基于AgisoftPhotoscan的圖像三維重建及精度研究

繆 盾,吳 競

(同濟(jì)大學(xué) 浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051)

基于AgisoftPhotoscan的圖像三維重建及精度研究

繆 盾,吳 競

(同濟(jì)大學(xué) 浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051)

通過普通相機(jī)獲取圖像信息，計(jì)算三維空間物體的幾何信息，重建和分析物體的基本原理；了解圖像處理軟件Agisoft Photoscan的工作流程，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；通過未檢校的普通數(shù)碼相機(jī)對某雕塑頭像和亭子進(jìn)行拍攝，使用Agisoft Photoscan軟件對圖像進(jìn)行處理，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行物體三維重建，驗(yàn)證三維重建的有效性；通過提取和實(shí)測預(yù)設(shè)對比點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，求取誤差，驗(yàn)證在百幅以內(nèi)的圖像建模誤差在1 cm以內(nèi)。此方法可應(yīng)用到表面復(fù)雜的異形物體建模中。

三維重建；圖像；三維點(diǎn)云

三維模型承載的信息量遠(yuǎn)比透視成像形成的二維圖像的信息量多，而且三維模型的可視化環(huán)境更加符合人類的思維慣性，因此根據(jù)在不同視點(diǎn)上所獲取的二維影像來重建空間物體的三維模型，成為數(shù)字?jǐn)z影測量和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前比較流行的非接觸式三維重建方式主要有兩種。一種是基于三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維重建，一種是基于數(shù)字圖像進(jìn)行的三維重建。三維激光掃描點(diǎn)云進(jìn)行的三維重建，通過發(fā)射和接收激光束獲取點(diǎn)云三維坐標(biāo)，重建精度高，信息量豐富，但是儀器價(jià)格昂貴，操作專業(yè)，普及率不高。而基于數(shù)字影像的三維重建，通過匹配被測物體不同數(shù)字圖像中的同名點(diǎn)，交匯得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，操作簡單，特別是近些年，隨著數(shù)碼相機(jī)的成像質(zhì)量和分辨率的大幅度提高，以及數(shù)碼相機(jī)的高性價(jià)比，使得基于圖像的三維重建模型有了更廣闊的發(fā)展空間。

1 基于圖像的三維重建原理簡述

通過不同圖像中對應(yīng)像素間的視差，反推出場景中目標(biāo)物體的空間幾何形狀和位置。假設(shè)在兩幅圖像上有一對同名點(diǎn)，位于左片的PL點(diǎn)和位于右片的PR點(diǎn)，則由兩幅圖像的投影中心出發(fā)分別經(jīng)過這一對同名點(diǎn)的兩條直線在空間中交會(huì)于一點(diǎn)P，可以恢復(fù)出真實(shí)場景中物體表面上某一點(diǎn)的三維坐標(biāo)[2-3]，如圖1所示。

圖1 三維重建示意圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)獲取

獲取數(shù)字圖像之前可在被攝區(qū)域設(shè)置測量控制點(diǎn)，以4～5個(gè)為宜，盡量避免沿一直線或一個(gè)很小區(qū)域布設(shè)，布設(shè)控制點(diǎn)的目的是為了將重建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)納入控制點(diǎn)坐標(biāo)系中。如果只需要獨(dú)立模型，不需要與周圍環(huán)境或物體的聯(lián)系，也可不設(shè)置控制點(diǎn)。像片拍攝時(shí)要保持每兩張相鄰像片之間的重復(fù)區(qū)域在50%～60%。不同種類的物體采用不同類型的拍攝方式，主要的拍攝方式有環(huán)視拍攝和多視平行拍攝，拍攝影像的總體原則是圖像清晰[4]。如圖2所示。

圖2 拍攝方式示意圖

2.2 三維重建與數(shù)據(jù)輸出

本文引入Agisoft Photoscan軟件對非量測數(shù)碼相機(jī)獲取的相片進(jìn)行一系列處理，其基本流程如圖3所示。

圖3 三維重建流程

把外業(yè)獲取的60張相片載入軟件中，通過“對齊照片”，將相鄰相片重復(fù)率小于50%的偽片自動(dòng)刪除，此類相片由于缺少同名點(diǎn)參照，無法恢復(fù)出相機(jī)、相片和實(shí)物的相對位置，對齊相片中的同名點(diǎn)以像素形式顯示真實(shí)位置，如圖4所示。

圖4 對齊照片展示

圖5 密集點(diǎn)云模型

此時(shí)獲得了頭像模型的稀疏點(diǎn)云模型，通過內(nèi)插法建立密集點(diǎn)云，選擇最高級別后共生成163萬個(gè)空間像素點(diǎn)，如圖5所示。生成網(wǎng)格并進(jìn)行紋理映射，結(jié)果如圖6所示。

