一种建立虚拟三维地图的方法技术

本发明专利技术提供了一种建立虚拟三维地图的方法，属于电子地图领域，包括如下步骤：1、获取目标地区内目标建筑物的航拍视频，航拍视频包含同步记录的相机在世界坐标系下的坐标信息；2、按照时间顺序将航拍视频分割为视频帧，获取相机坐标系下其中两帧图像之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；3、根据相机的内部参数和外部参数，结合相机在世界坐标系下的坐标信息对选取的两帧图像内的建筑物图像匹配点的二维坐标进行转换，获得建筑物图像匹配点在世界坐标系下的三维坐标，从而对建筑物图像进行三维重建，获得建筑物三维图像；4、将建筑物三维图像移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，获得包含该目标建筑物的虚拟三维地图。

A method of building virtual 3D map

The invention provides a method for establishing a virtual three-dimensional map, which belongs to the field of electronic map. The method comprises the following steps: 1. acquiring aerial video of a target building in the target area, which contains coordinate information of a synchronously recorded camera in the world coordinate system; 2. dividing aerial video into video frames in chronological order The two-dimensional coordinates of the matching points between the two images in the camera coordinate system are obtained. 3. According to the internal and external parameters of the camera and the coordinate information of the camera in the world coordinate system, the two-dimensional coordinates of the matching points in the selected two images are transformed to obtain the building image. Matching points in the world coordinate system of three-dimensional coordinates, so as to carry out three-dimensional reconstruction of the building image, building three-dimensional images; 4, the building three-dimensional images are transplanted to satellite maps or two-dimensional maps or existing three-dimensional maps of the corresponding position, to obtain a virtual three-dimensional map containing the target building.

