一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法

2023-10-04 11:17:29 1

一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法
【專利摘要】本發明涉及測繪數據建模和計算機圖像學【技術領域】，尤其涉及一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法。對於從車載雷射點雲生成的三維模型面,通過分析沿途所拍攝多幅相片的相機位置與姿態，自動選擇對於被紋理模型面有效像素數最高的相片作為該模型面的紋理母文件，隨後截取模型面所對應的紋理像素區域存儲為最終紋理文件,並計算紋理坐標(u,v)。本方法可以實現在給定車載雷射點雲、攝像機內外方位元素的情況下，自動選擇每個模型面所對應最高質量的紋理圖,並計算出對應的紋理坐標，從而完成自動化三維模型貼圖。對於需要使用實景貼圖的三維逆向建模問題，該方法有效縮短了建模整體流程中紋理貼圖步驟的時間，可完全代替傳統的人工貼圖流程，是對三維逆向建模工作流程的顯著改進。
【專利說明】一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法【技術領域】
[0001]本發明涉及測繪數據自動化處理和計算機圖像學【技術領域】，尤其涉及車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法。
【背景技術】
[0002]三維模型是物體的三維多邊形表示形式，通常用計算機或者其它視頻設備進行顯示。任何物理自然界存在的東西都可以用三維模型表示。當前三維模型在各個領域都有廣泛的應用，醫療行業使用它們製作器官的精確模型；電影行業將它們用於活動的人物、物體以及現實電影；視頻遊戲產業將它們作為計算機與視頻遊戲中的資源；在科學領域將它們作為化合物的精確模 型；工程界將它們用於設計新設備、交通工具、結構以及其它應用領域；測繪行業將它們用於三維測繪以及三維數字城市建設等領域。
[0003]近些年來，隨著車載攝影測量系統、車載三維雷射掃描系統等新型空間數據獲取系統的問世,現實世界的空間數據採集的速度愈加快捷,成本也愈加低廉。主流的移動車載雷射測量系統(如Streetmapper, Lynx等)均可在正常道路行駛速度下獲取周圍密集的三維雷射點雲以及高解析度相片。藉助車載雷射測量系統所配備的GPS和慣導裝置，系統輸出的三維雷射點雲和相機參數均已處於世界坐標系下，節省了相對定向和絕對定向所需的時間和精力。三維模型的紋理映射是三維模型創建過程中的重要步驟，它將現實採集的紋理圖或是虛擬出的紋理圖根據坐標系轉換賦在模型表面，以便在虛擬場景中更加形象的表現現實世界。現有的三維模型貼圖方法主要根據手動紋理圖選擇、映射的方式:首先選擇每個模型面對應的紋理圖片，分別將紋理圖片在圖片編輯軟體(如Photoshop)中打開，裁剪出目標紋理，並按照模型面對裁剪的紋理進行形狀的修改，將修改好的紋理保存為圖片格式；而後使用三維建模軟體(如3ds Max)打開模型，使用軟體的材質或貼圖功能為每個面添加紋理，具體步驟如下:將準備好的紋理圖導入軟體，設置模型頂點與相應紋理的頂點一一對應，即可為模型的面添加紋理。當前大部分設計、生產等需要用到模型貼圖功能的都是使用上述方法，該方法操作複雜，用時較長，對於精度要求較高的模型，需要對紋理圖片進行更為精細的裁剪和形狀修改；當模型數據量較大或是模型複雜度較高時，會直接增加耗費的人力、物力、財力，直接影響生產效率，是大規模三維建模以及數字城市建設長期難以克服的瓶頸。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於解決現有的三維模型在紋理映射方面效率低下的長期缺陷，提供一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法。
[0005]本發明的技術方案採用最近原則、最正原則和遮擋求其次原則自動選取模型面對應的紋理圖，自動計算模型面對應的紋理坐標，包括以下主要步驟:
[0006]A、模型的拆分；
[0007]B、紋理圖的自動獲取；[0008]C、紋理圖的裁剪與恢復；
[0009]D、模型與紋理圖的存儲。
[0010]進一步地，步驟A中模型的拆分是指將已有的單位模型按照拓撲結構分為不同的模型面。
[0011]進一步地，步驟B中紋理圖的自動獲取細化為:
[0012]BI通過紋理圖外方位元素中的位置(即車載雷射雷達掃描系統所配備的相機在空間坐標系的中心位置Xs、Ys、Zs)和模型面的中心位置(Xa、Ya、Za)計算距離模型面最近的紋理圖片；
[0013]B2根據紋理圖的方向和模型面的方向，在已獲得的最近的紋理圖內，獲取最正(兩者法向量夾角接近180度)的紋理圖片；
[0014]B3根據已有模型數據，檢測獲取的紋理圖中建築物是否被遮擋，若被遮擋則選取次正的紋理圖，繼續判斷直至選取出合適的紋理圖為止。
[0015]進一步地，步驟C中的紋理圖的裁剪與恢復細化為:
[0016]Cl應用模型面的三維坐標和已選取的紋理圖片的內外方位元素，根據共線方程求取模型面上各個端點在紋理圖上的紋理坐標；
