数字近景摄影测量的二维影像三维建模的关键技术应用

张 数，杨德宏

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

0 引言

随着信息化、数字化时代的发展，现在人们越来越意识利用数字化对古代文化遗产进行保护，尤其是对古代文物的保护[1]。如今随着计算机技术的不断进步，三维建模软件的不断更新，我们可以利用三维建模技术对需要保护的文物进行原始的三维信息采集数字化，可以很好的为文物的后期修善甚至是重新制作出一个与原始文物一样的模型提供数据，这样能有效地保护文物尽可能的受到破坏。但是结合古文物本身的特点，它的外形比较复杂、而且为了保护文物一般是不能触碰的、同时它的造型也是丰富多样[2]，因此如何在不接触文物的条件下能更好的对文物提取三维模型进行数字化非常关键[3-5]。由于数字近景摄影测量技术具有不接触物体、获取数据快、操作简便、处理速度快捷，精度也完全满足需求。因此，相对于Autocad，Maya等建模手段来讲，该方法在三维重建方面有不可比拟的优势。本通过结合近景摄影测量专业软件Photomodeler对文物浮雕的建模来介绍近景摄影测量在古文物三维重建的优势。

1 研究方法

1.1 数字化影像数据提取及处理技术

文章直接利用CCD（非量数码测相机）对被测物体进行影像提取，然后利用Photomodeler软件对相片进行相对定向。具体技术步骤如下图1所示。

图1 影像数据处理路线Fig.1 Image data processing route

2 关键技术

2.1 相机的选择与校检

（1）由于CCD（非量测数码相机）使用简便、操作简单、成本低廉、影像清晰度满足要求等优点[6]，而且可以在不接触被测物体的条件下，方便简洁的获取被测物体表面的数字化信息，也可以对数字化的对象的数据在更新等功能。因此文章依据文物建模的要求及特点，选择了单反相机佳能5D Mark 3非量测相机如下图2。表1相机的部分参数。

图2 本次实验使用的数码相机Fig.2 The digital camera used in this experiment

表1 5D Mark 3单反相机部分参数Tab.1 5D Mark 3 DSLR partial parameters

（2）由于文章使用的是近景摄影测量专业软件Photomodeler scanner软件具有数码相机校检功能，我们只需要对 Photomodeler scanner软件自带的校检网格（如下图 3）进行拍照即可，即使相机的镜头的主光轴与校检网格板保持45度角，保持焦距不变，先进行四个正方向拍摄四幅图，然后让镜头主光轴为轴旋转90度，在拍摄四幅图[7]。然后将照片导入到Photomodeler scanner软件，该软件就能自动解算出佳能5D Mark 3相机校检参数（如下图4、下表2）。相机的检校目的是恢复每张影像光束的正确形状，即借助内方位元素恢复摄影中心与像片之间的相对几何关系，如图5所示[8]。

3 影像数据的采集方法

近景摄影测量包括正直摄影方式和交向摄影方式两种[9]。

正直摄影方式就是像片对的像片与主光轴互相平行且与摄影基线垂直，像片要满足有55%到70%的重叠度。物体表面纹理会导致正直摄影方式生成的图像产生变形，因而更适用于模拟近景摄影测量和解析近景摄影测量，更多是应用在肉眼立体观测方面。

交向摄影方式是像片对与主光轴不平行但接近在同一平面且不垂直与摄影基线，像片的重叠度达到100%，交向摄影方式生成的影同样受物体表面纹理的影响以及像片对的两像片之间的相对角度的影响而发生形变。当交会角较大时就不再适用于肉眼立体观测，多用于解析近景摄影测量或数字近景摄影测量。交向摄影方式又称为多摄站摄影测量，能够实现对被测物体的的多重覆盖，有效提高了摄影测量的精度同时保证像片的可靠性。

对于一些建模目标表面为多为曲面的模型来讲，由于它们的特征点难以分辨，在拍摄照片时要在曲面模型上用橡皮泥或彩笔等标记出来，以便于寻找每张相片上对应的特征点[10]。

由于文章采用的是photomodeler scanner软件不需要控制点坐标，我们只需要对物体采集影像数据即可。同时考虑到建模精度的要求，文章采用交向相摄影方式如图 6所示本次获取影像数据的方式。

依据被摄物体的大小以及周边的环境选择适当的拍摄距离和拍摄方位。依据被测物体的宽度和相机的焦距，按摄影基线为摄距的五分之一至十分之一的原则，确定摄站数、基线长度和照片数。保证影像的清晰度和相邻影像之间80%以上的重叠度，拍摄被测目标的影像[11-12]。

图3 Photomodeler scanner软件校检网格Fig.3 Photomodeler scanner software checking grid

图4 将拍摄的检校板照片导入Photomodelerscanner软件检校结果Fig.4 Will shoot the calibration board photos into Photomodelerscanner software calibration results

图5 恢复的非量测数码相机拍摄时的位置Fig.5 The position of a restored non measurement digital camera at the time of shooting

表2 佳能5D Mark 3相机的校检参数Tab.2 The calibration parameters of the Canon 5D Mark 3 camera

图6 相机摄站示意图Fig.6 A schematic diagram of a camera station

4 影像数据处理与三维建模

4.1 影像数据处理的基本原理

基于摄影测量的基本原理构建三维模型，其实就是共线条件方程，共线条件方的本质就是来描述摄影中心、像方坐标点、物方坐标点三者满足共线条件。一般来讲，近景摄影测量中的解算方法都是依据共线条件方程来解算的。不管是后方交会还是前方交会都是利用共线条件方程解算。共线条件方程如下：

