[发明专利]基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机虚拟现实、图像建模技术、计算机视觉以及摄影测量领域，特别是一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法。

背景技术

文化遗存遗址是古代劳动人民伟大创造和聪明智慧的结晶，是历史高度、文化厚度、自然生命的沉淀，是研究古代历史、文化、艺术、科学技术发展的及其重要的实物资料。它们经历了长时间的风化侵蚀、历史变迁，遭遇着由于现代社会经济的高速发展、人类频繁活动的破坏和冲击，其中一部分已损坏或不复存在。然而随着社会对文化遗存遗址保护意识的增强及现代旅游业的迅猛发展，人们渴望恢复重建这些老旧的遗址文物，以便能够让其继续存留下来，提高文化遗存和文化内涵的形象，更大范围的向世人展示这些文化遗存遗址独特的文化、科学、艺术价值，以此来促进人们对文化的理解，提高传播和弘扬文化的能力。所以在现有数据的基础上如何恢复重建出这些已破坏或不复存在的文化遗存遗址是文化遗产保护和文化旅游宣传共同需要解决的重要问题。

目前，文化遗存遗址的三维模型的获取要有三种方式：第一种是组织人力进行现场采集测量，以此积累的建筑工程测绘图纸和文档资料；第二种是基于现代激光扫描设备所采集的高精度离散点云数据；第三种是借助数码相机获取的古建筑二维影像数据。对应于三种不同的数据源有三种不同的遗存遗址三维模型构建方式：1）基于3DMAX、AUTOCAD、CREATOR等建模软件的参数化建模技术，这种方法虽在一定程度上构建了精细的古建筑三维模型，但该技术建模周期长、操作过程复杂、需要专业熟练的操作人员，对于非专业人员的实时获取三维模型就显得尤为困难。2）基于深度数据的三维建模技术，该方法虽可以获取高精度的三维模型，但需要借助高昂的扫描设备，数据自动化处理程度低，工作量大。3）基于图像的三维重建技术是以计算机视觉和数字摄影测量理论为依托，运用单幅图像或多幅图像，通过图像匹配、相机标定、三维重构等一系列步骤重构三维模型。该方法不需要专业的建模人员，重建成本低、周期短，自动化程度高，且可以构造出照片级真实感的三维模型。

基于图像的三维重建技术根据所利用的图像的数目不同可以分为基于多张图像的三维重建及基于单张图片的三维重建。研究人员对于多张图片的三维重建（又称为基于图像序列的三维重建）多采用从运动中恢复和从轮廓中恢复两大主要方法。基于多张图片的三维重建需要在多张图片中寻找特征点，计算量大、过程复杂且易受拍摄角度及成像过程的影响，当仅存一张图片时无法采用该方法进行三维重建。基于单张图片的三维重建可以根据单张图片中的信息利用不同约束重建三维场景，这里的约束有透视变形约束、反射模型约束两种。

专利号为CZ103824323A，发明名称为“一种基于单幅二维图像的三维重建方法”的专利提出了一种利用反射模型约束从单幅图形重建三维场景的方法，通过二维灰度图像计算朗伯体表面反射模型（ambertian surface reflection model），将模型进行逆求解解算像点深度信息。这种方法快速且适用广泛，但重建精度较低且对图像拍摄要求较高，对于凹凸面不能实现唯一重建，所以对于规则形体的单张三维重建不太适用。

专利号为CN1453740A，发明名称为“由单幅图像测量场景及场景内物体几何信息的方法”的专利提出了一种基于单幅图像的场景测量方法，该方法可以对场景内任意平面的信息进行度量，但要利用这些测量信息进行三维重建需要借助第三方软件，没有形成一个完整的单幅三维重建系统。

专利号为CN104143211A发明名称为“基于单幅图像的三维自由形体生成方法”和专利号为CN102855665A发明名称为“从单幅图像重建三维建筑模型的方法”分别介绍从单幅图像恢复曲面形体的方法，但方法都仅适用于非规则形体，忽略了规则形体的三维重建。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，可以借助本发明在同一系统内完成规则形体及非规则形体的三维重建，整个重建过程以面为单元，重建过程更为灵活。

本发明采用以下方案实现：一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，具体包括以下步骤实现：

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；