本發(fā)明涉及圖像三維重建技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三維重建是指對(duì)三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)字模型,是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。文物保護(hù)工作中常常涉及對(duì)高層磚塔類(lèi)文物建筑進(jìn)行三維重建，全面獲取該文物建筑的空間信息。

傳統(tǒng)的高層磚塔類(lèi)文物建筑的三維重建，通常需要在磚塔類(lèi)文物建筑的周?chē)罱_手架，并運(yùn)用三維激光掃描儀從不同方位、不同高度對(duì)磚塔類(lèi)文物建筑進(jìn)行多次掃描，然后拼接掃描數(shù)據(jù)，進(jìn)而粘貼圖像紋理制作三維模型，最后導(dǎo)出不同立面的正射圖像圖，用于繪制線劃圖。

然而，上述的三維激光掃描進(jìn)行三維重建的方法實(shí)施難度很大，使用設(shè)備昂貴、工作周期長(zhǎng)，需要大量的經(jīng)費(fèi)投入，且三維重建精度低、效果差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有三維激光掃描進(jìn)行三維重建的方法實(shí)施難度很大，使用設(shè)備昂貴、工作周期長(zhǎng)，需要大量的經(jīng)費(fèi)投入，且三維重建精度低、效果差的缺陷，本發(fā)明一方面提出了一種基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法，包括：

圖像采集裝置由所述無(wú)人機(jī)攜帶著從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像；圖像處理器根據(jù)所述圖像采集裝置采集的多幅所述二維圖像，利用預(yù)設(shè)圖像處理軟件生成所述目標(biāo)建筑的三維模型。

可選地，所述圖像處理器根據(jù)所述圖像采集裝置采集的多幅所述二維圖像，利用預(yù)設(shè)圖像處理軟件生成所述目標(biāo)建筑的三維模型，包括：

根據(jù)多幅所述二維圖像生成素面的目標(biāo)建筑三維模型；

根據(jù)多幅所述二維圖像獲取所述目標(biāo)建筑的表面紋理；

根據(jù)所述素面的目標(biāo)建筑三維模型以及所述目標(biāo)建筑的表面紋理生成具有表面紋理的目標(biāo)建筑三維模型。

可選地，所述方法還包括：

所述圖像處理器獲取所述目標(biāo)建筑周?chē)亩鄠€(gè)地面控制點(diǎn)標(biāo)志裝置的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)，以根據(jù)所述地面控制點(diǎn)標(biāo)志裝置的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)確定所述目標(biāo)建筑的三維模型的尺寸坐標(biāo)。

可選地，所述目標(biāo)建筑包括磚塔型建筑物；

相應(yīng)地，所述圖像采集裝置由所述無(wú)人機(jī)攜帶著從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像，包括：

所述圖像采集裝置由正對(duì)所述磚塔型建筑物的一角開(kāi)始自下往上，邊隨所述無(wú)人機(jī)上升邊拍攝相應(yīng)視角的二維圖像；

在拍攝至所述磚塔型建筑物頂部后，隨所述無(wú)人機(jī)移動(dòng)至所述磚塔型建筑物的相鄰一角，并邊隨所述無(wú)人機(jī)下降邊拍攝相應(yīng)視角的二維圖像。

可選地，所述磚塔型建筑物的底部比各層頂部寬大，且所述各層頂部逐漸內(nèi)收；

相應(yīng)地，所述方法還包括：

所述圖像采集裝置在上升拍攝過(guò)程中向靠近所述磚塔型建筑物方向逐漸移動(dòng)；

所述圖像采集裝置在下降拍攝過(guò)程中向遠(yuǎn)離所述磚塔型建筑物方向逐漸移動(dòng)。

可選地，所述方法還包括：

在地面采集所述目標(biāo)建筑的下部的二維圖像。

可選地，所述在地面采集所述目標(biāo)建筑的下部的二維圖像，包括：

采用可變焦距鏡頭采集所述目標(biāo)建筑的下部的二維圖像。

可選地，所述方法還包括：

選擇所述目標(biāo)建筑向光面明亮部分進(jìn)行測(cè)光。

另一方面，本發(fā)明還提供了一種基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法的系統(tǒng)，用于實(shí)施上述任一種方法，所述系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)、圖像采集裝置以及圖像處理器；

