媒體，該等指令用以：使一輸入幾何模型輪廓線與輸入攝像機影像之一邊緣特徵對齊，以形成一地理參考三維表示。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之媒體，其進一步儲存用以利用一行動網際網路裝置使模型與該邊緣特徵對齊之指令。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之媒體，其進一步儲存用以將慣性導航系統感測器用於攝像機姿勢恢復之指令。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之媒體，其進一步儲存用以產生一鏡像世界之指令。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之媒體，其進一步儲存用以將慣性導航系統感測器資料及攝像機影像組合用於紋理映對之指令。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之媒體，其進一步儲存用以利用一內在攝像機參數執行攝像機恢復之指令。
  13. 一種裝置，其包含：一控制器；耦接到該控制器之一攝像機；耦接到該控制器之一慣性導航系統感測器；及其中該控制器係用以使一輸入幾何模型輪廓線與來自該攝像機之影像之一邊緣特徵對齊。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中該裝置是一行動網際網路裝置。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中所述裝置是一行動無線裝置。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其用以產生一鏡像世界。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，該控制器用以將慣性導航系統感測器資料與攝像機影像組合用於紋理映對。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其包括一感測器融合，該感測器融合用來將基於攝像機影像序列的相對方位參數與慣性導航系統感測器輸入融合。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其包括一全球定位系統接收器。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之裝置，其包括一加速計。
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