基于地基投影的建筑場(chǎng)景立面建模

任新宇，范 勇，李郁峰，段晶晶，劉 旭

(西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010)

1 概述

多視圖建筑場(chǎng)景建模作為基于圖像的三維建模研究熱點(diǎn)之一，僅依靠相機(jī)從多個(gè)視點(diǎn)拍攝室外建筑場(chǎng)景的多幅圖像，即可恢復(fù)該場(chǎng)景建筑逼真的三維模型。該方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作，其重建結(jié)果被廣泛應(yīng)用于數(shù)字化城市規(guī)劃、智能場(chǎng)景監(jiān)控、機(jī)器人導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，特別是對(duì)街道等場(chǎng)景建筑體的垂立外側(cè)面(立面)的建模[1-2]。

多視圖建筑場(chǎng)景建模的一般方法是，通過特征檢測(cè)搜索稀疏的圖像特征點(diǎn)，再由視圖序列的特征點(diǎn)匹配完成攝像機(jī)標(biāo)定，最終恢復(fù)這些稀疏點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)[3]。目前，該方法應(yīng)用于立面建模時(shí)，以分割后的立面為重建目標(biāo)構(gòu)建模型，但均限于特征點(diǎn)的有效覆蓋規(guī)模，所恢復(fù)的三維點(diǎn)云并不能大面積地表示視圖立面，即只完成圖像的稀疏重建。有的通過三角面片來填補(bǔ)特征點(diǎn)間沒有重建的可見點(diǎn)，但插值誤差較大，填補(bǔ)點(diǎn)在透視層次上的遠(yuǎn)近深度正確率低[4]；有的通過人工規(guī)定特殊點(diǎn)計(jì)算矯正立面，不僅特殊點(diǎn)選擇苛刻，而且構(gòu)建立面局限于單方向立面的紋理形狀矯正，如僅恢復(fù)沿街方向的建筑立面等[5-6]；有的在一般方法上引入面掃描來增加稠密點(diǎn)，但掃描方向計(jì)算困難，需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)等輔助設(shè)備，稠密點(diǎn)重建精度不高[7]。這些立面建模的方法未能充分利用三維稀疏點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)信息，且對(duì)多方向紋理立面的重建誤差較大，設(shè)備成本高、要求嚴(yán)格，系統(tǒng)龐大。

針對(duì)此問題，本文提出一種利用地基投影法進(jìn)行建筑場(chǎng)景立面建模的新方法。該方法計(jì)算稀疏點(diǎn)并以此同時(shí)完成地基線計(jì)算和立面矯正，充分利用地基線方位信息完成立面生長(zhǎng)與模型融合。

2 地基投影法

地基線在建筑學(xué)中被用于表示建筑體的俯視輪廓和外墻體方位。本文將其引入視覺重建，主要用以計(jì)算建筑立面的地理布局，同時(shí)提供場(chǎng)景空間擴(kuò)展的方位延伸關(guān)系。計(jì)算出場(chǎng)景地基線與矯正立面后，為矯正立面賦予其所在地基線的方位信息，可快速、高效地建立場(chǎng)景建筑的立面模型。以普通數(shù)碼相機(jī)圍繞建筑場(chǎng)景拍攝的圖像序列為輸入數(shù)據(jù)，要求拍攝目標(biāo)清晰可見。利用地基投影法的建模算法流程如圖1 所示。

圖1 利用地基投影法的建模算法流程

2.1 場(chǎng)景預(yù)處理

原始圖像序列存在不利于特征識(shí)別的噪聲，需首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，以獲得幾何、紋理特征清晰的圖像。本文采用平滑濾波與輪廓增強(qiáng)[8]的預(yù)處理方法，圖2 為原圖添加5%高斯噪聲后的建筑場(chǎng)景圖像及其預(yù)處理結(jié)果。

圖2 圖像預(yù)處理

然后結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分水嶺算法對(duì)圖像進(jìn)行場(chǎng)景分割[9-10]，分割出建筑主體目標(biāo)的像素區(qū)域，使研究區(qū)域縮小到分割結(jié)果圖像，提高目標(biāo)立面拾取速度與精度；最后對(duì)建筑區(qū)域檢測(cè)水平線，根據(jù)其消失點(diǎn)分類將建筑再分割成若干有序立面。預(yù)處理后的立面如圖3 所示。

