一种大规模室外场景三维重建方法技术

本发明专利技术公开了一种大规模室外场景三维重建方法，包括以下步骤：使用多相机采集系统，在不同的视点采集室外场景的图像，并标定相机的参数；根据多相机采集系统中相机的相对位置关系和成像范围将多个相机分成相机簇；对同簇的相机，根据其拍摄的图像恢复场景中局部区域的三维结构；以及对不同局部区域的三维重建结果进行配准与融合，恢复场景中全拍摄范围的三维结构。本发明专利技术的大规模室外场景三维重建方法使用特定构造的多相机采集系统，使用基于室外场景的相机自标定方法，根据多视点采集的图像，由局部区域的三维重建结果恢复全拍摄范围的室外场景空间信息，重建范围大，方法原理明确，实现成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机视觉
，特别涉及。
技术介绍
随着计算机视觉技术的发展和人们生产生活需求的增加，三维重建技术有着良好的应用前景。室外场景的三维重建可在城市规划建设、环境观测保护、数字导航方面起到重要作用。用计算机技术重建物体三维模型的技术主要包括:几何造型法，三维扫描法，基于图像的方法。室外场景的三维可视化方法有:基于星载图像或机载图像建立场景的三维模型；基于距离的方法；基于图像的方法。其中:基于星载图像或机载图像的方法需要进行卫星拍摄或航拍，实现成本高，且仅能获得场景的顶部数据，不能获取地面数据，观测精度有限，难以实现对场景中特定建筑物的建模。基于距离的方法利用激光测距仪和摄像机直接获取场景中景物的三维几何和纹理信息，可以较为准确地获取三维场景的稠密点云。对于大规模场景的测量和建模，通常需要载体设备和导航系统，测量数据量大，测量时间长，且三维重建过程复杂度较高。基于图像的方法根据多视点图像提取出场景的几何信息，然而现有的基于图像的室外场景三维建模方法仅适合简单场景，不适合大规模场景的建模。由于相机视角范围有限，若对大规模场景进行建模，需要大量的不同视点的图像，这使处理的成本和复杂度增力口。基于图像进行三维重建需要进行相机标定，就拍摄室外景物而言，由于不适合使用标定物，需要根据室外景物的特征进行自标定，而当拍摄视点数量大，视点变化复杂时，相机标定难度和复杂度增加，三维重建的精度不高。因此现有的基于图像的方法并不适用于大规模室外场景的三维重建。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本专利技术的目的在于提出一种重建范围大，方法原理明确，实现成本低的大规模室外场景三维重建方法。根据本专利技术实施例的大规模室外场景三维重建方法，包括以下步骤:S1:使用多相机采集系统，在不同的视点采集室外场景的图像，并标定相机的参数；S2:根据所述多相机采集系统中相机的相对位置关系和成像范围将多个相机分成相机簇；S3:对同簇的相机，根据其拍摄的图像恢复场景中局部区域的三维结构；以及S4:对不同局部区域的三维重建结果进行配准与融合，恢复场景中全拍摄范围的三维结构。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤SI进一步包括:101:调整所述多相机采集系统中各相机的焦距，使其适于拍摄所观测的室外场景，并在拍摄过程中保持相机焦距不变；102:选取不同视点，将所述多相机采集系统移动至对应位置，拍摄各视点下室外场景的图像；103:对每个相机，根据所述相机在不同视点处采集的图像，提取有效景物信息，标定相机内部参数；以及104:对每个相机，根据所述相机在不同视点处采集的图像，以及已标定的所述相机内部参数，标定相机外部参数。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤103进一步包括:对单幅图像，使用交互或非交互的方法提取图像中的几何特征；综合不同视点处图像中的几何特征，建立关于相机内部参数的约束；通过求解关于相机内部参数的约束优化问题，标定相机内部参数。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤104进一步包括:选定世界坐标系与给定的一个摄像机坐标系重合，根据同一相机在不同视点所采集的图像，以及不同相机在不同视点所采集的图像，通过特征匹配求出基本矩阵，进而根据基本矩阵与相机内、外参数的关系，在已知相机内部参数的条件下，求出相机外部参数。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S2进一步包括:201:按系统中相机的相对位置关系，将相机初始划分为若干簇，同簇的相位置相邻；以及202:根据所述步骤201的相机簇划分的初始结果进行优化，将系统在一个给定的位置采集的所有图像划分为若干图像子集，使得不同子集的图像之间的重叠区域小于一定阈值，属于同一子集的图像对应的相机划分为同一簇。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S3进一步包括:301:确定同簇的相机之间的层次关系，优先使用层次高的相机采集的图像进行三维重建；302:对同一相机在不同视点拍摄的图像，取相邻视点的图像进行几何校正，使用双目立体匹配方法对选取的待重建区域求取深度图，计算待重建区域内每个像素对应的物点的三维坐标；以及303:对同簇内不同相机的三维重建结果进行融合。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤301中，选取位置接近相机簇中心的相机为层次优先级高，由中心位置向边界位置相机的层次优先级递降。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤302中，根据所述相机内部参数和相机外部参数，估计当前相机和优先级在它上一级的相机在给定视点处的成像重叠范围，选取当前相机在给定视点处的待重建区域，该区域与所述重叠范围仅有微小交集。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤303中，当某一物点在同一相机的不同视点图像中均有投影时，若根据每一对相邻视点计算的物点世界坐标存在差异，则采用线性加权方法或投票机制确定唯一的物点世界坐标；当某一物点在不同相机的图像中均有投影时，对于某一相机恢复的物点，若以其为中心的小邻域内存在被其他相机恢复的物点，且投影点的匹配相似度高，则合并两个物点为一点。在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S4进一步包括:401:根据相机的外部参数，将各个相机簇的三维重建结果变换到相同的世界坐标系下，组合为全局的三维重建结果；402:对于相邻的相机簇，将成像重叠区域的图像点所映射的物点进行融合，若匹配的图像点映射为不同的物点，采用线性加权方法或投票机制确定唯一的物点世界坐标；以及403:若重叠区域存在未映射为物点的像素点，则采用线性插值方法计算映射的物点世界坐标。本专利技术实施例的大规模室外场景三维重建方法通过使用特定构造的多相机采集系统，在不同的视点采集室外场景的图像，结合室外场景的景物特征标点相机的参数，根据拍摄的图像重建场景中局部区域的三维结构，并进而重建全拍摄范围内的场景三维结构。具有重建范围大，方法原理明确，实现成本低的优点。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:图1是本专利技术实施例的大规模室外场景三维重建方法的流程图；图2是本专利技术一个实施例的多相机采集系统的实物示意图(a)和光路示意图(b);图3是图1的步骤SI的详细流程图；图4是图1的步骤S2的详细流程图；图5是图1的步骤S3的详细流程图；图6是图1的步骤S4的详细流程图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模室外场景三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：使用多相机采集系统，在不同的视点采集室外场景的图像，并标定相机的参数；S2：根据所述多相机采集系统中相机的相对位置关系和成像范围将多个相机分成相机簇；S3：对同簇的相机，根据其拍摄的图像恢复场景中局部区域的三维结构；以及S4：对不同局部区域的三维重建结果进行配准与融合，恢复场景中全拍摄范围的三维结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：季向阳，杨扬，戴琼海，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：