一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统及其工作方法技术方案

本发明专利技术涉及三维数字场景构建领域，提供一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统及其工作方法。本发明专利技术虚拟复眼系统包括覆盖地形地貌的地理空间三维采集网格、由多具复眼相机协同组成的动态虚拟复眼数据采集模块、单具复眼定位模块、任务分配与调度模块。本发明专利技术数据采集具有时空一致性，保证重构的是同一时间断面的三维场景，可以实现动态三维场景采集；本发明专利技术提出地理场景最佳拍摄点选取方法，以网格化的建模方法求出复眼相机拍摄点，事先规划复眼相机占位，减少数据冗余；本发明专利技术提出一种动态三维地理场景科学化拍摄采集方案，保证三维地理场景按帧率要求刷新。

A virtual compound eye system and its working method for real-time collection of dynamic 3D Geographic scene

【技术实现步骤摘要】
一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统及其工作方法
本专利技术涉及三维数字场景构建领域，具体的说是一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统及其工作方法。
技术介绍
对于地理信息采集，目前有3条技术路径，一是通过卫星航拍照片或遥感采集数据，二是通过侦察机航拍采集照片，三是通过无人机航拍采集照片。无论是采用卫星照片、遥感数据，或是航拍照片构建地理信息场景，其产品的主要形式有二，一是具有单一拍摄视点、单一拍摄视角和单一拍摄视线的时空一致性静态二维场景；二是具有虚拟视点、虚拟视角和虚拟视线的非时空一致性静态三维场景。面向智慧时代的地理信息服务，其基础是具有实时任意视点、任意视角和任意视线的时空一致性实时动态三维场景；在这种场景范围和时空内，观察者可以按照其主观意愿，实现任意方位、任意角度和任意距离的沉浸交互。通过实践发现，现有的采集方案存在以下问题：1.采集的数据不具有时空一致性，所构建的三维场景缺乏基于时空一致性的动态可信性。时空一致性拍摄是指原始数据是在统一时钟下的同一时刻拍摄，影像获取的时间与影像中各个物体在那一时刻的空间位置和姿态是一致的。单个相机连续拍摄时不具有时空一致性，不同空间位置的影像是在不同时间节点拍摄的，两次拍摄的影像之间存在时间间隔，根据场景的大小整个拍摄过程需要几十分钟至几个月不等，最后得到的是不同时间断面影像拼接的三维场景，很多动态事物不会被拍摄到或多次被拍摄到，从而得到与实际场景不符的三维虚拟场景。2.对相机的拍摄点没有合理规划，相机拍摄的过程主要依靠人为的飞行控制，或者通过飞行控制软件按照飞行面积进行简单的飞行路线规划，导致数据大量冗余或部分数据缺失；3.采集作业中采集者的主观性较强，难以建立科学化、规范化、标准化和定量化采集方案，难以保持采集品质的稳定，难以提高后期制作效率。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统及其工作方法，实现时空一致的实时拍摄、实时制作，得到更加精确真实的具有时空一致性的大面积地理空间实时动态三维场景。本专利技术的目的是通过如下技术措施来实现的。一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统，包括覆盖地形地貌的地理空间三维采集网格，由多具复眼相机协同组成的动态虚拟复眼数据采集模块，单具复眼定位模块，任务分配与调度模块。所述地理空间三维采集网格是按照设计精度划分待采集地理区域的网格体系，将不规则的地理区域离散化为格点组成的离散点集，离散点集组成复眼单体可能的拍摄点，在采集网格内合理规划选取复眼拍摄点，采集网格是虚拟复眼系统规划的基础。所述数据采集模块，用于采集特定位置和特定角度的照片或影像视频，并将采集到的图片或影像视频数据通过无线网络方式实时传回，用于重构地理空间三维场景模型。数据采集模块由面向地理场景的所有复眼相机协同构建；按照既定的地理空间三维采集网格规划，以网格节点为定位，布局复眼相机。将面向地理场景的所有复眼相机按照既定的地理空间三维采集网格规划，虚拟组集为一个完整和体系化的复眼系统，称之为虚拟复眼；虚拟复眼由多个复眼相机根据既定的地理空间三维采集网格规划，相互协同、共同组建为一个对于整个地理空间实现完整无缝、全面覆盖、多层采集的复眼集群，定点定位定时采集大面地理照片或影像视频，每个复眼相机拥有多个镜头，一个单独镜头称之为子眼；所有镜头按照统一时钟的规定实施数据采集，获得具有时空一致性的数据。所述定位模块，由GPS/北斗定位器/虚拟陀螺协同组成；GPS/北斗定位器/虚拟陀螺安装在复眼相机中，用于接收GPS/北斗定位信号，确定复眼相机及拍摄区域的全球地理坐标，监测相机整体姿态和子眼姿态。