基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重建系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形領(lǐng)域，尤其涉及基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重建系統(tǒng) 及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前可以實(shí)現(xiàn)三維重建的技術(shù)主要有兩類。第一種類技術(shù)是利用配置有深度測量 裝置（如紅外測距裝置，激光測距裝置）的儀器實(shí)現(xiàn)三維重建如圖1-2所示，例如有用于對 大型場景進(jìn)行建模的大型三維掃描儀，也有用于小場景的深度攝像機(jī)等。這一類技術(shù)的優(yōu) 點(diǎn)是其精度較高，缺點(diǎn)成本較高不便于攜帶，適用范受限。第二類技術(shù)則是以單純的二維圖 像為輸入，通過算法來實(shí)現(xiàn)恢復(fù)目標(biāo)的三維結(jié)構(gòu)的目的。其基本思想是通過圖像之間的特 征匹配來建立多幅圖像之間的幾何關(guān)系，然后通過幾何約束來恢復(fù)每幅視圖的攝像機(jī)模型 參數(shù)與目標(biāo)的三維點(diǎn)坐標(biāo)。這種基于圖像的三維重建方法由于對設(shè)備要求低，普通相機(jī)拍 攝的圖像都可以拿來進(jìn)行重建，因此相比于第一類利用復(fù)雜儀器來重建的方法有著更廣泛 的適用空間。在全世界各國學(xué)術(shù)研究者的不斷努力下，基于圖像的三維重建算法的性能越 來越強(qiáng)大，重建的精度也越來越高，實(shí)用性也越來越強(qiáng)。Snavely等人在大量的研究基礎(chǔ)上 編寫了著名的Bundler程序，并能在普通的PC機(jī)上運(yùn)行。十多幅從不同角度拍攝物體的圖 像在Bundler程序下數(shù)十分鐘就能夠得到重建的三維點(diǎn)云。Snavely等人所在的BigSfM 組織正在努力實(shí)現(xiàn)利用因特網(wǎng)上下載的圖片來對世界進(jìn)行三維重建的目標(biāo)。然而，基于圖 像的三維重建技術(shù)還有相當(dāng)多的問題沒有解決，例如運(yùn)行的速度離實(shí)時(shí)的目標(biāo)還有較大差 距，在不同的數(shù)據(jù)中以難以有一個(gè)穩(wěn)定的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為克服上述的不足之處，目的在于提供基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重 建系統(tǒng)，由電腦、旋轉(zhuǎn)臺、數(shù)碼相機(jī)、相機(jī)支架組成，結(jié)構(gòu)簡單，解決了文物重建設(shè)備復(fù)雜，價(jià) 格昂貴的問題。
[0004] 本發(fā)明另一目的在于提供基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重建方法，通過對圖像 提取特征點(diǎn)并建立匹配關(guān)系，進(jìn)行多視圖重建，實(shí)施紋理映射，從而輸出三維文物模型；本 方法使用簡單、便于操作。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的：基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重建 方法，包括如下步驟：
[0006] (1)將文物圖像輸入計(jì)算機(jī)，對圖像提取特征點(diǎn)并建立匹配關(guān)系；
[0007] (2)根據(jù)特征點(diǎn)和匹配關(guān)系進(jìn)行多視圖重建，得到文物的三維數(shù)據(jù)；
[0008] (3)采用泊松方程對文物三維數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理映射，輸出帶紋理的三維文物模型。
[0009] 作為優(yōu)選，所述步驟（1)對圖像提取特征點(diǎn)并建立匹配關(guān)系的步驟包括：
[0010] (A)利用高斯卷積片段算法對文物圖像構(gòu)建得到高斯多尺度空間；
[0011] (B)在高斯多尺度空間內(nèi)檢測特征點(diǎn)，同時(shí)并行檢測局部極值和關(guān)鍵點(diǎn)，將檢測結(jié) 果整合成若干個(gè)數(shù)據(jù)分塊；
[0012] (C)基于數(shù)據(jù)分塊并行計(jì)算特征點(diǎn)之間的歐式距離，將相互距離最近的特征點(diǎn)兩 兩匹配在一起。
[0013] 作為優(yōu)選，所述步驟（2)進(jìn)行多視圖重建的方法為采用視圖之間的相對旋轉(zhuǎn)和平 移擬合全局的旋轉(zhuǎn)和平移，如下所示：
[0014] (a)利用RANSAC算法對本質(zhì)矩陣滿足關(guān)系計(jì)算得到本質(zhì)矩陣，分解本質(zhì)矩陣得到 二視圖的R、t ;