其中，所述圖像采集裝置位于所述無(wú)人機(jī)上；

所述圖像采集裝置用于由所述無(wú)人機(jī)攜帶著從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像；

所述圖像處理器用于根據(jù)所述圖像采集裝置采集的多幅所述二維圖像，利用預(yù)設(shè)圖像處理軟件生成所述目標(biāo)建筑的三維模型。

可選地，所述無(wú)人機(jī)攜帶的圖像采集裝置包括鏡頭，且所述鏡頭向下傾斜預(yù)設(shè)角度。

本發(fā)明的基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法及系統(tǒng)，通過(guò)由所述無(wú)人機(jī)攜帶著的圖像采集裝置從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像，并通過(guò)圖像處理器根據(jù)所述圖像采集裝置采集的多幅所述二維圖像，利用預(yù)設(shè)圖像處理軟件生成所述目標(biāo)建筑的三維模型，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)目標(biāo)建筑多視角的圖像生成所述目標(biāo)建筑的三維模型，可以全面獲取目標(biāo)建筑文物的表面數(shù)據(jù)，方法實(shí)施起來(lái)難度小，使用設(shè)備價(jià)格低廉、工作周期短，降低了經(jīng)費(fèi)投入，且建立的三維重建精度高、效果好。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壽圣寺塔的多視角圖像采集位置示意圖；

圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壽圣寺塔的素面三維模型示意圖；

圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有真實(shí)紋理的壽圣寺塔三維模型示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法的流程示意圖，如圖1所示，該方法包括：

S1：圖像采集裝置由所述無(wú)人機(jī)攜帶著從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像；

可以理解的是，上述圖像采集裝置所拍攝的多視角的二維圖像應(yīng)全部覆蓋所述目標(biāo)建筑的表面，并保證相鄰的圖像具有70％以上重疊度。

S2：圖像處理器根據(jù)所述圖像采集裝置采集的多幅所述二維圖像，利用預(yù)設(shè)圖像處理軟件生成所述目標(biāo)建筑的三維模型。

可以理解的是，步驟S2中圖像處理軟件生成的所述目標(biāo)建筑的三維模型為素面的三維模型，雖然能一定程度提供所述目標(biāo)建筑文物的表面數(shù)據(jù)，但并不能真實(shí)體現(xiàn)目標(biāo)建筑文物的表面特征。

因而，作為本實(shí)施例的優(yōu)選，步驟S2還可進(jìn)一步包括：

S21：根據(jù)多幅所述二維圖像生成素面的目標(biāo)建筑三維模型；

S22：根據(jù)多幅所述二維圖像獲取所述目標(biāo)建筑的表面紋理；

S23：根據(jù)所述素面的目標(biāo)建筑三維模型以及所述目標(biāo)建筑的表面紋理生成具有表面紋理的目標(biāo)建筑三維模型。

由上述方案可知，所述圖像處理軟件根據(jù)多視角的二維圖像以及所述目標(biāo)建筑的表面紋理生成的具有表面紋理的目標(biāo)建筑三維模型可以在提供所述目標(biāo)建筑文物的表面數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，真實(shí)體現(xiàn)目標(biāo)建筑文物的表面紋理。

作為本實(shí)施例的優(yōu)選，所述圖像處理軟件可以包括但不限于Agisoft Photoscan軟件。

需要說(shuō)明的是，上述采用的圖像處理軟件可根據(jù)實(shí)際情況及用戶(hù)需求進(jìn)行選擇，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不進(jìn)行限制。

進(jìn)一步地，作為上述實(shí)施例的優(yōu)選，所述方法還可以包括：

所述圖像處理器獲取所述目標(biāo)建筑周?chē)亩鄠€(gè)地面控制點(diǎn)標(biāo)志裝置的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)，以根據(jù)所述地面控制點(diǎn)標(biāo)志裝置的中心點(diǎn)三維坐標(biāo)確定所述目標(biāo)建筑的三維模型的尺寸坐標(biāo)。

可以理解的是，上述控制點(diǎn)的測(cè)量準(zhǔn)確性，會(huì)直接影響后續(xù)三維模型的坐標(biāo)數(shù)據(jù)的，因而需要對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并準(zhǔn)確記錄坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，作為上述各個(gè)方法實(shí)施例的有限，所述目標(biāo)建筑可以包括磚塔型建筑物；

