云的全局分布進(jìn)行微調(diào)，使點云匹配達(dá)到全局最優(yōu)。附圖2 介紹了G20的原理。
[0032] 掃描過程存在噪聲，掃描儀本身存在邊緣效應(yīng)，加之長城遺址地貌變化多端，這給 掃描數(shù)據(jù)帶來噪點，使得掃描數(shù)據(jù)平滑性很差，普通的基于平滑數(shù)據(jù)的濾波算法不能很好 的適應(yīng)這種粗糙度不均勻的點云，為此，本發(fā)明采用基于定半徑包圍球去噪算法：以目標(biāo)點 為圓心，固定半徑區(qū)域內(nèi)點數(shù)如果少于數(shù)量閥值，則被認(rèn)為是噪點并予以去除。
[0033] 點云掃描面之間存在大量拼接區(qū)域，造成點云冗余，另外，由于長城遺址表面粗糙 度不均，且存在很多尖銳點，以及掃描視角的不同，造成點云數(shù)據(jù)密度不均勻，不利于生成 均勻的網(wǎng)格模型，且可能造成網(wǎng)格模型存在不應(yīng)該存在的孔洞，在網(wǎng)格化之前，需要精簡處 理。一般的精簡算法基于點云局部曲率，這樣可以在平滑的地方保留較少的點，在曲率較大 的地方保留較多的點，以保留原物體較多的特征，然而，這種算法基于整體較平滑的表面， 而長城的點云數(shù)據(jù)不平滑且不均勻，所以本發(fā)明使用了基于聚類的方法進(jìn)行精簡，這種算 法會造成較小的細(xì)節(jié)缺失，但滿足該項目的需求。
[0034] 由點造面中用的最多的方法是網(wǎng)格法，而網(wǎng)格法中用的最廣泛的是三角網(wǎng)格，它 具備自適應(yīng)多分辨率的特性，且適應(yīng)性廣，所以本任務(wù)選擇三角化方法作為提取外表面的 方法。三角化方法可以劃分為兩類：基于隱函數(shù)的逼近方法和基于delaunay準(zhǔn)則的幾何方 法。第一類方法通過隱函數(shù)擬合來構(gòu)造表面，適用于較光滑且規(guī)則的模型，不適用于既不光 滑又不規(guī)則的長城點云，所以，本發(fā)明選擇了基于delaunay準(zhǔn)則的PowerCrust算法作為三 角化的方法，它應(yīng)用廣泛，魯棒性較強，且能保證全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性。為了得到更平滑 精確的模型，本發(fā)明還對網(wǎng)格進(jìn)行了加密，加密算法基于三階B-spine插值。
[0035] 網(wǎng)格表面法向量是3D建模中必不可少的重要參數(shù)，是紋理獲取中遮擋判斷的依 據(jù)，也是多紋理融合權(quán)重的參考及光照計算的參考。本發(fā)明利用三角形任意兩邊的叉積來 確定初始法向量，利用PowerCrust算法中外極點調(diào)整法向量的朝向，使其一致朝外。
[0036] 不同于室內(nèi)可以人為控制環(huán)境光場，室外環(huán)境復(fù)雜多變，例如陰天、晴天，拍照環(huán) 境亮度不同，造成紋理照片亮度、色調(diào)的不一致，這會給后續(xù)的紋理融合帶來困難，所以，拍 攝的初始照片不能直接用于提取紋理，需要先進(jìn)行一定的預(yù)處理，包括亮度、色調(diào)的全局調(diào) 整。
[0037] 計算物像映射關(guān)系是紋理映射之前的必備步驟，物像映射關(guān)系是獲取紋理坐標(biāo)的 前提。物像映射關(guān)系是通過一系列空間坐標(biāo)變換得到的，這些坐標(biāo)變換基于相機的內(nèi)外參 數(shù)。所以首先需要對相機進(jìn)行標(biāo)定。相機標(biāo)定目前是一個很成熟的技術(shù)，本發(fā)明使用了 Matlab的相機標(biāo)定工具箱來完成相機的標(biāo)定。物像映射原理上是由兩個變換組合而成：世 界坐標(biāo)系到相機坐標(biāo)系的變換、相機坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系的變換。這些變換的參數(shù)來源于 GPS和MU(慣性測量單元）測量的位姿數(shù)據(jù)和相機的內(nèi)參（由標(biāo)定給出）。這些參數(shù)的精 確度直接影響紋理映射的精度。附圖3說明物像映射關(guān)系，其中，P和p是同一點的世界坐 標(biāo)和圖像坐標(biāo)，0是相機坐標(biāo)系，f是焦距，C'是圖像主點位置。
[0038] 將3D網(wǎng)格模型頂點數(shù)據(jù)按照物像映射關(guān)系投影到經(jīng)過預(yù)處理的圖像上就可以獲 取到每一個三角面片的紋理及其紋理坐標(biāo)。
[0039] 紋理映射的目的是加強3D模型視覺上的真實性。紋理映射所做的工作就是將上 一步獲取的紋理序列按照紋理坐標(biāo)一一 "貼"到之前步驟所獲得的3D幾何模型上。
[0040] 由于獲取的紋理圖像是存在重疊部分的，所以，紋理序列存在冗余，即一個三角面 片可能對應(yīng)多個紋理，這里存在一個選優(yōu)或者融合問題。在一些案例中，他們采取選擇視角 最大的紋理作為待映射紋理，然后再進(jìn)行紋理融合。但是，這樣做造成了數(shù)據(jù)浪費，這些數(shù) 據(jù)可以用于紋理融合。實際操作中，相鄰紋理圖像間存在匹配誤差，所以，如果最大視角紋 理不是來源于同一幅圖像，可能會出現(xiàn)相鄰紋理三角形間"對不齊"的問題，本發(fā)明的解決 方法就是利用冗余的紋理進(jìn)行多重紋理映射，實現(xiàn)紋理間的模糊過渡，既不造成數(shù)據(jù)浪費， 又完善了紋理融合。
[0041]現(xiàn)場實驗設(shè)計了如下數(shù)據(jù)采集方案：采用無人直升機作為載體，機上搭載GPS和 MU等定位設(shè)備，用來測量載體的位姿信息；采用重量較輕的二維激光掃描儀和旋轉(zhuǎn)云臺 搭配的方式來完成長城遺址地形三維分布數(shù)據(jù)的測量；采用高分辨率的相機來完成長城遺 址的圖像數(shù)據(jù)采集。然后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，建立長城的仿真三維模型，能夠反映長城的三 維幾何數(shù)據(jù)和紋理概貌，能夠提供虛擬漫游，為長城的動態(tài)監(jiān)控提供可視化支持。
