面向三維建模的車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉全海，王重天

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003；3.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

面向三維建模的車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉全海1，2，3，王重天2，3

(1.武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003；3.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

由于城市道路及景觀三維建模的紋理獲取工作面廣量大且具有一定危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的車載移動(dòng)街景影像采集系統(tǒng)，在加快道路及兩側(cè)建筑特等景觀的高質(zhì)量紋理獲取的同時(shí)，可以獲取影像的空間位置；而高精度的地面高程可用于修正三維地形起伏，對(duì)快速、精細(xì)的城市三維建模有著重要的推動(dòng)作用。試驗(yàn)證明，按照本文方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的街景影像采集系統(tǒng)投入少、效果好，推廣實(shí)效性強(qiáng)。

三維建模；街景影像；移動(dòng)采集；同步

一、引 言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維數(shù)字城市已經(jīng)開展大規(guī)模建設(shè)和應(yīng)用。建模層次、模型標(biāo)準(zhǔn)、幾何及紋理等方面已有大量的研究[1-3]，武漢、重慶、常州等城市為代表的城市級(jí)三維模型制作和應(yīng)用探索，也推動(dòng)著三維城市向深層次發(fā)展。隨著三維數(shù)字城市的深入，城市規(guī)劃、建設(shè)和管理行業(yè)對(duì)三維城市提出了新的更高的要求。在城市規(guī)劃、公安、城管等領(lǐng)域要求三維場(chǎng)景達(dá)到真實(shí)、優(yōu)美和動(dòng)感的效果，能給用戶帶來強(qiáng)烈的、逼真的視覺沖擊，甚至于要求逐步達(dá)到一些游戲軟件中的動(dòng)畫特效，過去體塊式框架模型(LOD1)、帶有紋理的標(biāo)準(zhǔn)三維模型(LOD2)已不能滿足要求，三維模型必須達(dá)到LOD3、LOD4級(jí)，使得三維制作時(shí)模型更加精細(xì)、建筑紋理更加真實(shí)逼真、道路場(chǎng)景更加準(zhǔn)確全面。如何快速實(shí)現(xiàn)優(yōu)美、精細(xì)的城市三維建模，已經(jīng)成為三維制作者思考和必須解決的重要課題。

三維城市審批模型建設(shè)是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，其耗費(fèi)大、耗時(shí)長(zhǎng)[3]，需要對(duì)城市街區(qū)包含的大量建筑、道路及城市景觀、城市部件進(jìn)行三維全面建模，同時(shí)建立多分辨率紋理表達(dá)的細(xì)節(jié)層次模型[4]。三維建模紋理采集主要有實(shí)地?cái)z影、航空航天遙感、激光掃描、航空傾斜攝影及移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[5-7]等方法。以可量測(cè)的實(shí)景影像表達(dá)三維街景的移動(dòng)道路測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)字城市建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用，但它不能在三維實(shí)景影像中插入、編輯和全方位瀏覽規(guī)劃三維方案模型，難以建立滿足城市規(guī)劃需要的三維城市模型。

目前主流的精細(xì)建模主流方式[2]是以CAD的矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用3ds Max、Multigen Creator等建模工具，人工構(gòu)建建筑物的幾何模型，通過航測(cè)獲取頂面紋理，通過地面拍攝側(cè)面影像，利用Photoshop等圖像處理工具對(duì)采集得到的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理，得到合適的紋理并進(jìn)行貼圖。在實(shí)際作業(yè)中，外業(yè)照攝時(shí)受車輛、樹木等遮擋，難以達(dá)到理想的拍攝位置和高度，導(dǎo)致紋理貼圖融合處理的工作量增大，且精細(xì)的道路地形起伏也要求高精度的路面高程信息。因此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套能兼顧拍攝速度及圖像，同時(shí)能獲取高程的車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)顯得尤其必要。

二、系統(tǒng)構(gòu)成與原理

1.系統(tǒng)整體架構(gòu)

面向三維建模的車載移動(dòng)高質(zhì)量影像采集系統(tǒng)主要考慮以下方面：一是精確獲取包括地面高程在內(nèi)的移動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡，以此為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)地面三維建模的地形起伏變化，滿足地下管線三維可視化及三維數(shù)字城管部件對(duì)地形真實(shí)性表達(dá)的要求；二是在理想的位置獲取高質(zhì)量的街景紋理，滿足城市道路及景觀三維建模時(shí)對(duì)高質(zhì)量紋理的需要；三是獲取的紋理與空間相關(guān)聯(lián)，便于圖片的搜索、集成和發(fā)布應(yīng)用；四是成本因素，滿足需求的同時(shí)盡可能降低投入。基于此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種輕量級(jí)的車載移動(dòng)高質(zhì)量影像采集系統(tǒng)，滿足了三維建模對(duì)紋理分辨率及精確的地面高程雙重需要，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.基本原理

