數字近景攝影測量的二維影像三維建模的關鍵技術應用

張 數，楊德宏

（昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

0 引言

隨著信息化、數字化時代的發展，現在人們越來越意識利用數字化對古代文化遺產進行保護，尤其是對古代文物的保護[1]。如今隨著計算機技術的不斷進步，三維建模軟件的不斷更新，我們可以利用三維建模技術對需要保護的文物進行原始的三維信息采集數字化，可以很好的為文物的后期修善甚至是重新制作出一個與原始文物一樣的模型提供數據，這樣能有效地保護文物盡可能的受到破壞。但是結合古文物本身的特點，它的外形比較復雜、而且為了保護文物一般是不能觸碰的、同時它的造型也是豐富多樣[2]，因此如何在不接觸文物的條件下能更好的對文物提取三維模型進行數字化非常關鍵[3-5]。由于數字近景攝影測量技術具有不接觸物體、獲取數據快、操作簡便、處理速度快捷，精度也完全滿足需求。因此，相對于Autocad，Maya等建模手段來講，該方法在三維重建方面有不可比擬的優勢。本通過結合近景攝影測量專業軟件Photomodeler對文物浮雕的建模來介紹近景攝影測量在古文物三維重建的優勢。

1 研究方法

1.1 數字化影像數據提取及處理技術

文章直接利用CCD（非量數碼測相機）對被測物體進行影像提取，然后利用Photomodeler軟件對相片進行相對定向。具體技術步驟如下圖1所示。

圖1 影像數據處理路線Fig.1 Image data processing route

2 關鍵技術

2.1 相機的選擇與校檢

（1）由于CCD（非量測數碼相機）使用簡便、操作簡單、成本低廉、影像清晰度滿足要求等優點[6]，而且可以在不接觸被測物體的條件下，方便簡潔的獲取被測物體表面的數字化信息，也可以對數字化的對象的數據在更新等功能。因此文章依據文物建模的要求及特點，選擇了單反相機佳能5D Mark 3非量測相機如下圖2。表1相機的部分參數。

圖2 本次實驗使用的數碼相機Fig.2 The digital camera used in this experiment

表1 5D Mark 3單反相機部分參數Tab.1 5D Mark 3 DSLR partial parameters

（2）由于文章使用的是近景攝影測量專業軟件Photomodeler scanner軟件具有數碼相機校檢功能，我們只需要對 Photomodeler scanner軟件自帶的校檢網格（如下圖 3）進行拍照即可，即使相機的鏡頭的主光軸與校檢網格板保持45度角，保持焦距不變，先進行四個正方向拍攝四幅圖，然后讓鏡頭主光軸為軸旋轉90度，在拍攝四幅圖[7]。然后將照片導入到Photomodeler scanner軟件，該軟件就能自動解算出佳能5D Mark 3相機校檢參數（如下圖4、下表2）。相機的檢校目的是恢復每張影像光束的正確形狀，即借助內方位元素恢復攝影中心與像片之間的相對幾何關系，如圖5所示[8]。

3 影像數據的采集方法

近景攝影測量包括正直攝影方式和交向攝影方式兩種[9]。

正直攝影方式就是像片對的像片與主光軸互相平行且與攝影基線垂直，像片要滿足有55%到70%的重疊度。物體表面紋理會導致正直攝影方式生成的圖像產生變形，因而更適用于模擬近景攝影測量和解析近景攝影測量，更多是應用在肉眼立體觀測方面。

交向攝影方式是像片對與主光軸不平行但接近在同一平面且不垂直與攝影基線，像片的重疊度達到100%，交向攝影方式生成的影同樣受物體表面紋理的影響以及像片對的兩像片之間的相對角度的影響而發生形變。當交會角較大時就不再適用于肉眼立體觀測，多用于解析近景攝影測量或數字近景攝影測量。交向攝影方式又稱為多攝站攝影測量，能夠實現對被測物體的的多重覆蓋，有效提高了攝影測量的精度同時保證像片的可靠性。

對于一些建模目標表面為多為曲面的模型來講，由于它們的特征點難以分辨，在拍攝照片時要在曲面模型上用橡皮泥或彩筆等標記出來，以便于尋找每張相片上對應的特征點[10]。

由于文章采用的是photomodeler scanner軟件不需要控制點坐標，我們只需要對物體采集影像數據即可。同時考慮到建模精度的要求，文章采用交向相攝影方式如圖 6所示本次獲取影像數據的方式。

依據被攝物體的大小以及周邊的環境選擇適當的拍攝距離和拍攝方位。依據被測物體的寬度和相機的焦距，按攝影基線為攝距的五分之一至十分之一的原則，確定攝站數、基線長度和照片數。保證影像的清晰度和相鄰影像之間80%以上的重疊度，拍攝被測目標的影像[11-12]。

