一种三维平面提取方法技术

本发明专利技术提供一种三维平面提取方法，技术方案的输入是以任意方法得到的目标场景中的三维直线特征集和稀疏数字高程模型数据、从两个不同视角获取的目标场景的立体图像及获取它们的立体相机的所有内、外参数、对立体图像的直线提取结果，技术方案的输出是定位精度高、边界完整性和准确性好的三维平面。技术方案的处理过程中，将三维平面的定位与平面区域边界的提取分离成两个前后衔接的阶段，分别独立完成这两个任务，减小它们之间的误差影响，使两个阶段的结果分别达到最优，从而实现三维平面提取的最优。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及摄影测量与遥感、计算机视觉领域，尤其涉及一种三维平面的 提取方法。
技术介绍
人造目标三维重建在城市规划、灾害监测、通信设施建设等领域具有非常 广泛的应用，长期以来， 一直是摄影测量与遥感、计算机视觉领域长期研究的 重要课题。在各种多面体结构的目标三维重建方案中，三维平面提取是其中的 一个关键步骤。目前，提取三维平面的方法主要有四种第一种，利用直接获得的密集数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)数据，通过拟合获得三维平 面；第二种，通过获取不同光照条件下的目标区域影像，结合目标表面的反射 特性模型，建立多个反射图，利用光度学立体视觉法计算每个目标表面点的表 面方向，实现对目标表面的重建；第三种，利用直线特征感知编组的方法，假 定已知目标表面平面区域的形状，对已提取的直线特征进行特定规则的编组， 如针对矩形平面区域的轮廓编组，生成多个平面假设，进而依据影像或其它先 验知识进行平面假设的验证；第四种，对提取的直线特征进行匹配，通过前方 交会计算对应的三维直线，对三维直线进行共面分析，生成所有可能的平面假 设并构造平面边界以形成闭合平面区域，利用各种证据对这些闭合区域进行证 实。相比较而言，第一种方法的缺点是随着高程点数据密度的增加，获取成本 会同时增加，而且对于结构复杂的目标，如果缺少平面数量或目标结构的大致 类型作为先验知识，提取目标表面的所有平面是很困难的。第二种方法的缺点是需要精确已知多个光照条件，因而该方法多见于单纯光照环境下的小体积目 标的表面重建，对于光照条件复杂、背景多样或目标表面反射特性存在差异等 各种非合作情况，该方法难以取得满意的结果。第三种方法的缺点在于可提取 平面的几何形状受到限制。较前三种方法而言，第四种方法适应性更强，而且 对高程数据的依赖小，甚至可以不需要高程数据的支持，同时，该方法采用一 种自底向上的提取过程，可以解决各种多边形形状的三维平面提取。在三维平面提取过程中，需要得到的三维平面信息包含两个方面 一是三 维平面定位信息，表现为它所在开放平面的平面方程；二是三维平面边界信息， 表现为闭合平面的完整和准确的边界线。现有的第四种三维平面提取技术中， 将提取这两种信息作为一个任务同时完成，平面的定位精度会受到边界定位误 差的影响，而由平面相交得到的边界定位精度又会因为平面的定位参数误差而 降低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在三维平面提取过程中，将三维平面的定位与 平面区域边界的提取分离成两个前后衔接的阶段，分别独立完成这两个任务， 减小它们之间的误差影响，使两个阶段的结果分别达到最优，从而实现三维平 面提取的最优。本专利技术技术方案的输入是以任意方法得到的目标场景中的三维直线特征集 和稀疏数字高程模型数据、从两个不同视角获取的目标场景的立体图像及获取 它们的立体相机的所有内、外参数、对立体图像的直线提取结果，技术方案的 输出是定位精度高、边界完整性和准确性好的三维平面，实施技术方案的目的 是为后续多面体结构目标的表面重建工作打下基础。本专利技术的思路是把三维平面提取过程分成前后衔接的两 优化步骤，第一个步骤是获取目标表面所在开放三维平面的高精度定位信息，实现方法是一 种分割假设证实方法，具体流程是利用三维直线特征生成开放的三维平面假设 —利用三维平面假设的成员直线特征分割开放的三维平面假设形成多个平面块 假设一选取最优平面块假设一合并最优的平面块假设，生成高定位精度的开放 三维平面；第二个步骤是构造平面的边界，基于生成的开放三维平面，以平面 相交获取的平面交线、图像中提取的直线特征以及与目标结构相关的启发性知 识作为生成平面边界的依据，为开放平面构造完整的边界，具体流程是利用开 放平面的成员直线特征和平面间交线构造平面的边界一利用立体图像中提取的 直线特征和启发式规则补充缺失的平面边界一由平面边界生成闭合平面假设， 利用优化方法选择最优的闭合平面假设。