[0017]C2檢測紋理坐標範圍，正確的紋理坐標值在(0，I)之間，獲取紋理坐標的最大、最小值(x_、xmin> ymax、ymin)，根據紋理坐標的範圍獲取有效紋理的最小矩形框，對應的坐標應為(Xmin，Ymin)和(Xmax，Ymax).根據最小矩形框裁剪出有效的紋理圖；
[0018]C3將裁減的紋理圖恢復到與原始圖同樣大小，根據兩者的坐標關係，通過平移和縮放，重新計算模型面對應的紋理坐標。
[0019]進一步地，步驟D中的模型與紋理圖的存儲細化為:
[0020]獲得最終的模型紋理圖和紋理坐標後，將模型坐標與紋理坐標對應存儲，設置紋理圖的連結路徑，採用相應的格式保存即可完成三維模型自動紋理貼圖。
[0021]本發明提供了一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法。該方法能夠有效地完成三維模型自動紋理貼圖，尤其適用於三維模型貼圖。如目前常用的三維模型軟體在貼圖方面的操作均為肉眼識別、手動選取設置模型面對應的紋理圖，當模型數據量較大或是模型複雜度較高時，直接影響了模型貼圖效率，並間接影響了三維模型的生產效率。而本方法可以將肉眼識別、手動選取設置模型紋理圖的過程自動化，不僅節省了大量的人力資源，還直接提高了整個三維城市建設的生產效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是紋理圖與模型面之間的距離示意圖
[0023]圖2是紋理圖與模型面之間空間關係示意圖
[0024]圖3是模型面被遮擋狀況處理示意圖
[0025]圖4是紋理圖片裁剪與恢復示意圖
具體實施方案
[0026]下文將參照附圖對本發明的具體實施方案進行更詳細的說明:
[0027]A模型的拆分[0028]按照三維模型的組成結構，將模型分解為多個模型面。
[0029]B紋理圖的自動獲取
[0030]模型面對應的紋理圖片P應滿足以下幾個條件:
[0031]BI最近原則:為了保證模型紋理圖的清晰度，P的位置與模型面中心的距離(如圖1所示)不應太遠，紋理圖片P的位置(相機中心位置)與模型面中心之間的距離D如式⑴所示:
[0032]
【權利要求】
1.一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:對於從車載雷射雷達點雲生成的三維模型面，通過分析沿途所拍攝多幅相片的相機位置與姿態，自動選擇對於被紋理模型面有效像素數最高的相片作為該模型面的紋理母文件，隨後截取模型面所對應的紋理像素區域存儲為最終紋理文件，並計算紋理坐標(U，V)。具體包括以下步驟: A根據各相片拍攝位置的相機內外方位元素，將模型面F中心投影到各個相方空間坐標系，並根據最近原則、最正原則和遮擋求其次的原則，選擇一幅模型面對應有效像素數量最高的相片M作為紋理母圖片。 B將模型面F各頂點的坐標根據紋理母圖片M的相機內外方位元素，中心投影到M的相方空間坐標系，從而求取模型F各頂點對應的像素坐標，並進一步根據像素坐標範圍截取紋理母圖片M中與模型面對應的部分，另存為紋理文件m。 C根據紋理母文件M與紋理文件m的坐標系轉換關係，將各頂點的原像素坐標轉換為在新相片空間下的像素坐標，並計算紋理坐標(U，V)。
2.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟I所述的模型面為三維車載雷射點雲生成的不規則三角網絡TIN面或選取三維雷射點為頂點所形成的多邊形面。
3.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟I所述的最近原則是紋理圖片中心到三維模型面的距離最小。
4.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟I所述的最正原則是紋理圖片的法線與模型面的法線夾角接近180度(平行為最正)。
5.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟I所述的遮擋求其次原則是當模型面的前方有其它模型有遮擋時，選擇次正且無遮擋的圖片作為模型面的紋理圖。
6.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟2所述的模型面對應的紋理坐標計算方法為相機後方交會方法。
7.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟2所述的根據紋理坐標範圍(正確的範圍是0-1)，截取與模型面對應的紋理圖部分。
8.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟3所述的將裁減的紋理圖恢復到與原始圖同樣大小，根據兩者的坐標關係，通過平移和縮放，獲取模型點的新紋理坐標。
9.根據權利要求1所述的一種基於車載雷射測量系統的全自動紋理映射方法，其特徵在於:步驟3所述的獲取模型面的對應的紋理坐標後，保存三維模型與紋理圖通過存儲模型面的對應紋理坐標來實現。
【文檔編號】G06T17/00GK103955959SQ201310248121
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2013年6月20日 優先權日:2013年6月20日
【發明者】浦石, 趙永屹, 紀明汝 申請人:北京拓維思科技有限公司