無(wú)人機(jī)航拍圖像的室外場(chǎng)景三維重建技術(shù)研究

任志飛

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)航拍在我國(guó)得到了廣泛運(yùn)用。無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展為室外場(chǎng)景的三維建模提供了諸多便利，本文著重從無(wú)人機(jī)航拍在室外場(chǎng)景三維建模中的應(yīng)用和室外場(chǎng)景三維重建過(guò)程中無(wú)人機(jī)航拍圖像的數(shù)據(jù)處理等方面來(lái)研究。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)航拍圖像；室外場(chǎng)景；三維重建技術(shù)；研究

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1001-0270.2017.03.30

Abstract： With the development of science and technology， aerial drones has been widely used in our country. Unmanned aerial technology widespread application and development for outdoor scene of 3D modeling provides a lot of convenience， this article emphatically from aerial drones in the application of outdoor scene 3D modeling and outdoor scene of uav aerial images in the process of 3D reconstruction data processing， etc.

Key Words： UAV Aerial Images； the Outdoor Scene； 3D Reconstruction Technology； Research

三維重建指的是以無(wú)人機(jī)航拍圖像為依據(jù)，通過(guò)多種數(shù)據(jù)處理手段和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)中為現(xiàn)實(shí)生活中的室外場(chǎng)景建立的數(shù)學(xué)模型。無(wú)人機(jī)航拍圖像可以為人們提供詳細(xì)、真實(shí)的信息資料，微型航空遙感技術(shù)的應(yīng)用為人們?cè)诳茖W(xué)和生活領(lǐng)域做出正確的決策奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)和文化的快速發(fā)展。

1 無(wú)人機(jī)航拍圖像的室外場(chǎng)景三維重建技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀研究

無(wú)人機(jī)以自身特有的優(yōu)點(diǎn)迎合了人們對(duì)于航拍技術(shù)的需求，在多種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如在觀看新聞視頻時(shí)我們經(jīng)常能看到很多航拍的圖像，這些圖像大都采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝。無(wú)人機(jī)機(jī)身較小，對(duì)場(chǎng)地的要求比較低，相比于其他機(jī)型，成本也相對(duì)較低，因?yàn)椴恍枰藛T駕駛，也避免了高空工作可能帶來(lái)的危險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)航拍圖像的室外場(chǎng)景三維重建融多種新型技術(shù)為一體，比如航拍技術(shù)、航空遙感技術(shù)、影像傳輸技術(shù)、幾何視圖分析技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。室外場(chǎng)景的三維重建要求研究人員要具有完備的技能，而且由于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的計(jì)算量比較大，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于設(shè)備的要求也比較高，需要計(jì)算機(jī)設(shè)備具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理裝置。無(wú)人機(jī)航拍作為一種微型航空遙感技術(shù)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展提供了有效的遙感技術(shù)服務(wù)手段。

城鎮(zhèn)的發(fā)展對(duì)于遙感航拍技術(shù)的需求也越來(lái)越大，由于城鄉(xiāng)地貌發(fā)生的巨大變化，人們需要依靠航拍技術(shù)提供正確、詳細(xì)的地理信息作為人們做出科學(xué)決策的依據(jù)。考古、環(huán)保、城鄉(xiāng)規(guī)劃、資源開發(fā)、國(guó)土安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防治、新聞拍攝等領(lǐng)域需要通過(guò)遙感航拍技術(shù)進(jìn)行室外場(chǎng)景的三維重建。比如2008年的汶川地震，無(wú)人機(jī)遙感航拍技術(shù)在這次地震救援過(guò)程中和災(zāi)后重建過(guò)程中都起到了至關(guān)重要的作用，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)航拍圖像的分析，研究人員可以及時(shí)清晰的了解災(zāi)情信息，指導(dǎo)地震救援工作，在后期的災(zāi)后重建過(guò)程中，更是離不開無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)的應(yīng)用?？蒲腥藛T可以根據(jù)航拍圖像進(jìn)行三維建模制作出相應(yīng)的地形圖對(duì)災(zāi)后的重建做出規(guī)劃。無(wú)人機(jī)航拍圖像的室外場(chǎng)景三維建模是通過(guò)技術(shù)手段構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)去表現(xiàn)客觀世界，無(wú)人機(jī)航拍圖像獲取便利、成本低廉，圖像信息豐富，為科研人員通過(guò)計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景提供了方便。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于室外場(chǎng)景三維建模的了解也越來(lái)越深入，對(duì)于數(shù)據(jù)分析技術(shù)、信息處理技術(shù)的掌握也更加完善，基于無(wú)人機(jī)航拍圖像進(jìn)行的室外場(chǎng)景三維建模在各大領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