整個(gè)系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊組成：一是車載移動(dòng)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，由一臺(tái)基于北斗增強(qiáng)的三星CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK移動(dòng)終端組成。采用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)獲取差分RTK改正信息，并實(shí)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)定位信息。二是采用高質(zhì)量街景及全景影像采集單元，主要由4臺(tái)單反相機(jī)和1臺(tái)全景相機(jī)組成。通過4臺(tái)單反相機(jī)獲取前、后、左、右4個(gè)不同方向的影像紋理，提高影像的獲取效率，對(duì)判讀城市道路景觀及紋理獲取非常有幫助。1臺(tái)全景相機(jī)獲取移動(dòng)位置的全景影像。系統(tǒng)采用的全景相機(jī)LadyBug5圖像分辨率3000萬像素以上，其主要參數(shù)見表1。三是同步控制器單元，通過內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種方式對(duì)GPS RTK、單反相機(jī)和全景相機(jī)進(jìn)行同步[8]。四是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，對(duì)采集的RTK和影像、全景數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)傳輸、存儲(chǔ)。五是數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分辨率影像空間位置匹配、處理、集成和建庫(kù)。通過對(duì)系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確測(cè)定，并通過相對(duì)坐標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)方位計(jì)算，對(duì)每臺(tái)相機(jī)在拍攝時(shí)的空間位置和方位進(jìn)行空間匹配，在此基礎(chǔ)上建立街景影像庫(kù)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)圖及利用。

表1 LadyBug5主要參數(shù)

三、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

1.基于北斗增強(qiáng)的三星CORS的移動(dòng)定位

車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)可以在移動(dòng)狀態(tài)下獲取目標(biāo)的精確空間位置。在城市密集區(qū)，建筑物及樹木的遮擋對(duì)GPS信號(hào)產(chǎn)生干擾，一般通過GPS結(jié)合INS慣性定位定姿，但I(xiàn)NS設(shè)備較昂貴，實(shí)用性不強(qiáng)。

我國(guó)自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并兼具短報(bào)文通信能力，且北斗星座的分布在中國(guó)區(qū)域更加合理，可視衛(wèi)星多，衛(wèi)星高度角大。基于北斗增強(qiáng)的三星CORS系統(tǒng)由于可觀測(cè)衛(wèi)星的增多，在初始化時(shí)間、解算時(shí)間方面顯著增強(qiáng)，其聯(lián)合定位精度和穩(wěn)定性要比單一系統(tǒng)優(yōu)越[9]；經(jīng)測(cè)試，在城市建筑密集區(qū)，以及綠化茂盛的道路上其空間可用性有30%的提高。精細(xì)區(qū)域似大地水準(zhǔn)面與GPS的有效結(jié)合，進(jìn)一步提高了移動(dòng)對(duì)象的高程精度。

移動(dòng)車輛的地面軌跡高程為

式中，HGPS為實(shí)時(shí)的GPS天線相位中心的大地高；Ha為天線相位中心與地面的距離(含天線高及車輛高度，可精確測(cè)定)；ξ為高程異常值，可從似大地水準(zhǔn)面精化成果中獲得；Δi為車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)避震及輪胎變形值。

輪胎變形與胎壓、車速、載重相關(guān)，根據(jù)測(cè)試，其值根據(jù)車速發(fā)生變化，一般在1～3 cm之內(nèi)。

2.GPS、單反相機(jī)和全景相機(jī)的同步控制

本文采用以單片機(jī)為核心控制多臺(tái)相機(jī)同步曝光的觸發(fā)方式，如圖2所示。通過安裝在車輪上的霍爾傳感器感知車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾器件便檢測(cè)到一次磁信號(hào)，通過脈沖產(chǎn)生電路發(fā)出中斷脈沖，單片機(jī)響應(yīng)此信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，通過相應(yīng)換算，得到行駛的里程、車速等信息，來觸發(fā)單反相機(jī)和360°全景相機(jī)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)裝置如圖3所示。