其中上式（1）中， XS、 YS、 ZS是摄影中心物方空间相应的坐标，X、Y、Z是物方点物方空间相应的坐标， f 、x0、 y0是相机的内方位元素，ai、bi、ci（i=1、2、3）是相片的三个外方位元素构成的九个方向余弦值。x、y是像点的像平面相应的坐标；Δx、 Δy是系统误差的改正数。

将我们拍摄的照片导入到Photomodeler scanner软件中，然后利用相机检校得到的检校参数和畸变系数对其进行连续相对定向，恢复影像与相机的相对位置关系[13-14]。

具体的操作步骤为：

（1）首先要选定一张相片上的某一个特征点；

（2）然后添加另一张相片上与之相对应的特征点；

（3）利用Photomodeler scanner软件的快速参考功能将两个点在空间中约束成为一个点。

（4）重复上述的三个步骤继续添加多个点。

（5）点击 Photomodeler scanner软件的“process”功能，完成两张相片的定位，确定相机拍摄的位置；

（6）重复上述的五个步骤完成其它相片的定位和确定相机的位置；

（7）当标定完所有的点后，点击“下一步”按钮，软件就会自动校检那些点的位置有误，当确定某一点有差且大于规定的一个数量值时，软件就会告诉我们需要删除那些点位，然后在进行重新的标定。

当我们完成上述的步骤后，我们就可以在Photomodeler scanner软件中确定所有拍摄时相机的位置和方向，文章得到的校检点与相机的空间相对位置如图7所示。

4.2 基于photomodeler软件三维建模

4.2.1 获取建模对象的数据点

当我们确定拍照时相机的位置和方向后，对于每一张相片上的任何一点来说，只有其空间的深度位置是未知的。在photomodeler scanner软件的点对应模块中，当在一张相片中标定一个点后，在另一张相片中将会出现一条“深度线”，辅助制作人员确定该点的空间位置[15]。

4.2.2 建立三维模型

经过得到文物的数据点，我们可以通过对数据点进行密集匹配、构造不规则三角网、补洞、平滑处理后便可得到文物浮雕的三维白模如图8，图9所示。

4.2.3 纹理映射

利用 photomodeler scanner软件的自动贴图功能，从获取的影像数据中提取建筑物的三维数字模型纹理，进行纹理贴图，完成三维建模，如图10所示。

4.2.4 对photomodeler scanner 软件的总结

近景摄影测量专业软件 photomodeler scanner具有相机的校检功能，而且它不需要坐标控制点，只需要对建模物体进行拍照即可，同时它可以自动快速贴图，赋予三维模型纹理和模型的显示。但是photomodeler scanner软件不能对无纹理的物体建模，其通用性方面待进一步研究和提高。

图7 校检点与相机的空间相对位置Fig.7 The relative position of the calibration point and the camera

图8 文物浮雕的点云数据图Fig.8 Point cloud data map of cultural relic relief

图9 文物浮雕的三维白模Fig.9 Three dimensional white die of cultural relic relief

图10 文物浮雕进行纹理恢复后的效果Fig.10 The effect of the restoration of the texture of cultural relics

5 结论

文章利用非量测相机获取影像数据的方法，采用交向相摄影方式结合近景摄影测量专业软件photomodeler scanner对文物浮雕的建模方法。与其他建模方法相比该技术建模具有低成本、高效率的优势，且建模质量高，使用简单，建模效果较好，能高效快速地实现建模对象的数字化，该建模技术能更好的服务于对古文物的保护。

[1] 戴雯. 基于文物的表面纹理重建技术研究[D]. 江苏: 江苏大学, 2009.

[2] 唐燕. 基于PhotoModeler Scanner的文物三维重建应用研究[J]. 泸州职业技术学院学报, 2014, 4.

[3] 高宝芹. 3ds Max建模技术在室内装饰设计教学中的实践与创新[J]. 软件, 2014, 35(2): 174-175.

[4] 卢超, 黄蔚, 胡国超. 基于图形数据结构的复杂对象建模设计[J]. 软件, 2015, 36(12): 220-223.

[5] 叶新, 潘清, 董正宏. 多领域建模仿真方法综述[J]. 软件,2014, 35(3): 233-236.

[6] 程效军, 许诚权, 周行泉. 基于PhotoModeler Scanner的普通数码相机快速检校研究[J]. 遥感应用, 2011, 04.

[7] 张医钦, 李秀栋, 刘健辰, 张悦. 基于Photomodeler Scanner的古文物三维建模研究[J]. 测绘信息工程, 2014, 04.

[8] 胡桐, 刘飞, 陈国安. 基于PhotoModeler软件的二维图像建模技术应用[J]. 中国科技, 2015, 05.

[9] 冯文灏. 近景摄影测量[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2002.

[10] 苏毅, 曾坚. PhotoModeler软件在复杂曲面形建筑设计中的应用[J]. 中国科技论文在线. 2010.

[11] 杨育桢. 数字近景摄影测量在古文物三维重建中的应用研究[D]. 西安科技大学, 2013.

[12] 邱兆文, 张田文. 文物三维重建关键技术[J]. 电子学报,2008, 36(12): 2423～2427.

[13] 卢超, 黄蔚, 胡国超. 基于图形数据结构的复杂对象建模设计[J]. 软件, 2015, 36(12): 220-223.

[14] 叶新, 潘清, 董正宏. 多领域建模仿真方法综述[J]. 软件,2014, 35(3): 233-236.

[15] 栾悉道. 三维建模技术研究进展.计算机科学[J]. 2008.