雕塑頭像下巴位置由于缺少從下向上的照片，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀少，形成模型表面的空洞和偏差，可以通過后期增補(bǔ)照片來補(bǔ)充點(diǎn)云密度。理論上，圖像數(shù)量越多，像素越高，重建的效果越好，但是對計(jì)算機(jī)性能的要求也會(huì)提高，耗費(fèi)的時(shí)間也會(huì)增長。建好的模型通過軟件可以導(dǎo)出不同格式的點(diǎn)云文件，如.dwf格式可以導(dǎo)入AutoCAD中，為模型優(yōu)化和分析提供方便。

2.3 精度檢驗(yàn)

理想情況下，三維模型應(yīng)與真實(shí)物體形狀、尺寸等一致，但是在實(shí)際操作中，由于數(shù)據(jù)源、構(gòu)建方法等問題， 不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。為了檢驗(yàn)利用Agisoft Photoscan軟件生成的三維模型的精度，在雕塑頭像上插入5根大頭針，作為精度對比點(diǎn)，建模后導(dǎo)出大頭針針頭所處點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，再通過蘇一光全站儀測量得到大頭針針頭的實(shí)測坐標(biāo)，將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換至同一坐標(biāo)系下,如圖7所示。

圖6 雕塑頭像三維模型展示

提取5個(gè)對比點(diǎn)的兩組三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，求出模型對比點(diǎn)的誤差(以全站儀實(shí)測數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值)其誤差如表1所示。

坐標(biāo)誤差均在7.5 mm以內(nèi)，點(diǎn)位誤差在1 cm以內(nèi)，此實(shí)驗(yàn)建模過程使用了60張照片，如果增加照片數(shù)量，同名點(diǎn)之間的約束變多，點(diǎn)位精度也會(huì)隨之提高。

圖7 比對點(diǎn)位置

表1 對比點(diǎn)三維坐標(biāo)值

2.4 室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建模的可行性和通用性，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境移至室外，選取了某小區(qū)內(nèi)一亭子作為建模對象，獲取80張像片，通過軟件建立了三維模型，如圖8所示。

圖8 室外亭子模型

由于亭子頂部沒有獲取照片，亭子模型頂部出現(xiàn)了比較大的偏差，可以通過后期補(bǔ)獲照片增加像素點(diǎn)云來增強(qiáng)模型準(zhǔn)確度。通過全站儀實(shí)測亭子立柱下方的觀測點(diǎn)，對比點(diǎn)位誤差，如圖9所示。

圖9 點(diǎn)位誤差統(tǒng)計(jì)

點(diǎn)位誤差均在8 mm以內(nèi)。此次實(shí)驗(yàn)中，像片獲取時(shí)間約30 min，建模時(shí)間約為2 h，大大節(jié)約了時(shí)間成本。

3 結(jié)束語

雖然基于圖像的三維重建精度還達(dá)不到很高的水平，但是其便捷的觀測方法，自動(dòng)化的建模過程，大大縮短了測量時(shí)間，且適用于任何復(fù)雜場景，尤其是異形物體的建模和尺寸范圍較大場景的建模，非接觸式觀測也避免了人為干預(yù)的誤差導(dǎo)入，在古文物保護(hù)，高危場景作業(yè)都有很好的應(yīng)用前景。

[1] 鄭順義，王瑞瑞，陳長軍，等.基于立體相機(jī)的三維場景建模[J]. 測繪通報(bào),2008(2):20.

[2] 張楠.基于影像序列重建三維物體的一種方法[D].大連：大連理工大學(xué),2005.

[3] 王宇宙.計(jì)算機(jī)視覺三維重建理論與應(yīng)用[D].西安：西北大學(xué),2004.

[4] 張小宏，趙生良，陳豐田.Agisoft Photoscan在無人機(jī)航空攝影影像數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2013(20):30-31.

[5] HAO Xiangyang,MAYER H.Orientation and auto-calibration of image triplets and sequences[J].ISPRS Archives,2003:123-127.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

Research on 3D image reconstruction and accuracy of based on Agisoft Photoscan

MIAO Dun，WU Jing

(Zhejiang College,Tongji University,Jiaxing 314051,China)

The basic principle of reconstructing and analyzing the objects is studied by acquiring the image tuinformation from the ordinary camera and calculating the geometric information of the three-dimensional objects. This paper introduces a workflow of Agisoft Photoscan, and designs an experiment. The image is processed by Agisoft Photoscan software, and the 3D point cloud data is obtained. The three-dimensional reconstruction of the object is carried out. The validity of the proposed method is verified. The 3D coordinate values of the five contrast points are extracted and measured, and the error of the model is verified to be within 1 cm. The method can be applied to the surface complex modeling of alien objects.

three-dimensional reconstruction; image; 3D point cloud

2017-02-13

浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201636365)

繆 盾(1984-)，女，講師，碩士.

著錄：繆盾,吳競.基于AgisoftPhotoscan的圖像三維重建及精度研究[J].測繪工程，2017，26(8)：41-44.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.08.009

TU198+.3

A

1006-7949(2017)08-0041-04