精细纹理目标的三维重建技术研究

 摘　要
精细纹理目标的三维重建是虚拟现实领域的重要研究内容之一。精细纹理目标的三维模型在城市规划、医学、数字娱乐、军事、航天、文物保护、教育和水文地质等领域都有广泛的应用。三维模型的重建包括几何模型重建和纹理重建。随着测量设备精度和效率的不断提高，数据后处理技术的不断成熟，重建的几何模型已经能够满足实用要求。相比于精确几何模型建立的研究，精确的纹理重建则较少被考虑到，而精确的纹理是体现模型视觉真实感的关键因素。
本文在三维几何模型重建完成的基础上，着重研究精确纹理重建问题。精确纹理重建的过程是利用数码相机获得目标的实拍纹理影像对模型进行纹理映射，从而生成真实感的三维模型。本文针对这一过程的关键问题进行研究，提出完整的精确纹理映射方案。本文的研究内容主要包括：
1.序列影像与3D几何模型配准技术。研究了基于摄影测量理论，在少量人工干预下的序列影像与3D几何模型配准技术。
2.单影像与3D几何模型配准技术。研究了具有稳健性的基于径向一致约束的单影像与3D几何模型配准技术。
3.顶点在图像上可见性研究。探索了顶点在图像上可见与否的判断依据和模型顶点相互遮挡问题的解决方案。
4.消除纹理拼接缝和纹理空间不连续性的纹理映射技术。结合纹理映射技术方案，研究了消除纹理拼接缝技术以及纹理空间不连续性问题。
通过精细纹理目标三维重建技术研究，开发了一套完整的纹理映射应用系统，并通过实际项目应用证明该系统的有效性。

关键字：纹理映射；三维重建；配准；纹理融合
目 录
摘　要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 精细纹理目标三维重建关键技术 2
1.2.1 从点云到表面的建模 2
1.2.2 纹理映射 3
1.3 国内外研究现状 3
1.3.1 从点云到表面的建模 3
1.3.2 纹理映射 4
1.4 存在的问题 6
1.5 论文的研究内容 7
1.6 论文的结构安排 7
第二章 序列影像与3D几何模型配准研究 9
2.1 概述 9
2.2 序列影像与3D几何模型配准方案设计 9
2.3光束法摄影机定标 10
2.3.1 光束法定标原理 10
2.3.2 光束法定标实验设计 12
2.3.3 光束法定标精度分析 15
2.4 匹配 17
2.5 定向 20
2.5.1 匹配顺序与模型连接方案设计 20
2.5.2 绝对定向与光束法平差 21
2.6 基于摄影测量的点云空洞修补 22
2.6.1 空洞修补思想 22
2.6.2 空洞修补实验 23
2.7配准实验与精度分析 25
2.7.1 影像与三维激光点云同名点的选取 25
2.7.2 配准精度分析 26
2.7.3 配准效率分析 27
2.8 本章小结 28
第三章 单张影像与3D几何模型配准研究 29
3.1 概述 29
3.2 RAC单像定标原理 31
3.3 基于RAC的单张影像与3D几何模型的配准 35
3.4 单张影像与3D几何模型的配准实验 36
3.4.1 可行性实验设计与分析 36
3.4.2 真实场景实验设计与分析 41
3.5本章小结 42
第四章 纹理映射技术研究 43
4.1 概述 43
4.1.1 简单纹理映射 43
4.1.2 两步法纹理映射 44
4.1.3 环境映射 45
4.1.4 多边形网络参数化 46
4.1.5 透视投影纹理映射 47
4.2 纹理映射存在的问题 48
4.3 顶点在图像上的可见性及遮挡问题研究 49
4.3.1 点与摄影机关系 50
4.3.2 距离图与判断遮挡方法 50
4.4 消除多视点纹理拼接缝 52