圖3 對(duì)圖2(b)的立面分割處理

2.2 稀疏特征點(diǎn)重建

預(yù)處理后的圖像序列，用尺度不變特征轉(zhuǎn)換(Scale Invariant Feature Transform,SIFT)方法[11]檢測(cè)出稀疏的2D特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)落在顏色或輪廓變化劇烈的位置，如棱線、拐角等處。通過以下步驟恢復(fù)2D 特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)，即3D 稀疏點(diǎn)：

Step1將序列I分成若干組連續(xù)視圖，保證每組第一幅和最后一幅視圖有一半以上的重疊場(chǎng)景，并對(duì)每組內(nèi)的視圖兩兩匹配2D 特征點(diǎn)，得到表征同一空間點(diǎn)的匹配點(diǎn)對(duì)。

Step2對(duì)組內(nèi)每3 幅相鄰圖像Ii,Ii+1,Ii+2的匹配點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)，計(jì)算出這3 幅視圖間表征同一空間點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)。

Step3由基于絕對(duì)二次曲面的自標(biāo)定位算法[12]，利用對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，計(jì)算出Ii,Ii+1,Ii+2的攝像機(jī)參數(shù)Pi,Pi+1,Pi+2，及對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)所表征的3D 稀疏點(diǎn)S(Ii,Ii+1,Ii+2)。

Step4添加視圖Ii+3,Ii+4，對(duì)Ii+2,Ii+3,Ii+4重復(fù)Step2、Step3，計(jì)算3D 稀疏點(diǎn)S(Ii+2,Ii+3,Ii+4)。

Step5重復(fù)Step4，直到序列結(jié)束，得到輸入序列的初始3D 稀疏點(diǎn)集S(I)。

為提高精度，本文使用隨機(jī)抽樣一致(Random Sample Consensus,RANSAC)方法對(duì)S(I)進(jìn)行坐標(biāo)預(yù)處理，去除S(I)中偏差較大的異常點(diǎn)和偏遠(yuǎn)點(diǎn)，使坐標(biāo)更多地集中在建筑立面區(qū)域上。此時(shí)，得到的3D 稀疏點(diǎn)只能表示圖像極少數(shù)像素點(diǎn)的空間位置，并不能覆蓋全部場(chǎng)景。利用這些僅有的3D 稀疏點(diǎn)，分別計(jì)算場(chǎng)景地基線與矯正立面，從而恢復(fù)稠密點(diǎn)構(gòu)成的3D 面結(jié)構(gòu)。

2.3 地基線計(jì)算

得到稀疏點(diǎn)后，由以下步驟計(jì)算每幅視圖場(chǎng)景地基線：

Step1計(jì)算每幅視圖的一個(gè)垂下特征向量，即一個(gè)與地面垂直且指向下的三維方向向量。首先通過Hough 直線檢測(cè)計(jì)算出立面上一條豎直方向的特征線，如建筑體的側(cè)棱；然后搜索到若干位于或緊鄰該特征線的3D 稀疏點(diǎn)(本文緊鄰范圍閾值為5 像素)；再由這些點(diǎn)擬合空間直線并計(jì)算其單位方向d；對(duì)若干特征線同理操作后，按式(1)計(jì)算該視圖最終的垂下特征向量n：

其中，M為特征線總數(shù)；

Step2將3D 稀疏點(diǎn)S={(xi,yi,zi)|i=1,2,…,N}沿垂下特征向量n=(a,b,c)向地平面做二維投影累計(jì)，N為稀疏點(diǎn)數(shù)。設(shè)S坐標(biāo)系為O-XYZ，Z=(0,0,1)。構(gòu)造式(2)旋轉(zhuǎn)矩陣R：

由式(3)求S投影累計(jì)：

Step3對(duì)圖I上由2.1 節(jié)分割的每個(gè)立面Fi，分別計(jì)算其所含3D 稀疏點(diǎn)得到的投影累計(jì)Si’后，由最小二乘法將Si’分段擬合為線段Bi，并順序拼接所有的擬合線段，形成圖I連續(xù)唯一的場(chǎng)景地基線B，B可直觀地表示場(chǎng)景建筑外立面位置與地面布局。圖4 為對(duì)圖2 擬合的場(chǎng)景地基線B={B1,B2}。

圖4 圖2(b)的場(chǎng)景地基線

2.4 立面重建

僅用3D 稀疏點(diǎn)的度量信息，可快速矯正視圖上投影失真的立面區(qū)域，得到具有真實(shí)紋理結(jié)構(gòu)的矯正立面；然后，根據(jù)地基線的方位參數(shù)快速完成3D 模型的立面生長(zhǎng)，即賦予矯正立面所有像點(diǎn)準(zhǔn)確的空間3D 坐標(biāo)，從而恢復(fù)該視圖的建筑場(chǎng)景三維結(jié)構(gòu)。