[0015] (b)利用相對旋轉(zhuǎn)矩陣擬合計(jì)算全局旋轉(zhuǎn)矩陣，關(guān)系式如下：
[0016] Rj= R J jRi, i, j e (1, 2, ... η)；
[0017] (c)將步驟（b)關(guān)系式拆分為三個(gè)子關(guān)系式，并分別求解；
[0018] (d)組合三個(gè)子關(guān)系式對應(yīng)的解得到原解，并采用三角化對其優(yōu)化，完成多視圖重 建。
[0019] 作為優(yōu)選，所述本質(zhì)矩陣滿足關(guān)系如下：
[0020] (K 1X) E (K' 1X,) = 0
[0021] 其中，K為攝像機(jī)內(nèi)參矩陣（x，x'）為齊次坐標(biāo)形式的匹配點(diǎn)對。
[0022] 作為優(yōu)選，所述子關(guān)系式的表達(dá)式如下：
[0024] 其中，k為1、2、3時(shí)對應(yīng)三個(gè)子關(guān)系式。
[0025] 作為優(yōu)選，所述步驟（3)進(jìn)行紋理映射的步驟如下：
[0026] (i)在視圖集合中進(jìn)行最優(yōu)視圖選擇，得到候選視圖集合；
[0027] (ii)對候選視圖集合的圖像一致性進(jìn)行分析校驗(yàn)，并構(gòu)建顏色自適應(yīng)模型；
[0028] (iii)采用泊松方程構(gòu)建約束求解顏色自適應(yīng)模型，得到連續(xù)一致的貼圖結(jié)果。
[0029] 作為優(yōu)選，所述步驟（i)最優(yōu)視圖的選擇標(biāo)準(zhǔn)為視圖的可見部分量化指標(biāo)。
[0030] 應(yīng)用如上所述方法的三維文物重建系統(tǒng)，包括：主機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、相機(jī)支架、旋轉(zhuǎn) 臺；數(shù)碼相機(jī)固定于相機(jī)支架上，相機(jī)支架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺的軸對稱直線上；主機(jī)分別與數(shù)碼 相機(jī)、旋轉(zhuǎn)臺連接。
[0031] 作為優(yōu)選，所述主機(jī)為電腦，帶有紋理存儲器、圖形硬件。
[0032] 作為優(yōu)選，所述主機(jī)通過電纜與數(shù)碼相機(jī)連接，控制數(shù)碼相機(jī)拍攝圖像；通過電纜 與旋轉(zhuǎn)臺連接，控制旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0033] 本發(fā)明的有益效果在于：（1)本發(fā)明系方法簡單，成本低，無需額外的控制設(shè)備； (2)本發(fā)明使用簡單、便于操作，只需將文物放入旋轉(zhuǎn)臺上，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)就可以輸出 具有表明紋理的三維文物數(shù)據(jù)；（3)本發(fā)明有效地提高了重建效率。
【附圖說明】
[0034] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)模塊的示意圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明方法流程的示意圖；
[0036] 圖3是本發(fā)明的特征點(diǎn)提取和匹配方法流程示意圖；
[0037] 圖4是本發(fā)明的文物紋理映射方法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于 此：
[0039] 實(shí)施例：如圖1所示，基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重建系統(tǒng)包括：電腦1、數(shù) 碼相機(jī)2、相機(jī)支架3、旋轉(zhuǎn)臺4 ;其中，數(shù)碼相機(jī)2固定在相機(jī)支架3上，且位于旋轉(zhuǎn)臺正前 方，相機(jī)支架3和旋轉(zhuǎn)臺4中心在同一直線上，從而使以旋轉(zhuǎn)臺以相機(jī)為中心呈對稱分布； 電腦1通過電纜控制旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)，并控制數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行定時(shí)拍攝；電腦內(nèi)帶有紋理存儲器 及圖像硬件、安裝了三維重建軟件。文物5放置在旋轉(zhuǎn)臺上，數(shù)碼相機(jī)2對其不同方位進(jìn)行 拍照。
[0040] 如圖2所示，基于計(jì)算機(jī)立體視覺的三維文物重建方法，具體如下：
[0041] 第一步，對已接收到的旋轉(zhuǎn)一周所有圖像提取特征點(diǎn)并建立匹配關(guān)系；如圖3所 示，所述特征點(diǎn)提取和匹配包括：
[0042] 1)對于輸入圖像，利用高斯卷積片段程序加速高斯多尺度空間構(gòu)建，
[0043] 2)計(jì)算結(jié)果存儲在RGBA紋理存儲器內(nèi)，從事能夠?qū)嵤┎⑿邢蛄坑?jì)算。
[0044]