圖2 同步控制器

同步控制器包括內(nèi)、外兩種觸發(fā)方式。內(nèi)觸發(fā)方式是通過控制器在內(nèi)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)，按設(shè)定的周期和脈沖寬度產(chǎn)生連續(xù)脈沖，放大后作為觸發(fā)信號(hào)控制4臺(tái)單反相機(jī)和1臺(tái)全景相機(jī)進(jìn)行同步拍攝，實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制；外觸發(fā)方式是使用車輛的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置獲得的脈沖信號(hào)作為外部激勵(lì)脈沖，通過編程來控制距離，并在外部激勵(lì)脈沖的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)同步控制，實(shí)現(xiàn)距離控制。

圖3 車輪轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)裝置

為了便于統(tǒng)一調(diào)用和位置一致，單反相機(jī)和全景相機(jī)的曝光時(shí)間須同步。由于高像素、大內(nèi)存的單反相機(jī)(如Canan，Nikon)只能進(jìn)行單臺(tái)控制拍攝，4臺(tái)相機(jī)的同步控制需要設(shè)計(jì)同步控制器來協(xié)同相機(jī)的同步攝影及實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)使用單片機(jī)對(duì)連接至同一系統(tǒng)控制器上的單反相機(jī)進(jìn)行快門同步。影像數(shù)據(jù)通過USB接口數(shù)據(jù)線實(shí)時(shí)下載至計(jì)算機(jī)中。

3.高分辨率的街景和全景影像的空間位置匹配

時(shí)間匹配是車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)的重要方面。通過GPS時(shí)鐘和相機(jī)等傳感器的數(shù)據(jù)在起始時(shí)的時(shí)間保持一致，或獲取GPS時(shí)鐘與傳感器的時(shí)間差，以便通過時(shí)間關(guān)聯(lián)來進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的定位。

通過時(shí)間匹配可以將由GPS和單反相機(jī)獲取的時(shí)間和空間進(jìn)行進(jìn)行聯(lián)合處理。由同步控制器控制的單反相機(jī)的同步的采集時(shí)間，通過時(shí)間內(nèi)插或外推的方式確定每一張街景影像在絕對(duì)空間坐標(biāo)系中的位置信息。算法基本步驟如下：

1)設(shè)獲取圖像Mi的采集時(shí)間戳，該圖像采集時(shí)刻前最后一個(gè)GPS位置數(shù)據(jù)信息為P1(x，y，z)，采集時(shí)刻后第一個(gè)GPS位置數(shù)據(jù)信息為P2(x，y，z)，如P1對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，P2對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，則圖像Mi的采集時(shí)刻的GPS位置計(jì)算如下

同理，設(shè)獲取這張圖像Mi的采集時(shí)刻的前進(jìn)方向，公式如下

2)在獲取Mi的采集時(shí)刻的空間位置Pli和前進(jìn)方向后，根據(jù)精確測(cè)定的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如每臺(tái)相機(jī) C1、C2、C3、C4相對(duì)于 Mi的位移 ΔP (Δx，Δy，Δz)，以及相機(jī)鏡頭與移動(dòng)車輛前進(jìn)方向的夾角Δc，根據(jù)大地坐標(biāo)系統(tǒng)與測(cè)量坐標(biāo)系之間的換算公式，有

集成高清晰度的單反相機(jī)和全影像機(jī)即能構(gòu)建基于三星的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市道路的移動(dòng)路線的精確高程獲取，以及高分辨率的城市街景紋理獲取。

4.后處理軟件

后處理軟件主要實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)下載、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、空間位置匹配及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)等功能，如圖4所示。利用GPS RTK坐標(biāo)處理軟件提供RTK數(shù)據(jù)的下載、WGS-84坐標(biāo)與地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化等功能。街景影像GPS數(shù)據(jù)與照片處理軟件實(shí)現(xiàn)照片拍攝的時(shí)間信息處理，根據(jù)照片拍攝的時(shí)間與GPS RTK坐標(biāo)采集的時(shí)間進(jìn)行RTK實(shí)測(cè)坐標(biāo)與照片相位中心的位置坐標(biāo)內(nèi)插匹配、街景影像數(shù)據(jù)的建庫(kù)，以及數(shù)據(jù)庫(kù)的管理等功能，如圖5所示。街景影像數(shù)據(jù)庫(kù)包街景前視照片表、街景側(cè)視照片表及街景照片的相位中坐標(biāo)表，存儲(chǔ)了照片的時(shí)間信息與相位中心的坐標(biāo)信息。