相應(yīng)地，步驟S1所述圖像采集裝置由所述無(wú)人機(jī)攜帶著從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像，可以包括：

S11：所述圖像采集裝置由正對(duì)所述磚塔型建筑物的一角開(kāi)始自下往上，邊隨所述無(wú)人機(jī)上升邊拍攝相應(yīng)視角的二維圖像；

S12：在拍攝至所述磚塔型建筑物頂部后，隨所述無(wú)人機(jī)移動(dòng)至所述磚塔型建筑物的相鄰一角，并邊隨所述無(wú)人機(jī)下降邊拍攝相應(yīng)視角的二維圖像。

進(jìn)一步地，作為上述各個(gè)實(shí)施例的優(yōu)選，所述磚塔型建筑物的底部比各層頂部寬大，且所述各層頂部逐漸內(nèi)收；

相應(yīng)地，所述方法還包括：

所述圖像采集裝置在上升拍攝過(guò)程中向靠近所述磚塔型建筑物方向逐漸移動(dòng)；

所述圖像采集裝置在下降拍攝過(guò)程中向遠(yuǎn)離所述磚塔型建筑物方向逐漸移動(dòng)。

在上述各個(gè)方法實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述方法還可以包括：

在地面采集所述目標(biāo)建筑的下部的二維圖像。

進(jìn)一步地，作為本實(shí)施例的一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述在地面采集所述目標(biāo)建筑的下部的二維圖像，可以包括：

采用可變焦距鏡頭采集所述目標(biāo)建筑的下部的二維圖像。

進(jìn)一步地，作為上述方法實(shí)施例的優(yōu)選，所述方法還包括：

選擇所述目標(biāo)建筑向光面明亮部分進(jìn)行測(cè)光，以使拍攝的圖像曝光合適，背光面的圖像曝光可以稍微弱一些。

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，所述系統(tǒng)用于實(shí)施上述任一種基于無(wú)人機(jī)的多視角三維重建方法實(shí)施例，如圖2所示，該系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)10、圖像采集裝置20以及圖像處理器30；

其中，圖像采集裝置20位于所述無(wú)人機(jī)10上；

圖像采集裝置20用于由無(wú)人機(jī)10攜帶著從目標(biāo)建筑的多個(gè)預(yù)設(shè)方位分別以多個(gè)預(yù)設(shè)視角采集多幅所述目標(biāo)建筑的二維圖像；

圖像處理器30用于根據(jù)圖像采集裝置20采集的多幅所述二維圖像，利用預(yù)設(shè)圖像處理軟件生成所述目標(biāo)建筑的三維模型。

進(jìn)一步地，作為本實(shí)施例的優(yōu)選，無(wú)人機(jī)10攜帶的圖像采集裝置20包括鏡頭，且鏡頭向下傾斜預(yù)設(shè)角度，例如30°。

下面以山西省萬(wàn)榮縣里望鄉(xiāng)南陽(yáng)村壽圣寺塔的三維模型的重建實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，但不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

首先，在壽圣寺塔周?chē)鷶[放4個(gè)地面控制點(diǎn)標(biāo)志(例如標(biāo)志板)，該標(biāo)志板大小可優(yōu)選為20厘米×20厘米，使用電子全站儀測(cè)量各控制點(diǎn)標(biāo)志中心的三維坐標(biāo)；

無(wú)人機(jī)攜帶的圖像采集裝置(如照相機(jī))包括：索尼α6000機(jī)身、福倫達(dá)15毫米定焦鏡頭。

拍攝前需對(duì)照相機(jī)進(jìn)行全面設(shè)置：使用手動(dòng)檔(M檔)拍攝，選擇塔身向光面明亮部分進(jìn)行測(cè)光，使其拍攝的圖像曝光合適，背光面的圖像曝光可以稍微弱一些；光圈為8，曝光時(shí)間為1/800秒，感光度選擇200，白平衡為日光型；設(shè)置合適的對(duì)焦距離，確保在3～6米范圍內(nèi)能夠清晰成像。

在無(wú)人機(jī)下安置設(shè)置好照相機(jī)，使鏡頭向下傾斜約30°，大致正對(duì)壽圣寺塔的一角開(kāi)始自下往上，并使照相機(jī)隨無(wú)人機(jī)一邊上升一邊拍攝；