[0042]考慮到無人直升機的短途續(xù)航能力以及陜西明長城鎮(zhèn)北臺款貢城的龐大面積，為 了完成對鎮(zhèn)北臺款貢城圍墻的三維重建，采用分段重構(gòu)，最后拼接的方法。以對豁口段墻面 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作為例，工作示意圖如附圖4所示。
[0043]在附圖4中，無人機在13個不同的位置對長城墻體進(jìn)行激光掃描工作，這13個位 置是大概位置且位置個數(shù)由實際情況（墻體長度，墻的復(fù)雜程度等）而定，其實際位置只要 能滿足條件：激光完成一個掃描周期后，能得到少數(shù)地面點，大部分墻面點和墻頂點。無人 機按照附圖4中的13個位置依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，S卩：無人機移動到達(dá)目的位置，保持懸停， 激光采集數(shù)據(jù)，繼而移動到下一位置。也就是所謂的"飛行-停止-掃描"的數(shù)據(jù)采集模式。 無人機按照1-12的順序完成掃描后，要回到位置1附近，采集第13組數(shù)據(jù)以完成該段墻體 的數(shù)據(jù)采集工作。假如無人機在激光采集數(shù)據(jù)的過程中發(fā)生飄移、大抖動，則需重新采集此 處的數(shù)據(jù)。
[0044]為了實現(xiàn)更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要大致知道無人機的飛行高度以及無人機距離 墻體的水平距離。無人直升機激光掃描示意圖如附圖5所示，其中，圖中D為物體實際長度， h為物體實際高度，d為直升機距離物體的水平距離，H為無人直升機距離物體的垂直距離。
【主權(quán)項】
1. 一種基于無人直升機的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，所述方法采用采用分 段重構(gòu)、最后拼接對大面積非結(jié)構(gòu)化場景進(jìn)行三維建模，其特征在于：所述方法包括以下步 驟： A. 無人直升機搭載LiDAR系統(tǒng)與高品質(zhì)數(shù)碼相機采集目標(biāo)對象的激光點云數(shù)據(jù)和圖 片數(shù)據(jù)； B. 對所述點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：首先進(jìn)行ICP匹配單步矯正，然后G20圖形全局優(yōu)化，再 進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理，得到網(wǎng)格表面法向量； C. 對所述圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：首先進(jìn)行預(yù)處理，然后計算物像映射關(guān)系，獲取紋理序 列； D. 利用冗余的紋理進(jìn)行多重紋理映射，實現(xiàn)紋理間的模糊過渡，將步驟C所得到的紋 理序列按照紋理坐標(biāo)一一地貼到步驟B所得到的三維幾何模型上，形成三維數(shù)字模型； E. 輸出目標(biāo)對象的三維數(shù)字模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，其特征在于：所述步驟B 中對所述點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理還包括點云去噪：基于定半徑包圍球去噪算法，以目標(biāo)點為圓 心，固定半徑區(qū)域內(nèi)點數(shù)如果少于數(shù)量閥值，則被認(rèn)為是噪點并予以去除。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，其特征在于：所述步驟B 中在進(jìn)行三角網(wǎng)格化處理之前，需要使用基于聚類的方法對點云精簡處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，其特征在于：所述三角 網(wǎng)格化處理基于delaunay準(zhǔn)則的PowerCrust算法作為三角化的方法。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，其特征在于：為了得到 更平滑精確的模型，需要對網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密算法基于三階B-spine插值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，其特征在于：所述方法 還包括步驟F :將多段目標(biāo)對象的三維數(shù)字模型進(jìn)行拼接，形成完整的目標(biāo)對象的三維數(shù) 字模型。
【專利摘要】本發(fā)明針對大范圍非結(jié)構(gòu)化物體的三維重建，以陜西明長城為例，考慮到長城遺址的地形復(fù)雜性，提出了基于小型無人直升機的大面積非結(jié)構(gòu)化場景三維建模方法，在原始數(shù)據(jù)采集階段，用無人直升機搭載LiDAR系統(tǒng)與高品質(zhì)數(shù)碼相機，對款貢城城墻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，解決了大面積物體的點云采集和原始照片采集難題。在數(shù)據(jù)分析與處理階段，采用了點云匹配和全局優(yōu)化，有效地克服了點云拼接的困難。實驗證明，這套無人機動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是可行的，有效地解決了大范圍非結(jié)構(gòu)化大物體的三維重建工作。
【IPC分類】G06T17-05
【公開號】CN104809759
【申請?zhí)枴緾N201510158959
【發(fā)明人】邱純鑫, 朱曉蕊, 李小春, 王斌, 王秋云
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月3日