圖3 Photomodeler scanner軟件校檢網格Fig.3 Photomodeler scanner software checking grid

圖4 將拍攝的檢校板照片導入Photomodelerscanner軟件檢校結果Fig.4 Will shoot the calibration board photos into Photomodelerscanner software calibration results

圖5 恢復的非量測數碼相機拍攝時的位置Fig.5 The position of a restored non measurement digital camera at the time of shooting

表2 佳能5D Mark 3相機的校檢參數Tab.2 The calibration parameters of the Canon 5D Mark 3 camera

圖6 相機攝站示意圖Fig.6 A schematic diagram of a camera station

4 影像數據處理與三維建模

4.1 影像數據處理的基本原理

基于攝影測量的基本原理構建三維模型，其實就是共線條件方程，共線條件方的本質就是來描述攝影中心、像方坐標點、物方坐標點三者滿足共線條件。一般來講，近景攝影測量中的解算方法都是依據共線條件方程來解算的。不管是后方交會還是前方交會都是利用共線條件方程解算。共線條件方程如下：

其中上式（1）中， XS、 YS、 ZS是攝影中心物方空間相應的坐標，X、Y、Z是物方點物方空間相應的坐標， f 、x0、 y0是相機的內方位元素，ai、bi、ci（i=1、2、3）是相片的三個外方位元素構成的九個方向余弦值。x、y是像點的像平面相應的坐標；Δx、 Δy是系統誤差的改正數。

將我們拍攝的照片導入到Photomodeler scanner軟件中，然后利用相機檢校得到的檢校參數和畸變系數對其進行連續相對定向，恢復影像與相機的相對位置關系[13-14]。

具體的操作步驟為：

（1）首先要選定一張相片上的某一個特征點；

（2）然后添加另一張相片上與之相對應的特征點；

（3）利用Photomodeler scanner軟件的快速參考功能將兩個點在空間中約束成為一個點。

（4）重復上述的三個步驟繼續添加多個點。

（5）點擊 Photomodeler scanner軟件的“process”功能，完成兩張相片的定位，確定相機拍攝的位置；

（6）重復上述的五個步驟完成其它相片的定位和確定相機的位置；

（7）當標定完所有的點后，點擊“下一步”按鈕，軟件就會自動校檢那些點的位置有誤，當確定某一點有差且大于規定的一個數量值時，軟件就會告訴我們需要刪除那些點位，然后在進行重新的標定。

當我們完成上述的步驟后，我們就可以在Photomodeler scanner軟件中確定所有拍攝時相機的位置和方向，文章得到的校檢點與相機的空間相對位置如圖7所示。

4.2 基于photomodeler軟件三維建模

4.2.1 獲取建模對象的數據點

當我們確定拍照時相機的位置和方向后，對于每一張相片上的任何一點來說，只有其空間的深度位置是未知的。在photomodeler scanner軟件的點對應模塊中，當在一張相片中標定一個點后，在另一張相片中將會出現一條“深度線”，輔助制作人員確定該點的空間位置[15]。

4.2.2 建立三維模型

經過得到文物的數據點，我們可以通過對數據點進行密集匹配、構造不規則三角網、補洞、平滑處理后便可得到文物浮雕的三維白模如圖8，圖9所示。

4.2.3 紋理映射

利用 photomodeler scanner軟件的自動貼圖功能，從獲取的影像數據中提取建筑物的三維數字模型紋理，進行紋理貼圖，完成三維建模，如圖10所示。

4.2.4 對photomodeler scanner 軟件的總結

近景攝影測量專業軟件 photomodeler scanner具有相機的校檢功能，而且它不需要坐標控制點，只需要對建模物體進行拍照即可，同時它可以自動快速貼圖，賦予三維模型紋理和模型的顯示。但是photomodeler scanner軟件不能對無紋理的物體建模，其通用性方面待進一步研究和提高。

圖7 校檢點與相機的空間相對位置Fig.7 The relative position of the calibration point and the camera

圖8 文物浮雕的點云數據圖Fig.8 Point cloud data map of cultural relic relief

圖9 文物浮雕的三維白模Fig.9 Three dimensional white die of cultural relic relief

圖10 文物浮雕進行紋理恢復后的效果Fig.10 The effect of the restoration of the texture of cultural relics

5 結論

文章利用非量測相機獲取影像數據的方法，采用交向相攝影方式結合近景攝影測量專業軟件photomodeler scanner對文物浮雕的建模方法。與其他建模方法相比該技術建模具有低成本、高效率的優勢，且建模質量高，使用簡單，建模效果較好，能高效快速地實現建模對象的數字化，該建模技術能更好的服務于對古文物的保護。

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