2 關(guān)于無(wú)人機(jī)航拍圖像的室外場(chǎng)景三維重建技術(shù)基礎(chǔ)過(guò)程的的研究

第一，進(jìn)行室外場(chǎng)景三維重建的首要是獲取精確詳細(xì)的圖像資料，這些圖像是指三維物體的二維圖像，人們可以充分利用微型遙感航拍技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，通過(guò)遙感設(shè)備控制攝像機(jī)來(lái)獲取圖像。在圖像獲取的過(guò)程中，應(yīng)盡量避免外界因素對(duì)圖像質(zhì)量的影響，無(wú)人機(jī)在拍攝過(guò)程中的抖動(dòng)極易影響圖像質(zhì)量，使圖像序列產(chǎn)生大量與實(shí)際場(chǎng)景不相匹配的冗余信息，從而加大工作的難度，降低建模的精確度。無(wú)人機(jī)航拍雖然不需要工作人員駕駛，但是它仍需要相關(guān)工作人員進(jìn)行遙控操作，如果操作失當(dāng)，圖像信息的有用性將大打折扣。其次，相機(jī)本身的特性和天氣條件也都會(huì)影響航拍圖像的質(zhì)量。前期對(duì)于物體的二維圖像的獲取是后續(xù)一系列工作的基礎(chǔ)，只有保證了圖像的質(zhì)量，后續(xù)的特征提取、立體匹配以及數(shù)學(xué)模型的重建工作才有意義。

第二，無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備參數(shù)值是室外場(chǎng)景三維數(shù)學(xué)模型建立的重要參數(shù)依據(jù)，研究人員必須要嚴(yán)格的把攝像機(jī)的參數(shù)與圖像進(jìn)行匹配，在計(jì)算機(jī)中制作出精確的坐標(biāo)圖。

第三，特征提取是無(wú)人機(jī)航拍圖像室外場(chǎng)景三維建模過(guò)程中的重要步驟，特征提取指通過(guò)計(jì)算機(jī)平臺(tái)來(lái)獲取圖像的信息，分析圖像中的點(diǎn)是否具有共同的圖像特征。在特征點(diǎn)的提取過(guò)程中，提取形式和提取策略非常重要，這些因素決定著航拍圖像與所提取的特征是否匹配，提取算法的選擇也非常重要，它決定著所提取的特征與圖像之間匹配的精確度。特征提取的關(guān)鍵是把圖像上的點(diǎn)根據(jù)其特征分成不同的集合。

第四，根據(jù)提取特征建立圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行精確的匹配，在匹配過(guò)程中要注意排除外界因素的干擾，天氣狀況、拍攝角度等外界因素都要考慮在內(nèi)，排除這些因素產(chǎn)生的不利影響。室外場(chǎng)景的三維模型要結(jié)合攝像機(jī)參數(shù)的標(biāo)定和根據(jù)立體匹配結(jié)果制作出的三維坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行建構(gòu)。三維重建技術(shù)過(guò)程中的各個(gè)步驟環(huán)環(huán)相扣，為了提高三維重建的精確度，應(yīng)該做好各環(huán)節(jié)的一系列工作，減小誤差，提高精確度。

室外場(chǎng)景三維建模的各個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)算法有極高的要求，不同的算法具有不同的特征和自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在建模過(guò)程中，科研人員應(yīng)該做到有針對(duì)性的選取算法，例如關(guān)鍵幀的提取算法，人們通常將關(guān)鍵幀的提取算法分為三大類：基于信息量的關(guān)鍵幀提取、基于信息采樣的關(guān)鍵幀提取、基于內(nèi)容分類的關(guān)鍵幀提取。對(duì)于關(guān)鍵幀的提取以及航拍圖像的篩選要經(jīng)歷粗篩選和精篩選兩個(gè)環(huán)節(jié)以保證圖像質(zhì)量的高精確度。依據(jù)航拍圖像建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵是盡量降低每個(gè)環(huán)節(jié)的誤差以保證立體匹配的精確度。

3 室外場(chǎng)景三維重建技術(shù)過(guò)程中對(duì)于無(wú)人機(jī)航拍圖像的處理方法研究

基于圖像系列的室外場(chǎng)景三維重建主要以圖像特征和幾何視圖為依據(jù)，三維重建對(duì)于航拍信息的數(shù)據(jù)處理要求比較高，要求設(shè)備具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，因此對(duì)于航拍圖像處理方法的研究也是國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者一直探討的一個(gè)熱點(diǎn)。

3.1 無(wú)人機(jī)航拍序列的圖像拼接技術(shù)