Step1設(shè)立面Fi上2D 特征點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)3D 稀疏點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)共N對(duì)(N≥4)，F(xiàn)i的法向向量為Pn,Pn⊥bi,bi是Fi的地基線方向。令φ=arccos(Pn·(0,0,1)),(a,b,c)=Pn×(0,0,1)，同式(2)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R后，由式(3)得到矯正2D 特征點(diǎn)S2D’。

Step2記之間的點(diǎn)變換為M=(m1,m2,m3,m4,m5,m6,m7,m8)T，將點(diǎn)對(duì)<(x,y),(x’,y’)>∈的矯正過程寫為：

當(dāng)N取4 時(shí)，記式(4)為：

即有：

對(duì)全體點(diǎn)對(duì)根據(jù)式(6)，可求得RANSAC 條件下最佳的點(diǎn)變換M。

Step3由式(7)將點(diǎn)變換M作用于Fi圖像區(qū)域的所有像素點(diǎn)(xi,yi)(i=1,2,…,T；T為點(diǎn)總數(shù))，得到該立面的矯正點(diǎn)集Srected={(xi’,yi’)}。

對(duì)Srected進(jìn)行分段3 次Hermite 插值填充空隙，得到Fi更完整的矯正立面Fi’，如圖5 所示。

圖5 對(duì)圖3(b)的矯正

Step4在Fi’上搜索垂下特征向量n所對(duì)應(yīng)的2D 特征方向n’，并確定一個(gè)垂直于n’的掃描方向nscan；沿n’按nscan掃面Fi’的點(diǎn)，在Fi’的地基線上逐行建立該立面的3D 坐標(biāo)(設(shè)坐標(biāo)系為O-XYZ，則以地基線平面建立X、Y坐標(biāo)，以順序掃描的行值建立Z坐標(biāo))，及映射像素點(diǎn)的紋理色；依次掃描該視圖上所有立面，即能在同一地基線平面上建立該視圖場(chǎng)景建筑的3D 模型。

在立面生長(zhǎng)時(shí)，為保證相鄰立面的準(zhǔn)確對(duì)接，本文通過稀疏點(diǎn)校驗(yàn)，以稀疏點(diǎn)與地基線上其所對(duì)應(yīng)的投影點(diǎn)為位置約束，剔除鄰接立面的重復(fù)點(diǎn)。

2.5 場(chǎng)景模型融合

視圖序列得到的若干立面模型，需要進(jìn)行尺度調(diào)整和模型融合。由于稀疏點(diǎn)重建中每組連續(xù)視圖得到的立面模型尺度相同，因此可先合并出每組視圖對(duì)應(yīng)的局部模型，再將局部模型融合成全部視圖序列的一個(gè)建筑場(chǎng)景整體模型。該層次融合過程如圖6 所示。

圖6 場(chǎng)景模型層次融合

在每組連續(xù)視圖中，選取位置居中的視圖為基準(zhǔn)圖，根據(jù)其他鄰接視圖地基線與基準(zhǔn)圖地基線的二維拼接，依次將其他視圖的模型歸納到基準(zhǔn)圖的場(chǎng)景模型之中，得到該組視圖的一個(gè)局部模型；然后，以包含視圖最多的局部模型為基準(zhǔn)模型，歸一化其他局部模型的尺度與基準(zhǔn)模型一致；再根據(jù)局部模型間存在匹配對(duì)應(yīng)的3D 點(diǎn)，檢測(cè)各自地基線上的匹配對(duì)應(yīng)部分，調(diào)整各局部模型的坐標(biāo)系使其地基線拼合成唯一的場(chǎng)景地基線，據(jù)此完成局部模型合攏；最后，按式(8)對(duì)合攏模型上的重復(fù)點(diǎn)完成場(chǎng)景模型的融合：

其中，pi是N個(gè)局部模型中需要融合成唯一點(diǎn)p的點(diǎn)；disi是地基線平面上pi的投影點(diǎn)到基準(zhǔn)模型地基線的距離。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文在VS2010 下使用VC++、OpenCV 與GSL 科學(xué)計(jì)算庫(kù)實(shí)現(xiàn)算法，為檢驗(yàn)算法有效性與準(zhǔn)確性，分別采用Merton College 的2 組室外建筑場(chǎng)景圖像序列，應(yīng)用本文算法進(jìn)行三維立面重建。測(cè)量模型結(jié)果的立面角度和線比例，以定量評(píng)價(jià)建模精度。立面模型如圖7、圖8 所示，其圖像尺寸分別為1 024×768 像素、900×768 像素，立面左起有序編號(hào)。