拍攝至塔頂部后，移動(dòng)該無(wú)人機(jī)至塔的相鄰一角，并使照相機(jī)隨無(wú)人機(jī)一邊下降一邊拍攝；

由于該塔的底部寬大，頂部逐漸內(nèi)收，在上升拍攝時(shí)，可使照相機(jī)隨無(wú)人機(jī)向塔中心(靠近塔身方向)逐漸移動(dòng)；而在下降拍攝時(shí)向塔外圍(遠(yuǎn)離塔身方向)慢慢移動(dòng)；

由于壽圣寺為具有8個(gè)角的結(jié)構(gòu)，因而經(jīng)過(guò)四次升降即可拍攝到壽圣寺塔八個(gè)角的圖像；

具體地，使用無(wú)人機(jī)拍攝時(shí)，可使照相機(jī)的鏡頭向下傾斜，以拍攝塔身立面和塔檐上部的圖像。

可以理解的是，為節(jié)約無(wú)人機(jī)的電能，塔檐下部的圖像可以在地面進(jìn)行拍攝，此時(shí)可更換相機(jī)鏡頭為蔡司16～70毫米的變焦鏡頭。

具體地，塔身底部可以使用短焦距拍攝，然后逐漸增加焦距往塔身上部拍攝，每幅圖像拍攝塔檐下部及其附近的塔身立面等。

其中，圖3示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的壽圣寺塔的多視角圖像采集位置。

在數(shù)字圖像拍攝完成后，可以使用Agisoft Photoscan等軟件進(jìn)行圖像處理。

可以理解的是，該圖像處理軟件Agisoft Photoscan生成的所述目標(biāo)建筑的三維模型為素面的三維模型(參見(jiàn)圖4)，雖然能一定程度提供所述目標(biāo)建筑文物的表面數(shù)據(jù)，但并不能真實(shí)體現(xiàn)目標(biāo)建筑文物的表面紋理。

因而，通過(guò)圖像處理軟件Agisoft Photoscan基于拍攝的圖像獲取塔體的表面紋理，并根據(jù)該表面紋理生成具有真實(shí)紋理的壽圣寺塔三維模型(參見(jiàn)圖5)，并標(biāo)注控制點(diǎn)標(biāo)注中心位置，以輸入測(cè)量的各控制點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)壽圣寺塔模型進(jìn)行坐標(biāo)控制，完成所述三維重建工作。

本發(fā)明運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)制作磚塔類(lèi)文物的三維模型，成本低廉，操作簡(jiǎn)便，角度很高，效果逼真。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間啟動(dòng)任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還啟動(dòng)另外的相同要素。術(shù)語(yǔ)“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中，說(shuō)明了大量具體細(xì)節(jié)。然而能夠理解的是，本發(fā)明的實(shí)施例可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對(duì)本說(shuō)明書(shū)的理解。類(lèi)似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡(jiǎn)本發(fā)明公開(kāi)并幫助理解各個(gè)發(fā)明方面中的一個(gè)或多個(gè)，在上面對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的各個(gè)特征有時(shí)被一起分組到單個(gè)實(shí)施例、圖、或者對(duì)其的描述中。然而，并不應(yīng)將該公開(kāi)的方法解釋呈反映如下意圖：即所要求保護(hù)的本發(fā)明要求比在每個(gè)權(quán)利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說(shuō)，如權(quán)利要求書(shū)所反映的那樣，發(fā)明方面在于少于前面公開(kāi)的單個(gè)實(shí)施例的所有特征。因此，遵循具體實(shí)施方式的權(quán)利要求書(shū)由此明確地并入該具體實(shí)施方式，其中每個(gè)權(quán)利要求本身都作為本發(fā)明的單獨(dú)實(shí)施例。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。本發(fā)明并不局限于任何單一的方面，也不局限于任何單一的實(shí)施例，也不局限于這些方面和/或?qū)嵤├娜我饨M合和/或置換。而且，可以單獨(dú)使用本發(fā)明的每個(gè)方面和/或?qū)嵤├蛘吲c一個(gè)或更多其他方面和/或其實(shí)施例結(jié)合使用。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說(shuō)明書(shū)的范圍當(dāng)中。