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利用Sketchup 實現(xiàn)影像中地物的三維重建

2016-11-14 00:07張冠文
電子技術(shù)與軟件工程 2016年18期

張冠文

摘 要

隨著多學(xué)科知識的融合發(fā)展,數(shù)字攝影設(shè)備的普及與完善,采用規(guī)劃設(shè)計為主的sketchup軟件,通過透視學(xué)的方法研究也能用于測量工作,以幾何方法來表達真實的空間三維結(jié)構(gòu)。此方法多可運用于建筑物三維結(jié)構(gòu)測量與二維平面圖的測量。

【關(guān)鍵詞】透視學(xué) 透視投影 心點 滅點 視中線

透視學(xué)是在平面上再現(xiàn)空間感立體感的方法和與此相關(guān)的科學(xué)研究。有廣義和狹義兩種解釋,狹義透視學(xué)特指14世紀開始逐步確立的描繪物體、再現(xiàn)空間的線性透視和其他科學(xué)透視的方法,現(xiàn)代對于人的視知覺的研究拓展了透視學(xué)的分析領(lǐng)域。而SketchUp是一個易于使用的三維設(shè)計軟件,它的主要特點就是使用簡便,可以快速上手。

本文通過利用照片影像經(jīng)過透視變換,采用SketchUp軟件實現(xiàn)影像中地物的三維重建,嘗試獲得地物的坐標(biāo)位置。

1 透視投影基礎(chǔ)知識與三維重建

1.1 透視投影體系及其特點

因為距離、位置等因素的不同,在視覺中就會產(chǎn)生遠低近高、遠小近大、遠密近稀等形狀改變的感覺,這種現(xiàn)象就是我們所說的透視。透視圖又分為一點透視(平行透視)、兩點透視(成角透視)、三點透視(斜透視)。用中心投影原理形成的透視圖是單面投影立體圖,效果與照片一樣,逼近肉眼觀察的實際效果,空間立體感和真實感很強。利用相機將影像保存下來,將其代替人眼的觀察進而進行數(shù)據(jù)的獲取,就能夠得到相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖1中標(biāo)注信息解釋透視投影中常用名詞如下:

基面、畫面、視點、視線、基線、視平線、視高、心點、站點、視距、滅點。

1.2 各種透視投影的三維重建特點

1.2.1 一點透視

這種透視方法中,物體的一個主要的面和畫面平行,在透視圖中,這個面只會因為遠近產(chǎn)生大小變化,形狀上不會產(chǎn)生變形。當(dāng)立方體的一個面平行于畫面時,有兩組輪廓線平行于畫面,造成沒有滅點。一組輪廓線垂直于畫面,滅點即為心點。所以在一點透視的攝影平面圖中,僅由二維圖像中的信息無法確定視距,所以必須給定視距,視點坐標(biāo),并且已知像中心點坐標(biāo)值。這樣就造成在實際操作過程中的不便利。

1.2.2 兩點透視

這種透視方法物體的前面兩個立面均與畫面成傾斜角度,另外一組與基線平行。此時物體上鉛錘輪廓線與畫面平行,另外兩組主要輪廓線與畫面傾斜相交,并在畫面的視平線形成兩個滅點。

1.2.3 三點透視

建筑物的三組主向輪廓線均與畫面相交,在畫面上形成了三個滅點,這樣畫出的圖稱為三點透視。當(dāng)畫面向視點方向傾斜時,第三個滅點在視平線上方,形成仰視效果,當(dāng)畫面向后方傾斜式,第三個滅點在視平線下方,形成俯瞰效果。

2 利用Sketchup透視測量

2.1 透視投影三維重建坐標(biāo)反求(如圖2)

通過實際操作過程中發(fā)現(xiàn)sketchup采用的透視投影方法為兩點透視加標(biāo)定總比例間距的方法。理論方法如下:

把A點作為物體坐標(biāo)系的原點,AB為X方向,AD為Y方向,則AA為Z方向。該投影面P通過物體坐標(biāo)系的原點。延長AB、AB、DC交與X∞,延長AD、AD、BC交與Y∞。在畫面P的法線方向以| X∞ Y∞|為半徑作半圓,過圖像中心K作視平線X∞ Y∞的垂線,與半圓的交點即為視點S。其中a為畫面法線與Y軸之間的夾角, 求得視軸SK相對于原點A的位移矢量AK(XK,YK,ZK)的值與視點的位置矢量(XS,YS,ZS)。

在圖2中,連接SX∞、SY∞、以X∞為圓心,|X∞S|為半徑作圓,交視平線與距點S、以Y∞為圓心,|Y∞S|為半徑作圓,交視平線與距點s"。在畫面P中過點A作AA的垂線m,連接距點S與B點,交直線m與E,則AB的實際長度為|AE|。同理,連接距點S"與D點交直線m與F,則AB的實際長度為|AF|。AA在畫面上透視后不發(fā)生變化。

已知點A、B、C、D、A、B、C、D的二維坐標(biāo),立方體的長、寬、高可求的條件下,則可以求出立方體特征點的坐標(biāo)。

2.2 Sketchup透視測量

2.2.1 前期外業(yè)測量

攝影前應(yīng)在被攝物體上固定有標(biāo)尺貼片,或者在有固定坐標(biāo)位置設(shè)置標(biāo)尺,利用畸變較小的大幅面短焦數(shù)碼相機拍攝獲取照片。

2.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

(1)打開sketchup軟件,新建項目,制定保存路徑。

(2)找到相機選項卡,選擇新建照片匹配,導(dǎo)入需要編輯的照片。

(3)依據(jù)被攝地物的邊線調(diào)整軸線,軟件會自動計算出被攝物體軸線滅點。(注意選擇軸線盡量包含整個影像地物,這樣可以減少由于地物自身軸線不垂直造成的誤差)然后將坐標(biāo)軸放在影像中地物能檢查出豎軸是否與地物重合。

(4)調(diào)整數(shù)軸中固定位置的間距,每個格網(wǎng)代表間距的距離,在圖像中找出標(biāo)尺的位置后將格網(wǎng)固定并將標(biāo)尺的數(shù)字輸入軟件點擊完成。這時對于影像中的透視投影建立在同一坐標(biāo)系,調(diào)整后的標(biāo)尺尺寸就為整個坐標(biāo)系的真實尺寸。

(5)下面就可以利用軟件繪圖的功能進行對地物的形狀進行繪制成圖。并可根據(jù)需要導(dǎo)出三維或者二維圖形。如圖3。

3 結(jié)論

SketchUp是相當(dāng)簡便易學(xué)的強大工具,可以迅速地建構(gòu)、顯示、編輯三維建筑模型,同時可以導(dǎo)出透視圖、DWG或DXF格式的2D向量文件等尺寸正確的平面圖形。針對如今近景攝影測量多采用的立體像對方法來說是一種測繪技術(shù)的補充,它只需要普通相機即可獲得相關(guān)數(shù)據(jù),為建筑物的三維重建,為地物測量的過程能夠降低成本,提高效率提供了方法。

參考文獻

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