圖7 Merton CollegeⅡ圖像序列的立面模型

圖8 Merton CollegeⅢ圖像序列的立面模型

表1 所示模型中的立面夾角誤差通過立面對(duì)應(yīng)地基線(圖4、圖8(b))的夾角來測(cè)量，立面1、立面2、立面3 分別對(duì)應(yīng)地基線段B1、B2、B3。圖8 模型的平均角度誤差比圖7 模型大，主要由于圖8 每個(gè)立面的像素點(diǎn)和稀疏點(diǎn)均較少，導(dǎo)致度量信息較少，地基線方位擬合精度較圖7 低。

表1 模型立面的角度重建誤差 (o)

圖9 測(cè)量了圖7 模型中分別包含203 269 個(gè)和124 528 個(gè)成像點(diǎn)的左、右2 個(gè)立面的夾角誤差。橫坐標(biāo)表示使用數(shù)量/基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)所占的比例。左、右立面的稀疏點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)分別取149 個(gè)和64 個(gè)，記錄5 次實(shí)驗(yàn)的誤差，每次實(shí)驗(yàn)將使用的稀疏點(diǎn)減少20%，其中使用比例為100%時(shí)的誤差等于表1實(shí)驗(yàn)的0.3。

圖9 圖7 稀疏點(diǎn)使用比例與立面角度重建誤差的關(guān)系

圖9 表明，稀疏點(diǎn)的使用比例在20%(即左右立面各使用30 個(gè)和13 個(gè)稀疏點(diǎn)，占總成像點(diǎn)的0.13%)以上時(shí)，立面角度的重建誤差在5°以內(nèi)。立面夾角的誤差隨稀疏點(diǎn)使用比例增大而減少，且比例接近0 時(shí)趨近無窮大，這主要是由于立面方位信息建立在地基線上，3D 稀疏點(diǎn)數(shù)量越多，估算垂下特征向量越準(zhǔn)確，計(jì)算擬合地基線的方位也越精確。

表2 測(cè)量了圖8(c)模型立面上4 條線段的長(zhǎng)度比例，取多次測(cè)量均值，其中，L1和L2、L3和L4分別位于同型的窗戶。測(cè)量結(jié)果表明，本文算法對(duì)立面上線段長(zhǎng)度比例的恢復(fù)誤差在1%以內(nèi)，該誤差主要源自受成像尺寸影響的線段端點(diǎn)選擇不準(zhǔn)確，以及垂下特征向量擬合誤差導(dǎo)致生長(zhǎng)立面的掃面方向不嚴(yán)格平行于地基線。

表2 圖8(c)模型的線段長(zhǎng)度比例重建誤差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地基投影算法能快速、高效地重建有正確角度、線比例結(jié)構(gòu)的大尺度場(chǎng)景建筑立面模型，稀疏點(diǎn)占立面總像點(diǎn)0.13%以上時(shí)，地基投影法的立面角度重建誤差小于5°，線比例誤差在1%以內(nèi)。在室外大場(chǎng)景建模工程的應(yīng)用中，算法結(jié)果不僅能滿足以規(guī)整立面為重建目標(biāo)、對(duì)窗臺(tái)等細(xì)部結(jié)構(gòu)精度無嚴(yán)苛要求的實(shí)際需要，而且以該算法所得結(jié)果為基礎(chǔ)模型，針對(duì)缺失結(jié)構(gòu)擴(kuò)展更加完整、精細(xì)的系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將場(chǎng)景地基線引入建筑場(chǎng)景的多視圖立面建模，提出了地基投影算法，同時(shí)計(jì)算地基線與矯正立面，并利用地基線提供的立面空間方位信息，完成立面的三維生長(zhǎng)與局部模型融合，從而便捷、有效地重建立面模型，避免了通常建模系統(tǒng)局限于稀疏重建與復(fù)雜設(shè)備的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在一定的稀疏點(diǎn)使用比例范圍內(nèi)，本文算法能準(zhǔn)確完成立面建模，所求的場(chǎng)景近似重建模型具有較高的立面角度和線比例重建精度，可滿足工程需要。在此基礎(chǔ)上，下一步工作將擴(kuò)展補(bǔ)充缺失的紋理結(jié)構(gòu)，精化場(chǎng)景模型，使之更適于高精度的大尺度場(chǎng)景建模。

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