本专利技术的技术方案是，具体包括下述步骤 已知某一场景的不同视角的两幅图像，分别称为左、右图像，以及摄取这 两幅图像的左、右相机的所有内、外参数，其中左、右相机摄影中心在世界坐 标系中的坐标分别记为(Z。p乙,Z。J和^^,l^，Z。。；由这两幅图像中提取的直线特征集，分别记为^和/^;已知该场景中的iV,条三维直线特征，记为 S = {i:,|/ = l,2,...，A^}，该集合中的任意元素A表示一条三维直线段，它的两个 端点分别为(《1，1;1,2,1)和(《2,1;2,《2;);已知该场景中的稀疏DEM数据，记为 高程点集合J^(足，t之)l"l,2，…，A^，该集合中元素的平均误差为;i。第一步，求解目标表面所在的开放三维平面 第(一)步，三维平面假设生成设定角度门限^，如果两条三维直线的夹角小于^，则判定它们的方向矢量 近似一致；设定距离门限"如果一个三维空间点到一条三维直线或一个三维平 面的距离小于"则判定该三维空间点在这条三维直线上或这个三维平面上。两个门限的取值根据已知三维直线特征的定位精度而定。设定目标表面的任意一个平面的两条相邻边界所在直线的夹角范围为b,，;r-%]，目标表面的任意两个相邻平面间的最小夹角为^，它们的取值与目标表面的结构特点有关。 第1步，计算三维平面假设对集合s中的三维直线特征两两组合，生成三维平面假设，具体步骤为任选两个三维直线特征A^s和a^s ， A的端点为G^,^,zj和(^2,^,D， a的端点为(&,&，^)和(^2，i;2,Zv2)，利用它们定义目标函数/(a,Z),c，(i):+("vl+^:rvl+c.zvl+")2+("v2+6.rv2+c.zv2+d)2采用梯度下降法计算/("Ac^)取最小值时的("Ac,^，得到由a和a指定的三维平面假设方程为".jr+卜;r+c.z+d-o。按照上述步骤得到的所有三维平面假设集合Q^"卜1,2,…,A((，对于其中 任意一个三维平面假设S，平面方程为",..1 + &1 + 。.2 +《=0，用于生成它的两个三维直线特征称为s的成员直线特征。第2步，合并共面的三维平面假设对于任意一个三维平面假设^eQ，计算它的两个成员直线特征中点连线的中点在平面S上的投影，记为(I;，F二，Z^)。 第1)步，判定三维平面假设的共面关系对于任意两个三维平面假设^eQ和巧eQ，如果满足下面的不等式组，则 判定^和S.共面<formula>formula see original document page 23</formula><￡ <6T第2)步，搜索共面的三维平面假设生成一个无向图G，将每个三维平面假设^eQ作为一个节点，如果任意两个三维平面假设是共面的，则它们对应的节点之间保持连接，否则不连接。计算无向图G的所有极大团，记为{2W|W = 1,2,…,AT"，任意一个极大团仏是Q的一个子集，记为{/^(。|/^ = 1,2，...附^，子集中任意两个三维平面假设都是共面的。第3)步，合并共面的三维平面假设对于任意一个极大团0^，合并它包含的所有三维平面假设，得到一个新的三维平面假设A，它的平面方程记为&am本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维平面提取方法，已知目标场景中的三维直线特征集和稀疏数字高程模型数据、从两个不同视角获取的目标场景的立体图像及获取它们的立体相机的所有内、外参数、对立体图像的直线提取结果，其特征在于，具体包括下述步骤：　第一步，获取目标表面所在 开放三维平面的高精度定位信息　利用三维直线特征生成开放的三维平面假设，利用三维平面假设的成员直线特征分割开放的三维平面假设形成多个平面块假设，利用多个平面块假设选取最优平面块假设，最后合并最优的平面块假设，生成开放三维平面；　第 二步，构造平面的边界　基于生成的开放三维平面，利用开放三维平面的成员直线特征和平面间交线构造平面边界，再利用立体图像中提取的直线特征和启发式规则补充缺失的平面边界，由平面边界生成闭合平面假设，利用优化方法选择最优的闭合平面假设。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：文贡坚，王继阳，回丙伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]