所述任务分配与调度模块，根据地理空间三维采集网格规划发布以下3项任务，一是为每具复眼相机分配占位节点包括地理坐标、海拔高度、相互位置、子眼姿态，确定拍摄任务包括任务子眼、空间姿态、光学参数、拍摄范围，下达拍摄指令包括拍摄时刻、加注印戳、打包入库、设置回传路径，将拍摄指令传输给各复眼相机；二是为飞行在空中的无人机和无人飞艇分配占位节点包括地理坐标、海拔高度、相互位置；三是采取应答方式，向复眼相机发送校准命令宝库时间校准命令、占位校准命令、位姿校准命令、作业校准命令，进行时钟校准、占位校准、位姿校准和作业校准。在上述技术方案中，所述复眼相机是一种拥有多个镜头，可沿水平面360°和垂直面360°同时采集图像的设备，复眼相机可附着于静态自然物、静态人工物，或直接抛洒于地面，还可直接悬挂于无人机或无人飞艇；各复眼相机根据上位机发布的统一时钟和采集指令，调集子眼采集场景图片或影像视频数据；并将相关数据，加注复眼相机/子眼编号、位置、姿态、拍摄时序信息回传上位机。在上述技术方案中，所述任务分配与调度模块将地理空间三维采集网格规划中的占位节点换算为复眼占位的地理坐标、海拔高度、协同规则；根据地理空间三维采集网格规划及复眼协同规则，计算需要调度的复眼相机子眼，确定子眼任务和子眼姿态；根据地理空间三维采集网格规划，以及子眼任务和子眼姿态，计算出各占位节点上搭载复眼相机的云台的角度、航角与水平角；调节云台，使复眼相机保持拍摄姿态；调节复眼相机内部的各子眼拍摄参数，控制复眼相机拍照；在挂置复眼相机的飞行器受空气气流干扰造成复眼漂移时，或者复眼相机局部受损时，动态保持网格整体稳定。本专利技术还提供了一种上述的动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统，包括以下步骤：(1)选定地理场景，建立坐标系，采集面积由100m×100m到100km×100km，在任务分配与调度模块中，以多边形表示目标区域，选取合适的单位建立直角坐标系。(2)划分采集网格，选取合适大小的正方形单位网格，对目标区域进行网格划分，产生网格格点，将面集合转换为离散点集。(3)确定即将使用的复眼相机对地拍摄的有效视野形状。复眼相机单体的有效视野形状多种多样，复眼相机由多个镜头排列组成，多设计为对称结构，有效视野形状为正多边形，如矩形、正五边形、正六边形、正八边形等等；有效视野形状根据复眼相机单体的镜头设计排列方式确定。(4)根据所需清晰度的精度和相机参数确定复眼相机拍摄高度；拍摄高度通过采集精度模型确定，采集精度模型如下：采集精度确定以正视地理区域的子眼视野范围为准，在相机不变的情况下，相机高度越高，拍摄的范围越大，场景细节越模糊；反之，相机高度越低，拍摄范围越小，场景细节越清晰。单孔径光学系统的成像模型，镜头的进光孔为圆形，真实成像区域也是圆形，但感光元件(如CCD或CMOS)为矩形，得到的图像为圆形的内接矩形，其长宽比一般为1:1、4:3、3:2、16:9等，记长宽比为a:b，说明书附图中的图1为正视子眼成像示意图：顶部O点表示子眼，子眼竖直拍摄平滑地面，底部圆形代表镜头取景区域，圆形所在平面表示地面，h表示子眼到地面的距离，即拍摄距离。镜头视场角为θ，也就是镜头与圆形取景面形成的圆锥的角度，圆内接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统，其特征是：包括覆盖地形地貌的地理空间三维采集网格，由多具复眼相机协同组成的动态虚拟复眼数据采集模块，单具复眼定位模块，任务分配与调度模块；/n所述地理空间三维采集网格是按照设计精度划分待采集地理区域的网格体系，将不规则的地理区域离散化为格点组成的离散点集，离散点集组成复眼单体可能的拍摄点，在采集网格内合理规划选取复眼拍摄点，采集网格是虚拟复眼系统规划的基础；/n所述数据采集模块，用于采集特定位置和特定角度的照片或影像视频，并将采集到的图片或影像视频数据通过无线网络方式实时传回，用于重构地理空间三维场景模型；/n数据采集模块由面向地理场景的所有复眼相机协同构建；按照既定的地理空间三维采集网格规划，以网格节点为定位，布局复眼相机；/n将面向地理场景的所有复眼相机按照既定的地理空间三维采集网格规划，虚拟组集为一个完整和体系化的复眼系统，称之为虚拟复眼；虚拟复眼由多个复眼相机根据既定的地理空间三维采集网格规划，相互协同、共同组建为一个对于整个地理空间实现完整无缝、全面覆盖、多层采集的复眼集群，定点定位定时采集大面地理照片或影像视频，每个复眼相机拥有多个镜头，一个单独镜头称之为子眼；所有镜头按照统一时钟的规定实施数据采集，获得具有时空一致性的数据；/n所述定位模块，由GPS/北斗定位器/虚拟陀螺协同组成；GPS/北斗定位器/虚拟陀螺安装在复眼相机中，用于接收GPS/北斗定位信号，确定复眼相机及拍摄区域的全球地理坐标，监测相机整体姿态和子眼姿态；/n所述任务分配与调度模块，根据地理空间三维采集网格规划发布以下3项任务，一是为每具复眼相机分配占位节点包括地理坐标、海拔高度、相互位置、子眼姿态，确定拍摄任务包括任务子眼、空间姿态、光学参数、拍摄范围，下达拍摄指令包括拍摄时刻、加注印戳、打包入库、设置回传路径，将拍摄指令传输给各复眼相机；二是为飞行在空中的无人机和无人飞艇分配占位节点包括地理坐标、海拔高度、相互位置；三是采取应答方式，向复眼相机发送校准命令宝库时间校准命令、占位校准命令、位姿校准命令、作业校准命令，进行时钟校准、占位校准、位姿校准和作业校准。/n...