【技术实现步骤摘要】
一种建立虚拟三维地图的方法
本专利技术属于电子地图领域，更具体地，涉及一种建立虚拟三维地图的方法。
技术介绍
电子地图(Electronicmap)，即数字地图，是利用计算机技术，以数字方式存储和查阅的地图。早期的电子地图使用位图式储存，地图比例不能放大或缩小，使用不便。随着计算机技术的发展，各种绘图、压缩技术的进步，目前的电子地图已经能够以矢量图像的方式储存，地图比例可放大、缩小或旋转而不影响显示效果。随着用户需求的多样化，网络三维电子地图不仅通过直观的地理实景模拟表现方式，为用户提供地图查询、出行导航等地图检索功能，同时集成生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区、出行导航等一系列服务，为政府机关、企事业单位、商家企业提供宣传互动的快速通道，并以全新的人性化界面表现，为人们的日常生活、网上办事和网络娱乐等活动提供便捷的解决方案，从而生动真实地实现了网上数字城市，让人们真正感受到自己生活在一个信息化的城市里。可以说，网络三维电子地图成为了互联网业务发展的新的亮点。目前，网络三维电子地图分为实景三维地图与虚拟三维地图两种。实景三维地图最初仅用于军事或局部，直至Google将卫星遥感地图资源和三维电子地图技术以及互联网结合起来，才推动实景三维地图走向民用及生活领域。在国内，一些公司借助于WebGIS技术，利用飞艇、飞机和汽车等交通工具，从不同的角度进行拍摄，把整个地区都拍一遍，通过数据库和地图上每个具体地点联系起来，获得这个地区的实景地图。但是，这种方式还是受交通工具的限制，只有交通工具可以到达的地方才可以进行数据采集，故实景三维地图给出的信息还是有限的。例如，城市实景地图主要采用汽车为交通工具，所以很多政府机关、科研院所、社区小院无法拍到。虚拟三维地图是以虚拟现实的方式呈现，通常没有实景三维地图对拍摄要求高，因此比实景三维地图运用更广泛。以地理信息系统(GIS)平面地图的建设为例，经过专业训练的工作人员拍摄到楼宇3个面以上的照片，并尽可能获得楼宇的真实名称。之后，将采集回的数据、表格和照片还原到一个模型的环境，再利用开发的后台管理软件将各个孤立的单视角3D模型无缝集成在一起后，移植到虚拟三维地图，使用者就可以通过浏览器进行交互式的访问。但是，由于人工逐楼拍摄效率低下，且对拍摄人员要求极高，人工成本及时间成本极高。并且依靠人工走访所有政府机关、科研院所、社区小院进行拍照也不现实。因此，亟需简便易行、易于建立较为完整的三维地图的方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种建筑物视觉定位方法及设备，其利用航拍获取的建筑物视频提取出建筑物的视频帧，对视频帧进行匹配从而获取建筑物图像匹配点的二维点坐标，进而转换为建筑物图像匹配点的三维坐标、实施建筑物三维重建，再将建筑物三维图像移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，建立虚拟三维地图，从而解决现有技术中因拍照难造成的三维地图不完整的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种建立虚拟三维地图的方法，包括如下步骤：步骤1：获取目标地区内目标建筑物的航拍视频，航拍视频包含同步记录的相机在世界坐标系下的坐标信息；步骤2：按照时间顺序将航拍视频分割为视频帧，获取相机坐标系下其中拍摄角度不同且存在交叉区域的至少两帧图像之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；步骤3：根据相机的内部参数和外部参数，结合相机在世界坐标系下的坐标信息对选取的至少两帧图像内的建筑物图像匹配点的二维坐标进行转换，获得建筑物图像匹配点在世界坐标系下的三维坐标，从而对建筑物图像进行三维重建，获得建筑物三维图像；步骤4：将建筑物三维图像移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，获得包含该目标建筑物的虚拟三维地图。进一步地，步骤2中，获取相机坐标系下拍摄角度不同的三帧图像，该三帧图像的视角覆盖目标建筑物除底面外的所有面，对该三帧图像两两匹配，获取该三帧图像中建筑物图像匹配点的二维坐标；步骤3中，将步骤2获取的所有建筑物图像匹配点的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标，对于坐标重复的匹配点，仅保留一个，从而对建筑物图像进行三维重建，获得建筑物三维全景模型；步骤4中，将目标建筑物的三维全景模型按照其三维坐标移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，从而获得包含目标建筑物的三维全景地图。进一步地，步骤2中，按照时间顺序将航拍视频分割为连续的原始视频帧，从原始视频帧中选择相邻帧，获取相机坐标系下相邻帧之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；或者，从原始视频帧中每隔Δ帧或每隔t时刻或每隔θ角度选取一帧图像按照时间顺序排列组成待匹配帧集合，获取相机坐标系下待匹配帧集合中相邻帧之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；或者，先从原始视频帧或待匹配帧集合中选取两个有交叉区域的帧作为第一帧和第二帧，再从原始视频帧或待匹配帧集合的剩余帧中选择能够覆盖第一帧和第二帧未覆盖区域的第三帧，且第三帧与第一帧和第二帧中的至少一个存在交叉区域，则第一帧、第二帧和第三帧互为相邻帧，获取相机坐标系下存在交叉区域的相邻帧的建筑物图像匹配点的二维坐标。步骤3中，将所有的相邻帧匹配得到的多组图像匹配点的相机坐标系下的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标，将所有建筑物图像匹配点按照其三维坐标组装至世界坐标系中，对于其中坐标重复的建筑物图像匹配点，仅保留一个，从而获得目标建筑物的三维全景模型；步骤4中，将目标建筑物的三维全景模型按照其三维坐标移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，从而获得包含目标建筑物的三维全景地图。进一步地，获取相机坐标系下相邻帧之间的建筑物图像匹配点的二维坐标包括如下子步骤：步骤2.1：分别提取相邻帧建筑物图像的方向梯度直方图特征；步骤2.2：分别利用相邻帧建筑物图像方向梯度直方图特征训练SVM支持向量机，使用训练后的SVM支持向量机去除相邻帧建筑物图像的背景区域，然后分别转至步骤2.3和步骤2.4；步骤2.3：步骤2.2去除背景区域后，使用SIFT算法提取相邻帧建筑物图像中的不变局部特征，从而获取相邻帧建筑物图像的匹配特征点及其二维坐标值；步骤2.4：步骤2.2去除背景区域后，分别提取出相邻帧建筑物图像的轮廓，并将相邻帧建筑物图像的轮廓进行匹配，获得相邻帧建筑物图像轮廓匹配点的二维坐标值。进一步地，步骤2.1中提取相邻帧建筑物图像的方向梯度直方图特征的方法如下：步骤2.1.1：对分别对相邻帧建筑物图像进行灰度处理；步骤2.1.2：采用Gamma校正法对灰度处理后的图像进行颜色空间的归一化处理，计算归一化的灰度图像中每个像素的梯度；步骤2.1.3：将归一化的灰度图像划分成多个单元，统计每个单元的梯度直方图，形成每个单元的描述子；将每3×3个单元组成一个块，一个块内所有单元的特征描述子串联起来得到该块的方向梯度直方图特征描述子；最后，将所有块的方向梯度直方图特征描述子串联起来，得到相邻帧建筑物图像的方向梯度直方图特征描述子，从而提取出相邻帧建筑物图像的方向梯度直方图特征。进一步地，步骤2.3中获取相邻帧建筑物图像的匹配特征点及其二维坐标值的方法如下：步骤2.3.1：通过建立相邻帧建筑物图像的尺度空间进行DoG局部极值点检测，通过去除低对比度的极值点和边缘响应进行关键点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种建立虚拟三维地图的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取目标地区内目标建筑物的航拍视频，航拍视频包含同步记录的相机在世界坐标系下的坐标信息；步骤2：按照时间顺序将航拍视频分割为视频帧，获取相机坐标系下其中拍摄角度不同且存在交叉区域的至少两帧图像之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；步骤3：根据相机的内部参数和外部参数，结合相机在世界坐标系下的坐标信息对选取的至少两帧图像内的建筑物图像匹配点的二维坐标进行转换，获得建筑物图像匹配点在世界坐标系下的三维坐标，从而对建筑物图像进行三维重建，获得建筑物三维图像；步骤4：将建筑物三维图像移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，获得包含该目标建筑物的虚拟三维地图。

