[发明专利]基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法

摘要

本发明涉及一种基于单幅图像文化遗存遗址的三维重建方法，首先将单张图像输入计算机；通过交互式手动或自动的图像处理方法，提取图像中三个主方向上的平行直线簇；并将平行直线簇分组，通过灭点重心求取法求取每组平行直线簇对应的灭点；利用灭点与相机内外方位元素的几何关系进行相机标定，在世界坐标系下建立一系列平行于参考平面的平行平面；通过反投影射线与平行平面的交点完成像点对应空间点的三维重建；对重建的图像点云进行点云网格化及纹理映射完成真实感三维模型的构建。本发明可以利用单张图像进行三维重建，对于仅存留一张照片且目前不复存在或损坏的古建筑三维重建尤为适用，有助于文化遗存遗址的数字化保护和文化旅游的宣传。

主权项

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Πi到参考平面Π0之间的距离d及平行平面Πi的齐次方程Πi＝[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。