【技术特征摘要】
1.一种动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统，其特征是：包括覆盖地形地貌的地理空间三维采集网格，由多具复眼相机协同组成的动态虚拟复眼数据采集模块，单具复眼定位模块，任务分配与调度模块；
所述地理空间三维采集网格是按照设计精度划分待采集地理区域的网格体系，将不规则的地理区域离散化为格点组成的离散点集，离散点集组成复眼单体可能的拍摄点，在采集网格内合理规划选取复眼拍摄点，采集网格是虚拟复眼系统规划的基础；
所述数据采集模块，用于采集特定位置和特定角度的照片或影像视频，并将采集到的图片或影像视频数据通过无线网络方式实时传回，用于重构地理空间三维场景模型；
数据采集模块由面向地理场景的所有复眼相机协同构建；按照既定的地理空间三维采集网格规划，以网格节点为定位，布局复眼相机；
将面向地理场景的所有复眼相机按照既定的地理空间三维采集网格规划，虚拟组集为一个完整和体系化的复眼系统，称之为虚拟复眼；虚拟复眼由多个复眼相机根据既定的地理空间三维采集网格规划，相互协同、共同组建为一个对于整个地理空间实现完整无缝、全面覆盖、多层采集的复眼集群，定点定位定时采集大面地理照片或影像视频，每个复眼相机拥有多个镜头，一个单独镜头称之为子眼；所有镜头按照统一时钟的规定实施数据采集，获得具有时空一致性的数据；
所述定位模块，由GPS/北斗定位器/虚拟陀螺协同组成；GPS/北斗定位器/虚拟陀螺安装在复眼相机中，用于接收GPS/北斗定位信号，确定复眼相机及拍摄区域的全球地理坐标，监测相机整体姿态和子眼姿态；
所述任务分配与调度模块，根据地理空间三维采集网格规划发布以下3项任务，一是为每具复眼相机分配占位节点包括地理坐标、海拔高度、相互位置、子眼姿态，确定拍摄任务包括任务子眼、空间姿态、光学参数、拍摄范围，下达拍摄指令包括拍摄时刻、加注印戳、打包入库、设置回传路径，将拍摄指令传输给各复眼相机；二是为飞行在空中的无人机和无人飞艇分配占位节点包括地理坐标、海拔高度、相互位置；三是采取应答方式，向复眼相机发送校准命令宝库时间校准命令、占位校准命令、位姿校准命令、作业校准命令，进行时钟校准、占位校准、位姿校准和作业校准。


2.根据权利要求1所述的动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统，其特征是：所述复眼相机是一种拥有多个镜头，可沿水平面360°和垂直面360°同时采集图像的设备，复眼相机可附着于静态自然物、静态人工物，或直接抛洒于地面，还可直接悬挂于无人机或无人飞艇；各复眼相机根据上位机发布的统一时钟和采集指令，调集子眼采集场景图片或影像视频数据；并将相关数据，加注复眼相机/子眼编号、位置、姿态、拍摄时序信息回传上位机。


3.根据权利要求1所述的动态三维地理场景实时采集的虚拟复眼系统，其特征是：所述任务分配与调度模块将地理空间三维采集网格规划中的占位节点换算为复眼占位的地理坐标、海拔高度、协同规则；根据地理空间三维采集网格规划及复眼协同规则，计算需要调度的复眼相机子眼，确定子眼任务和子眼姿态；根据地理空间三维采集网格规划，以及子眼任务和子眼姿态，计算出各占位节点上搭载复眼相机的云台的角度、航角与水平角；调节云台，使复眼相机保持拍摄姿态；调节复眼相机内部的各子眼拍摄参数，控制复眼相机拍照；在挂置复眼相机的飞行器受空气气流干扰造成复眼漂移时，或者复眼相机局部受损时，动态保持网格整体稳定。


4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汉熙，蒋靳，郑晓钧，胡佳文，江南，黄鑫，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42