Transcript 近景摄影的重建
激光扫描与近景摄影测量结合的 小型馆藏文物三维重建 3D Reconstruction Of Small-sized Cultural Relics Based On Laser Scanning And Close-Range Photogrammetry 季铮 张剑清 郑顺义 孙明伟 武汉大学 遥感信息工程学院 数字摄影测量与计算机视觉中心 http://rsgis.whu.edu.cn/jsjsj/index.htm 主要内容: 概述 数字文物制作之数据采集 摄像机标定 三类重建方法 激光点云结合数码影像的重建方法----编钟 基于离散点的摄影测量重建----郧县人头骨 基于几何模型的摄影测量重建 ----青花梅瓶 概述 重建对象:单个物体 尺寸相对较小,(0.1米~100米) 已有的制作经验: 文物,遗址,座椅,飞机,…… 文物的数字三维模型制作，是将文物标本资源数字化、信息 传播网络化和观赏浏览公众化的一个重要部分。 敦煌石窟佛像的多分辨 率三维重建模型 故宫太和殿三维激光扫 描建模 大卫雕像的三维数字化 国内外博物馆： 博物馆的数量：博物馆总数达五万多座，其中一半以上 是20世纪50年代以后建立的。当代博物馆发展最快的是 欧洲，北美和大洋洲地区。 美 国：约8000个 英 国：约2500个 德 国：约4680个 法 国：约1500个 意大利：约3442个 加拿大：约1400个 澳大利亚：约1900个 日 本：约3700个 中国大陆地区：约２３００个博物馆 近景三维重建的“非常规” 航空摄影的重建 近景摄影的重建 带来的问题 摄影方 式、特 点 距离远，拍摄较规范， 距离近，拍摄条件受现 能形成规范的航带 场限制，拍摄方式变化 较多 初始值的确定 变形大 目标 种类 相对固定：地形、建 筑、道路、居民地等 较多：城区建筑、室内 物体、各种设备、设施 等 需要对更多的不同目标 进行区分 表达 方式 DEM、正射影像，矢量 图(2.5D) 全三维的表达 更多的模型表达方式 场景 性质 表面较连续，纹理性 质比较固定 深度变化大，物体形状 多样，纹理差异大 表面连续性假设不成立， 特征显著性难以保证 建筑模型 DEM 航空、卫星遥感影像 … … 近景目标 DEM+正射影像 飞机模型 曾侯乙编钟组（其中一个中等大小的编钟） 元代青花梅瓶 郧县人头骨化石 越王勾践剑 数字文物制作之数据采集 主要包括激光扫描仪、 高分辨率数码像机、平 面格网板、旋转平台、 计算机五个部分。 Canon EOS 5D数码 柯尼卡美能达的 VIVID910激光扫描仪 双圆的标记 格网间距50mm 十字丝标记 格网间距是30mm 数据获取： 激光扫描 控制摄影 一般摄影 扫描的点云数据 ．．．．．． 用于标定影像 控制摄影 基于二维直接线性变换和光束法平差的摄像机高精度标定算法 [张永军 2002] 格网点提取 (十字丝或圆心) 格网点 空间坐标 匹配格网点 计算二维DLT参数 求解主点和焦距 分解外方位元素 光束法平差 h1 X h2Y h3 h7 X h8Y 1 h X h5Y h6 y 4 h7 X h8Y 1 x 激光点云结合数码影像的重建方法 —编钟的三维重建 技 术 路 线 图 编钟制作(典型的 激光扫描+纹理映射 方法) 数据采集 拼接软件：扫描自带软件 PET (Polygon Edit Tool) … 53片 三角网编辑： Polyworks, 拼接后存在 “洞” Geomagic等 修补后 经过点云与影像的点云与影像套合 瓶、头骨、剑的扫描结果与问题 梅瓶 扫描数据 头骨扫描数据 底部复杂凸凹处，数据散乱，修补工作量大！ 勾践剑扫描数据 基于离散点的摄影测量重建 --郧县人头骨的重建 面片边界与整体三角网 头骨的三维模型由27863个点组成，分48个特征三 角网进行拼接，整体三角网中共包含52316个三角 形。 头骨的模型精度表 平均深度 观测值中 误差（mm） （mm） 平面相对 精度 高程相对 精度 头骨上部 0.0057 1100.54 1/10716 1/10146 头骨下部 0.0064 1107.35 1/10827 1/10302 基于几何模型的摄影测量重建—青 花梅瓶的重建 对于参数几何模型需要求解两类参数； 1) 位姿参数(空间方位) 2) 模型的几何造型参数(形体参数)； 广义柱体模型 –(积分模型) 广义柱体模型(也称扫掠表示法)，它由一条作为轴线的空间曲线，一 个二维截面图和定义截面如何沿轴线运动的表示方法。理论上任意物 体都可以表示成截面的运动模型。一般要求截面变化是连续的，截面 运动也是有一定规则的，才比较适合用该模型。 圆截面 ri, zi z 参数：各个截面的半径,，截面间距； y 可以衍生的几何体：圆柱、圆台、圆锥； x 矩形截面 z 参数：矩形截面(长、宽)，截面距离、截 平面方向偏移距离 y 便于构造单方向的曲线造型 x0 x1 P1 x 多边形截面 P2 P1 P3 P0 P0 Pn P4 P2 P 3 P Pn 4 参数：基准截面多边形(P0，…Pn)， 截 面间距 衍生的几何体：直棱台、直棱柱等 梅瓶由一组平行的空间圆截面构成，在影像上的轮 廓点为对应视线与空间圆截面的切点。 根据多张影像上提取的梅瓶边缘轮廓，利用共线方 程最小二乘平差可求得每个空间圆截面的位置和形 状参数。 利用轮廓线重建圆截面体 假定梅瓶的横截面为圆形，空间圆的参数方程可 表示为: (旋转轴方向已知:Z 轴) X X 0 R cos Y Y0 R sin Z Z0 视线与空间圆相切，切点为A、C，坐标可分别表 示为：A ，C X 0 R cos1, Y0 R sin 1, Z0 X 0 R cos2 , Y0 R sin 2 , Z0 未知数：每个圆截面的圆心(X0,Y0)和半径R 给定空间截面的高程积分步长，即截面之间的间距， 以及截面的高度范围，则所有截面参数可以通过多 张影像上提取的轮廓，自动迭代解算出来。 实验结果 当截面高度的积分步长为2mm时，整个模型由 189个空间截面组成，解算得到的截面参数部分 如表。 积分步长为2mm的空间圆截面参数表 梅瓶-自动纹理映射 展开图 实验结果 梅瓶的控制点误差 最大误差 (mm) 中误差(mm) 平面中误 差(mm) 深度中误 差(mm) X 0.66 0.13 0.15 Y 0.88 0.13 Z -0.65 0.15 0.18 梅瓶的模型精度表 观测值中误差 （mm） 平均深度 （mm） 平面相对 精度 深度相对 精度 0.0038 1547.20 1/8389 1/10579 已经进入湖北省博物馆展厅的数字文物展台 数字文物 总结与展望 结合参数几何模型的约束条件在重建的各个 阶段； 文物三维重建质量评定的定量化与定级； 流程的进一步整合，规范化； 借鉴计算机图形学中的建模、渲染技术,进 一步提高三维模型的逼真度. 请老师和同学指正 谢谢