基于立体数字相机系统的古建筑三维模型重建

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1、基于立体数字相机系统的古建筑三维模型重建[摘要]：立体数字相机系统是一种便携式的立体相机视觉系统，该系统由两台数字相机及配套设备组成，主要用于目标对象的三维模型建立。立体相机对在使用前已经过严格的标定，检定各相机的内部成像参数及相机间的相对位置、姿态参数，在目标对象的近景摄影测量过程中不需要布设恢复相机成像参数及位置、姿态的控制点或控制标尺，直接使用已有的参数进行三维重建。本系统极适用于结构复杂的古建筑三维模型建立，也适用于普通建筑物或其它表面不规则的目标对象的表面三维模型建立。本文详述了一种基于立体数字相机系统，综合使用全站仪测量及手工丈量构建大型古建筑三维模型的方法，并从理论和实验

2、上对其测量精度进行了分析。[关键词]：立体数字相机系统、古建筑、标定、三维重建一、概述立体数字相机系统是一套高效率的信息获取工具。系统采用目前国际上流行的影像信息获取工具CCD传感器作为信息获取工具，获取真实场景的图片信息，然后采用近景摄影测量原理，由所获取的像对恢复出相片中的各点或各尺寸的实际值。系统将数字近景摄影测量技术应用于场景的三维重建工作，采用摄影测量中常用的共线方程模型，标定两相机的光束恢复参数及两相机之间的相对位置姿态，不需要在待测定的场景中布设用于恢复相机成像参数及位置、姿态的控制点或三维标尺，直接进行场景点、线及面的三维重建，重建结果可直接绘制到AutoCAD中。对于

3、复杂场景，使用模型连接技术将不同位置、不同姿态获取的各部分场景模型连接成场景的整体模型，完成复杂场景或大型场景的整体重建。由立体数字相机系统重建的结果模型具有相图1：立体数字相机系统对精度较高、模型形状保持极好的特点，可广泛应用于建筑物（特别是结构复杂的古建筑）及其它目标对象（如雕像、工厂车间、室内装饰等）三维建模以及其它常规的二维近景摄影测量。二、立体数字相机系统的构成立体数字相机系统由两台数字相机、三脚架、支架、同步装置及相应的电源、控制装置构成，获取的影像经测量软件及配套的模型编辑、连接软件后处理，获取目标对象的整体三维模型。立体数字相机系统中的数字相机采用普通CCD数码相机，由

4、于数码相机的用于建立成像模型的参数如相机的成像主距、像主点、相机镜头畸变差改正系数、拍摄影像时所处的位置及姿态均未知，因此在进行测量前必须经过严格的标定，以获取相机的成像参数。同时，由于采用立体相机，相机之间的相对位置、姿态也必须按一定的模型严格解算，且应保证在标定和重建过程中使用相同的成像模型。因此，在使用立体相机系统量测目标对象表面时，必须使用配套的测量软件，以保证量测结果的可靠性。三、立体数字相机系统的成像模型在本系统中，使用了严格的成像模型以保证重建结果的精度，其成像模型如下：a(X−X)+b(Y−Y)+c(Z−Z)1s1s1s(u−u+∆u)=−f0a(X−X)+b(Y−Y)

5、+c(Z−Z)3s3s3s（式1）a(X−X)+b(Y−Y)+c(Z−Z)1s1s1s(Rows−v−v+∆v)⋅ky=−f0a(X−X)+b(Y−Y)+c(Z−Z)3s3s3s式中：f为摄影主距；(u0,v0)为成像主点在影像上的行列号；(u,v)为像点在影像上的行列号；(∆u,∆v)为像点的系统误差改正数，在本模型中仅考虑了相机的镜头畸变差改正系数，所有系统误差改正均归纳到镜头畸变差改正数中，其表达如下：24622∆u=u(kr+kr+kr)+p(r+2u)+2puv12312（式2）24622∆v=v(kr+kr+kr)+2puv+p(r+2v)12312式中：k,k,k为径向畸

6、变差改正系数123p,p为切向畸变差改正系数12u=u−u0v=Rows−v−v0222r=u+vRows为影像的总行数；ky为非矩形像素横纵向比值，用于模拟像素在横纵向上不能严格相等的差值；X,Y,Z为场景点空间坐标；XS,YS,ZS为摄站点空间坐标；a1b1c1a2b2c2为由相机空间姿态的三个姿态角按某一转角系统确定的旋转矩阵。abc333四、立体数字相机系统的标定立体数字相机系统按（式1）所给的模型进行严格的标定，通过解非线性方程组获取相机的整套参数包括：成像主距和像主点：f、(u0,v0)像素比例系数：ky畸变差改正系数：k1,k2,k3,p1,p2摄影位

7、置和姿态：XS,YS,ZS,ϕ,ϖ,κ在标定过程中，为克服非线性方程组解算过程中各参数之间的相关性，引入了一些约束条件，如在不同的位置以不同的姿态拍摄多对标定影像，在不同的位置拍摄的标定影像对之间应保持两相机间的距离相同、两相机间的相对姿态固定。立体数字相机系统的标定在高精度标定场中进行，图2所示极为高精度标定场，其中的每一控制点空间坐标都已经过高等级测量，已知其空间坐标，图2：高精度标定场空间坐标精度优于0.3mm。通过标定，使两相机的像点中