圖像拼接技術(shù)是處理航拍圖像的主要技術(shù)手段，圖像拼接指將通過(guò)攝像機(jī)拍攝的不同視角的數(shù)張圖像拼接成一幅完整的高清圖像。在圖像拼接的過(guò)程中，圖像的立體配準(zhǔn)和圖像之間的無(wú)縫融合是決定拼接效果的關(guān)鍵性因素，圖像配準(zhǔn)的數(shù)據(jù)處理量比較大，因此圖像配準(zhǔn)對(duì)于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有較高的要求。圖像配準(zhǔn)技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)于無(wú)人機(jī)航拍序列圖像的拼接具有重要意義，一般情況下，圖像的拼接包括對(duì)于圖像的預(yù)處理、圖像的立體配準(zhǔn)、建立圖像數(shù)學(xué)變換模型、完成坐標(biāo)統(tǒng)一變換、圖像的無(wú)縫融合等五個(gè)步驟。圖像的預(yù)處理主要是對(duì)航拍圖像的去躁、特征提取、建立匹配模板、進(jìn)行圖像變換等基本操作。在圖像匹配的過(guò)程中要根據(jù)圖像特征提取來(lái)進(jìn)行，匹配策略的選取非常關(guān)鍵。其次是對(duì)三維數(shù)學(xué)模型的建立，在建立數(shù)學(xué)模型的時(shí)候要參考攝像機(jī)標(biāo)定，以攝像機(jī)的參數(shù)來(lái)計(jì)算模型的參數(shù)值，從而在計(jì)算機(jī)中建立出精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)變換模型，然后把拼接后的圖像放入?yún)⒖紙D像的坐標(biāo)系完成統(tǒng)一替換，然后拼接成高度融合的高清圖像。

3.2 基于航拍圖像的立體匹配算法分析

圖像配準(zhǔn)算法主要有兩大類，一類是基于頻域，另一類是基于時(shí)域。其中基于時(shí)域的圖像匹配算法在航拍圖像和衛(wèi)星遙感航拍圖像的配準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)用比較廣泛，這種匹配算法的拼接精度較高，主要通過(guò)互功率譜計(jì)算圖像之間的平移矢量，相比于其他的匹配算法具有簡(jiǎn)便、精確的優(yōu)勢(shì)。這種算法對(duì)于圖像和圖像的重疊比例的要求比較高，如果比例過(guò)小，會(huì)增加匹配的誤差，降低匹配結(jié)果的精確度?；跁r(shí)域的匹配有兩種匹配依據(jù)，一種是基于特征，另外一種是基于區(qū)域?；谔卣鞯钠ヅ浞椒ㄖ庇^性比較強(qiáng)，但是基于區(qū)域的匹配算法精確度較高，但是數(shù)據(jù)處理過(guò)程較復(fù)雜，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

3.3 運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)重建算法研究

在室外場(chǎng)景三維重建的過(guò)程中需要通過(guò)分析物體獲取圖像的結(jié)構(gòu)信息，這一過(guò)程在三維重建技術(shù)中被稱作運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法步驟也比較繁雜，主要包括：圖像特征提取、攝像機(jī)運(yùn)動(dòng)的估計(jì)、估計(jì)結(jié)果的優(yōu)化、攝像機(jī)的標(biāo)定、場(chǎng)景描述、推倒場(chǎng)景的幾何特征。在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)重建的過(guò)程中用到的算法叫做SFM算法，SFM算法全稱Structure from motion ，即從二維的圖像或者圖像序列中恢復(fù)出室外場(chǎng)景相應(yīng)的三維信息，其中包括成像攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及場(chǎng)景的結(jié)構(gòu)信息。SFM算法的原理是通過(guò)不同的角度觀察空間中的點(diǎn)從而得到點(diǎn)的相對(duì)位置。后來(lái)這種理論被推廣應(yīng)用到平行透視模型和普通透視模型的建立方面。通過(guò)SFM算法進(jìn)行三維重建要進(jìn)行平差工作以減小誤差，提高模型的精確度，光束法平差是最常使用的降低誤差的方法，它以單張像片為單元，根據(jù)控制點(diǎn)的外業(yè)和內(nèi)業(yè)坐標(biāo)相等、加密點(diǎn)的外業(yè)和內(nèi)頁(yè)坐標(biāo)相等的原則和攝影站、像點(diǎn)、地面點(diǎn)三點(diǎn)共線得原理進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，從而列出誤差方程進(jìn)行平差處理，三維重建的關(guān)鍵是通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)室外場(chǎng)景虛擬現(xiàn)實(shí)的模型重建。

4 總結(jié)

科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了諸多便利，給人們做出科學(xué)的決策提供了第一手精準(zhǔn)的信息資料，無(wú)人機(jī)航拍圖像室外場(chǎng)景三維建模技術(shù)隨著科學(xué)的發(fā)展被廣泛應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防治、國(guó)土安全監(jiān)控、城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃、開發(fā)自然資源等各大領(lǐng)域之中。無(wú)人機(jī)航拍以其相比于其他航拍機(jī)型輕便靈活、成本低廉、易于操作、精準(zhǔn)度高、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)深受人們的青睞。無(wú)人機(jī)航拍可以快速獲取高清晰度、高清精準(zhǔn)度的室外場(chǎng)景圖像，高度迎合了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，對(duì)于無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)、無(wú)人機(jī)航拍圖像的處理、航拍圖像數(shù)據(jù)的分析方面的研究和探討也更加深入。室外場(chǎng)景三維建模技術(shù)的發(fā)展得益于遙感航拍技術(shù)、特征提取技術(shù)和圖像拼切技術(shù)的發(fā)展。在生活中，應(yīng)該充分利用這些技術(shù)為人們的生活和社會(huì)的發(fā)展服務(wù)。

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