[发明专利]基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法

权利要求书

1.一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，其特征在于包括以下步骤实现：

步骤S1：将一张待重建文化遗存遗址场景的图像或相片输入计算机；

步骤S2：采用手动或自动的方法从步骤S1中所述图像中提取X、Y、Z三个垂直方向的平行直线簇，并将提取的直线簇分成三组；

步骤S3：利用步骤S2提取的X、Y、Z方向的三组平行直线簇计算X、Y、Z三个主方向灭点，得到三个主灭点；

步骤S4：利用步骤S3计算的X、Y、Z三个主灭点，根据三个主灭点计算相机内参数矩阵K及外参数矩阵R、t完成相机标定，即求取投影矩阵P；

步骤S5：在三维空间中设定参考平面及参考方向，其中所述参考平面为空间直角坐标系的XY平面，所述参考方向为空间直角坐标系的Z方向，在所述参考方向上建立多个平行于参考平面的平行平面，利用反投影射线与平行平面的交点完成三维点重建，得到点云；

步骤S6：对步骤S5重建的点云进行点云网格化及纹理映射完成真实感三维模型重建；

其中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：将步骤S3解算的三个主灭点所构成三角形的垂心设置为像主点，根据垂心计算公式解算像主点坐标；

步骤S42：定义相机的中心为投影中心，投影中心到像平面的垂直投影点为像主点，投影中心与像主点间的距离为相机焦距；所述的投影中心、三个主灭点构成一个直角三角椎体，该椎体以投影中心为顶点、三主灭点构成的三角形为底面，顶点到底面的高为相机焦距，根据三角形相似及勾股定理计算相机焦距,通过步骤S41、S42确定相机内参矩阵K；

步骤S43：选取三个主灭点方向为世界坐标系的三个坐标轴，通过透视投影方程确定旋转矩阵R；

步骤S44：选取世界坐标系原点的图像坐标，通过透视投影方程确定平移向量t；

其中，所述步骤S5三维点重建具体包括以下步骤：

步骤S51：建立多个平行于参考平面的平行平面，用以完成基于单幅图片的三维重建；设定世界坐标系XOY平面为参考平面Π₀，世界坐标系Z轴方向为参考方向；

步骤S52:根据透视投影变换，解算某一平行平面Π_i到参考平面Π₀之间的距离d及平行平面Π_i的齐次方程Π_i＝[0 0 1 -d]；

步骤S53：设定投影中心和像点的连线为反投影射线，计算反投影射线与平行平面的交点来重构相平面中任意可见点所对应的空间三维点；

步骤S54：对于不可见点及遮挡点采用灭点几何原理，通过求取多条直线的最优交点来确定不可见点的图像坐标，再利用步骤S53求取该点对应空间三维点。

2.根据权利要求1所述的一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，其特征在于：所述步骤S1中的图像为照片或图片的数字化影像，图像的数字化分辨率为600dpi～1200dpi。

3.根据权利要求1所述的一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，其特征在于：所述步骤S2中的手动方法具体为：用户根据输入的图像选取建筑骨架线，运用交互式方法分别在X、Y、Z三个垂直方向上绘制三条或四条直线，根据用户绘制的直线方向，依据空间直角坐标系三个坐标轴方向完成直线分组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中的自动方法具体包括以下步骤：

步骤S21：对待提取的图像进行图像预处理，具体包括：利用Ostu阈值分割算法对图像进行分割用以提取待重建建筑物目标区域，利用数学形态学原理清除图像中的孤立点，对图像进行细化处理；

步骤S22：利用步骤S21预处理完成的图像，采用Canny边缘检测算法提取目标区域的边缘图像；

步骤S23：利用步骤S22提取的边缘图像，采用累计概率霍夫变换，通过将同方向、间隔短的直线段合并为一条直线提取长直线；

步骤S24：利用步骤S23提取的长直线，采用角度和距离的共同限制，将提取的直线分成与空间坐标系三个坐标轴对应的三组。