4.4.1 多视点纹理拼接缝的产生原因 52
4.4.2 纹理打包 52
4.4.3技术方案 54
4.4.4 拼接区域及拼接线自动寻找 54
4.4.5 多波段融合 55
4.4.6 消除多视点纹理拼接缝实验 56
4.5消除纹理空间不连续性 57
4.5.1技术方案 57
4.5.2实验 58
4.6 本章小结 59
第五章 系统开发与应用验证 61
5.1 系统开发 61
5.2 应用验证 63
第六章 总结与展望 66
6.1总结 66
6.2 进一步工作展望 67
参考文献 68
致谢 72
精细纹理目标三维重建关键技术
精细纹理目标的三维重建是一个复杂的过程，需要依赖硬件设备获取数据和软件对数据后处理。利用硬件设备三维激光扫描仪和摄影机获取空间数据和纹理数据。数据后处理主要是对空间数据和图像数据进行处理，以生成三维模型。随着硬件技术的不断提高，数据获取已经相对成熟。而软件数据后处理却是一个非常困难的问题。由点云和图像生成三维模型的过程概括起来有两个关键技术：(1)从点云到表面的建模；(2)纹理映射。
1.2.1 从点云到表面的建模
从激光扫描仪获得的无组织点云数据到生成能够精确描述物体的三维模型是一个艰巨的任务，原因是无组织点云数据含有噪声，疏密程度不一，还可能存在空洞。表面重建的过程描述如下：给定一组采样点集，假定所有的采样点位于一个表面，利用采样点重构出该表面，近似表示实际物体表面。
从点云到表面的建模大致分为如下步骤：
1.点云数据预处理。此步骤主要是对点云进行滤波，剔除错误的点。对大数据量的点云可以进行简化也是点云数据预处理的任务。
2.确定点之间的邻域拓扑关系。规则化离散点云，建立索引，便于对点云进行后续处理。
3.在一定质量要求下生成表面。
4.表面优化。编辑、优化创建好的表面。
1.2.2 纹理映射
将多视点数字图像映射到几何模型的表面的过程称为纹理映射。相比于精确几何模型建立的研究，真实感的纹理的重建则较少被考虑到，而古迹保护、游戏、电影电视娱乐业等领域恰恰对具有照片级真实感的3D重建技术有强烈需求。精确的纹理映射是体现模型视觉真实感的关键因素。纹理映射的过程一般是：
1.重建2D图像与3D几何模型的映射关系，即将2D图像与3D几何模型精确配准。
2.判断模型顶点在图像上的可见性，以便将图像映射到模型的可见面片上。
3.将纹理映射到几何模型上，并消除纹理拼接缝，使纹理在视觉上能够均匀过渡，尽量接近真实世界中物体。
论文的结构安排
根据论文的研究内容，论文的结构安排如下：
第一章为绪论。主要介绍本文的研究背景、国内外研究现状、目前研究中存在的问题及本文的研究内容和结构安排。
第二章为序列影像与3D几何模型配准研究。包括序列影像与3D几何模型的配准原理，数字摄影测量方法对影像进行处理的关键技术，基于数字摄影测量大面积点云空洞修补算法以及序列影像与3D几何模型配准技术的优势分析，并通过实验验证本文算法的准确性和高效性。
第三章为单张影像与3D几何模型的配准研究。分析了传统单张影像与3D几何模型配准算法存在的问题，提出用Tsai的径向一致约束法进行配准。并通过实验证明了该算法的优势。
第四章为纹理映射技术研究。在回顾已有纹理映射方法的基础上，选择透视投影纹理映射为实拍数码影像的纹理映射方法，设计了纹理映射的技术方案，解决了遮挡问题，成功的消除了纹理拼接缝和纹理空间的不连续性问题。实验结果显示，本文算法行之有效。
第五章为系统开发与应用验证。介绍了基于本文算法开发的纹理映射系统，通过实际项目应用验证系统的有效性。
第六章为总结与展望。对本文所做的工作和取得的成果进行了总结，并指出了研究中存在的问题和进一步的研究方向。