基于影像點云的可量測全景服務(wù)模式

武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司 楊 峰

一、引 言

近年來，搭載著三維激光技術(shù)的產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)，如國外的Faro地面三維激光掃描儀、國內(nèi)的LS300地面三維激光掃描儀和iScan移動三維激光測量系統(tǒng)等，其在推動著地理信息領(lǐng)域變革的同時，在其他許多領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如街景地圖、數(shù)字博物館、基于LBS的2.0服務(wù)等，無不是時下最熱門的討論話題。

三維激光掃描儀能同時獲取兩種數(shù)據(jù)產(chǎn)品——激光點云和全景影像數(shù)據(jù)，這兩種數(shù)據(jù)各有優(yōu)勢和特長。如何有效地結(jié)合三維激光點云數(shù)據(jù)和全景影像數(shù)據(jù)，更好地為行業(yè)應(yīng)用特別是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)，是本文研究的目的和意義所在。

二、影像點云

三維激光掃描儀利用發(fā)生激光器對物體進行測量，能夠快速獲取物體表面的三維空間坐標數(shù)據(jù)，并返回地物反射信號的強度，這就是三維激光點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)一般都是目標的三維坐標，其空間分布較為離散，而且利用強度生成的灰度影像在視覺上并不直觀；另外，點云數(shù)據(jù)的海量特性給數(shù)據(jù)的存儲和處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。單純利用點云數(shù)據(jù)，難以對地物進行分類和測量，制約著點云的應(yīng)用。

如果有目標地物的影像數(shù)據(jù)，利用影像豐富的光譜信息來彌補三維激光點云的不足，將點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，可提供具有真實彩色的點云，大大提高點云可視化的效果。三維激光點云和全景影像數(shù)據(jù)結(jié)合使用，對目標的描述具有互補性，這就是影像點云數(shù)據(jù)。

互聯(lián)網(wǎng)街景地圖及數(shù)字博物館應(yīng)用，需要高分辨率、高質(zhì)量的全景影像作為前端展現(xiàn)，直觀地將場景呈現(xiàn)給用戶；也需要三維激光點云數(shù)據(jù)提供與前端交互的數(shù)據(jù)運算服務(wù)，影像點云在這樣的場景下將發(fā)揮其用武之地。由于激光點云的海量性，以及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要求，通過一定的技術(shù)手段，將三維激光點云數(shù)據(jù)中包含的精確三維坐標信息轉(zhuǎn)換成小數(shù)據(jù)量的形式，同時配合影像數(shù)據(jù)提供的直觀信息，在街景地圖服務(wù)和數(shù)字博物館應(yīng)用場景下，實現(xiàn)基于影像點云的全景量測服務(wù)，是本文下節(jié)重點闡述的內(nèi)容。

三、全景量測

市面上主流的三維激光掃描儀大部分通過內(nèi)置的相機同步獲取影像數(shù)據(jù)，直接提供彩色點云數(shù)據(jù)，但影像的分辨率、對焦和曝光質(zhì)量等并不能滿足行業(yè)應(yīng)用的需要，在實際應(yīng)用中，主要運用外置相機采集高分辨影像數(shù)據(jù)。

三維激光點云和高分辨率全景影像數(shù)據(jù)要形成影像點云，必須解決兩者的配準映射問題:即通過三維激光點云找到對應(yīng)影像像素，進行點云著色；反之以全景影像作為展現(xiàn)載體，通過影像像素坐標找到對應(yīng)的三維激光點云，從而進行地物量測運算。

1.全景影像與激光點云配準方法

1）將球面全景影像看做是單位球體，則配準工作就變成單位球體三維空間與物方點云三維空間的配準。選定3對以上不在同一平面的控制點，計算影像單位球體的光心位置（Xc、Yc、Zc）和姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）。

2）根據(jù)選定的全景影像像素坐標（u，v），計算單位球體球面坐標（x，y，z）。

3）根據(jù)控制點對坐標計算球體全景影像光心位置（Xc，Yc，Zc）和姿態(tài)（φ，ω，κ）。目標點、像點、光心三點共線，可得出共線方程，將共線方程按泰勒級數(shù)展開，轉(zhuǎn)換為線性方程，再用最小二乘迭代方法計算。

此外，如何通過全景影像上任意像素快速獲取點云坐標也是亟待解決的問題。海量的點云數(shù)據(jù)并不適合于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，需要將點云以某種方式存儲，以解決球面全景影像快速測量問題。

2.基于深度圖的全景影像快速量測方法

配準后的球面全景影像將得到光心位置（Xc，Yc，Zc）和姿態(tài)（φ，ω，κ）6 個參數(shù)，以光心位置為原點，搜索一定距離范圍的點云，將搜索到的點生成球面深度圖，以無壓縮的PNG格式存儲。深度圖的球心是全景影像的光心位置，點云到光心位置的距離可以以一定計算模型轉(zhuǎn)換為RGB；反之像素RGB可以轉(zhuǎn)換為點云到光心位置的距離（如圖1所示）。

圖1 點云深度圖生成方法

在球面全景影像上測量時，首先獲取到鼠標位置影像的像素坐標（u，v）和球面角度（θ，φ），根據(jù)全景姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）可以將影像像素坐標轉(zhuǎn)換為深度圖像素坐標（u'，v'），獲取深度圖像像素RGB并轉(zhuǎn)換為距離值d。根據(jù)距離值d和球面角度（θ，φ）即可計算影像像素位置的三維坐標（x，y，z）。

四、實際應(yīng)用

本文采用武漢海達數(shù)云技術(shù)有限公司的iScan移動測量系統(tǒng)，采集杭州理工大學附近的一段街景數(shù)據(jù)。iScan系統(tǒng)將三維激光掃描設(shè)備、衛(wèi)星定位模塊、慣性導航裝置、360°全景相機、總成控制模塊和高性能板卡計算機高度集成，封裝在剛性平臺中，便于安裝到移動載體上。在載體高速移動過程中，能快速獲取高精度定位定姿數(shù)據(jù)、高密度三維點云和高清連續(xù)全景影像數(shù)據(jù)，使用非常簡單，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 點云與全景配準后的影像點云

圖3 利用點云南生成的深度圖

圖4 街景地圖以及全景量測

五、結(jié)束語

可以看出，本文提出的基于影像點云的可量測服務(wù)模式，是以全景影像為前臺表現(xiàn)，以點云為后臺支撐的全新地理空間信息應(yīng)用模式。其優(yōu)勢在于可以將海量的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為深度圖像，大大減少數(shù)據(jù)量，方便在B/S結(jié)構(gòu)的程序中進行快速部署與測量。在街景服務(wù)、數(shù)字城市、數(shù)字博物館中均有著廣泛的應(yīng)用價值。