圖4 導(dǎo)入界面

圖5 坐標(biāo)內(nèi)插匹配計(jì)算

5.街景影像的數(shù)據(jù)組織和應(yīng)用管理

由于各分辨率的街景影像數(shù)據(jù)量大，對(duì)影像數(shù)據(jù)按道路、時(shí)間或空間位置進(jìn)行管理時(shí)，系統(tǒng)采用了SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，采用 VB.NET語言，在 Auto-CAD2004環(huán)境下開發(fā)了街景影像應(yīng)用工具條(如圖6所示)，實(shí)現(xiàn)AutoCAD環(huán)境下影像數(shù)據(jù)快速調(diào)用(如圖7所示)，并在三維數(shù)字城管系統(tǒng)中集成應(yīng)用(如圖8所示)。

圖6 CAD下開發(fā)的專用工具條

圖7 AutoCAD街景影像調(diào)用

圖8 三維數(shù)字城管系統(tǒng)中的集成

四、試驗(yàn)與分析

按照上述方法，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向三維建模的車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的精度和可靠性，本文選取了5個(gè)典型的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行精度及可靠性檢驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)1為建城密集區(qū)的平面道路；試驗(yàn)區(qū)2為一般建城區(qū)的平面道路；試驗(yàn)區(qū)3為常州市高架路南環(huán)線，高架路上基本無遮擋，橋面高于地面約15 m；試驗(yàn)區(qū)4為常州市高架路上復(fù)雜立交線，形式復(fù)雜；試驗(yàn)區(qū)5為城市立交地道處。

1.精度測(cè)試

精度測(cè)試結(jié)果見表2，可以看出，采用本文方法的高程精度達(dá)到甚至超過LOD4細(xì)節(jié)層次模型高程精度(≥0.2 m)的要求。

表2 試驗(yàn)區(qū)高程精度測(cè)試

2.采集效率對(duì)比

目前，每個(gè)學(xué)校的每個(gè)學(xué)科都在培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性化，其中也包含體育課程。在以往的傳統(tǒng)教學(xué)中，老師只是一味地讓學(xué)生們跟著教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而且過分強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，學(xué)生在體育課不能進(jìn)行感興趣的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)代教學(xué)論視角下體育教育信息有利于培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)性化。每個(gè)學(xué)生個(gè)體存在差異性，個(gè)人的體能是不一樣的。對(duì)于體弱的學(xué)生不能進(jìn)行強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)，對(duì)于身體素質(zhì)較好的學(xué)生過于輕松地訓(xùn)練不利于身體強(qiáng)健。學(xué)生在體育教育的發(fā)展中要形成不同的愛好和興趣，找到能體現(xiàn)自我的運(yùn)動(dòng)。

本文方法采取移動(dòng)測(cè)量車按兩相機(jī)同步拍攝，可達(dá)6000張/h(拍攝頻率5 m/張，車速30 km/h)，一般拍攝時(shí)間為3～4 h每天，也可飽和拍攝5～6 h每天。由表3可以看出，本文方法是傳統(tǒng)方式的效率的30倍。

表3 采集效率統(tǒng)計(jì)對(duì)比

本文采用的單反相機(jī)分辨率≥1800萬，采用的Ldaybug5的圖像分辨率≥3000萬像素，比Ladybug3提高60%以上，為建立精細(xì)城市三維提供了高質(zhì)量的紋理數(shù)據(jù)。同時(shí)街景影像與GPS位置信息的匹配和關(guān)聯(lián)便于街景影像調(diào)用、圖片方位判別，極大地方便了三維建模。

五、結(jié)束語

根據(jù)本文方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)投資少、便于維護(hù)，采集的街景影像分辨率高，可同步獲取行車路線的精確高程，為三維建模時(shí)的地形起伏匹配與改正提供了準(zhǔn)確的地形高程。后處理軟件不僅方便三維建模工作者快速調(diào)用，而且可在三維城管系統(tǒng)及城市應(yīng)急信息系統(tǒng)適中集成應(yīng)用，并可以在城市街景地圖系統(tǒng)中發(fā)布應(yīng)用。不足之處在于尚未考慮街景影像的三維像對(duì)，缺乏車載LiDAR的集成，將在后續(xù)高質(zhì)量影像采集系統(tǒng)中作進(jìn)一步研究。

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The Design and Implementation of the 3D-modeling-oriented Vehicle-mounted Mobile Image Acquisition System

LIU Quanhai，WANG Chongtian

P237

B

0494-0911(2014)12-0012-04

劉全海，王重天.面向三維建模的車載移動(dòng)影像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：12-15.

10.13474/j.cnki.11-2246. 2014.0386

2014-06-30

住建部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目計(jì)劃(2013-S5-4)

劉全海(1972—)，男，甘肅舟曲人，博士生，主要研究方向?yàn)槿S數(shù)字城市建設(shè)理論。