【技术特征摘要】
1.一种建立虚拟三维地图的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取目标地区内目标建筑物的航拍视频，航拍视频包含同步记录的相机在世界坐标系下的坐标信息；步骤2：按照时间顺序将航拍视频分割为视频帧，获取相机坐标系下其中拍摄角度不同且存在交叉区域的至少两帧图像之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；步骤3：根据相机的内部参数和外部参数，结合相机在世界坐标系下的坐标信息对选取的至少两帧图像内的建筑物图像匹配点的二维坐标进行转换，获得建筑物图像匹配点在世界坐标系下的三维坐标，从而对建筑物图像进行三维重建，获得建筑物三维图像；步骤4：将建筑物三维图像移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，获得包含该目标建筑物的虚拟三维地图。2.如权利要求1所述的一种建立虚拟三维地图的方法，其特征在于，步骤2中，获取相机坐标系下拍摄角度不同的三帧图像，该三帧图像的视角覆盖目标建筑物除底面外的所有面，对该三帧图像两两匹配，获取该三帧图像中建筑物图像匹配点的二维坐标；步骤3中，将步骤2获取的所有建筑物图像匹配点的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标，对于坐标重复的匹配点，仅保留一个，从而对建筑物图像进行三维重建，获得建筑物三维全景模型；步骤4中，将目标建筑物的三维全景模型按照其三维坐标移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，从而获得包含目标建筑物的三维全景地图。3.如权利要求1或2所述的一种建立虚拟三维地图的方法，其特征在于，步骤2中，按照时间顺序将航拍视频分割为连续的原始视频帧，从原始视频帧中选择相邻帧，获取相机坐标系下相邻帧之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；或者，从原始视频帧中每隔Δ帧或每隔t时刻或每隔θ角度选取一帧图像按照时间顺序排列组成待匹配帧集合，获取相机坐标系下待匹配帧集合中相邻帧之间的建筑物图像匹配点的二维坐标；或者，先从原始视频帧或待匹配帧集合中选取两个有交叉区域的帧作为第一帧和第二帧，再从原始视频帧或待匹配帧集合的剩余帧中选择能够覆盖第一帧和第二帧未覆盖区域的第三帧，且第三帧与第一帧和第二帧中的至少一个存在交叉区域，则第一帧、第二帧和第三帧互为相邻帧，获取相机坐标系下存在交叉区域的相邻帧的建筑物图像匹配点的二维坐标。步骤3中，将所有的相邻帧匹配得到的多组图像匹配点的相机坐标系下的二维坐标转换为世界坐标系下的三维坐标，将所有建筑物图像匹配点按照其三维坐标组装至世界坐标系中，对于其中坐标重复的建筑物图像匹配点，仅保留一个，从而获得目标建筑物的三维全景模型；步骤4中，将目标建筑物的三维全景模型按照其三维坐标移植到卫星地图或者二维地图或者既有三维地图中的对应位置，从而获得包含目标建筑物的三维全景地图。4.如权利要求3所述的一种建立虚拟三维地图的方法，其特征在于，获取相机坐标系下相邻帧之间的建筑物图像匹配点的二维坐标包括如下子步骤：步骤2.1：分别提取相邻帧建筑物图像的方向梯度直方图特征；步骤2.2：分别利用相邻帧建筑物图像方向梯度直方图特征训练SVM支持向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王乐陶，曾思远，徐启明，
申请(专利权)人：王乐陶，
类型：发明
国别省市：湖北,42