基于数字近景摄影测量的三维建模与虚拟现实技术

=C
铁< 道< 勘< 察
=AAC 年第 B 期
个鼠标、 游戏杆或其他跟踪器， 随意 “ 行走” 在虚拟的 环境中。虚拟现实还是一个设计工具， 它以视觉形式 反映了设计者的思想， 可以把设计者的构思变成看得 见的虚拟物体和环境。 随着二维数字地图应用的深入研究， 人们越来越 多地要求从三维空间来分析和处理问题， !" 技术正 是二维数字地图向三维可视化地图发展的纽带。 目前， 虚拟现实技术 （ !" 技术） 的应用大多限于 满足视觉的需要。如何有效地将数字地图技术与三维 可视化技术结合起来， 是许多测绘工作者关注的问题。 本文以福建信息职业技术学院螺洲校区虚拟漫游系统 建立为例， 结合现有的二维数字地图， 讨论将近景摄影 测量应用于建筑物的三维建模， 应用 #$%&’()* +,)-&., 结合 +/0 建立三维虚拟场景， 应用 #$%&’()* !)1- 实 现三维漫游。
5 !6 7 边馥苓8 地理信息系统原理和方法5 96 8 北京: 测绘出版社; !<<= 5 )6 7 史文中8 空间数据误差处理的理论与方法 5 96 8 北 京: 科学出版 社; !<<, 5 -6 7 张祖勋; 张剑清8 数字摄影测量5 96 8 武汉: 武汉大学出版社; )"""
!" 与当前国内外同类技术的综合比较
:; :< 近景摄影测量原理
近景摄影测量中物点坐标 （ !" 、 #" 、 $" ） 与像点坐标 （ %" 、 &" ） 的函数式为 ): ! " ’ )= # " ’ )> $ " ’ )? % " ’ 4% ": ’ 4% "= ’ 4% " ( )@ ! " ’ ):A # " ’ ):: $ " ’ : & " ’ 4& ": ’ 4& "= ’ 4& " ( )B ! " ’ )C # " ’ )D $ " ’ )E )@ ! " ’ ):A # " ’ ):: $ " ’ :
用最小二乘法平差解算相应的物点坐标 （ !" 、 #" 、 $" ） ， 可用于三维建模。
:; =< 摄影距离的确立
为了使影像清晰， 拍摄时不仅使用三角架， 还应计 算调焦距以控制超焦距。 依据摄影测量知识， 与调焦距 . 相应的前景距 .: （ 清晰范围的起点距） 和后景距 .（ = 清晰范围的终点 距） 分别为 .: ( ./= /= ( 2 01 / ’ .01
:; >< 数码像机的标定
数码像机的检定可以采用室内检定场或便携式检 定系统， 而采用平面法更加简便易行。由绘图仪绘制 高精度平面格网， 绘制精度 H A; : 55， 各网格交点的 平面坐标为已知， 高程为 A 。 在平面格网的四边上， 数码像机取水平、 竖直左、 竖直右方式， 固定焦距、 光圈， 各拍摄 > 张像片， 获取不 同方位、 角度下的方格网影像计 := 张， 像片影像覆盖 目标 :AAI 。用最小二 乘 法 平 差 求 出 数 码 像 机 的 各 参数。
（:） < < 式 （:） 中： 物点坐标为 （ !" 、 #" 、 $" ） ； 像点坐标为 （ %" 、 &" ） ； 径向畸变改正数 （ ! %: 、 包含改正系数 （ *: 、 ! &: ） *= ） ； 切向畸变改正数 （ ! %= 、 中包含改正系数 （ +: 、 ! &= ） += ） ； 像点坐标量测误差为 （ ! %" 、 ； ): F ):: 包含 C 个 ! &" ） 外方位元素 （ "、 !, 、 #, 、 $, ） 、 > 个内方位元素 （ -、 #、 $， %A 、 &A ） ， 以 及 坐 标 轴 纵 横 坐 标 比 4,， 坐标轴不正交 性 4%。 #" 、 $" ） ， 以及量取 预先通过一定量的已知点 （ !" 、 相应的像点坐标 （ %" 、 &" ） ， 采用最小二乘法平差， 解求 非量测数码像机的内方位元素 （ -、 %A 、 &A ） 、 径向畸变改 正数包含改正系数 （ *: 、 *= ） 、 切向畸变改正数中包含 改正系数 （ +: 、 += ） 的过程， 称为非量测数码像机的标 定。用定标后的非量测数码像机在固定参数下摄影，
%& ’( )*+ 辅助建立三维线框模型
*,-.)*+ 提 供 了 / 种 坐 标 系， 即世界坐标系 （ 0)1） 和用户坐标系 （ 2)1 ） ， 世界坐标系是默认的坐 标系， 其位置固定不变， 始终把坐标原点设在视口的左 下角； 而用户坐标系则是一个活动的坐标系， 根据描述 问题的需要， 其原点位置、 坐标平面都可以改变。利用 2)1， 可以把三维空间的问题转化为简便的二维平面 来解决。 在 *234)*+ 中， 根据建筑物特征点间的相互位 置、 几何关系， 对部分遗漏的点采用几何作图、 实地量 测等方式进行增补， 建立线框模型 （ 见图 % ） 。
#" 结束语
本系统的研究因涉及数字摄影测量、 图形图像处 理、 数据库应用、 铁路选线设计等多个庞大学科的知识 体系， 属于多学科的综合应用开发研究。限于研究者 知识水平所限， 只能算是一个起步。但我们认为， 进行 该领域的应用开发研究应该是未来的发展方向之一， 对铁路选线设计而言， 具有良好的应用前景。 参 考 文 献
图 #" 建模效果 "
#" 建立其他三维虚拟场景
图 !" 摄站布局及三维线框模型
%& 5( 6,7-89:; )<:=-.< 三维建模
6,7-89:; )<:=-.< 中数据库采用树状的层次结构。 它的顶端是树的根， 称之为数据库 （ >? ） ， >? 下面管辖 ， 集合下面管辖了许多个对象 了许多个集合 （ @<.,A ） （ .?B:C-） ， 对象下面管辖了许多个面 （ D=C: ） 。在 6,-8E 9:; )<:=-.< 中， 所有的模型都是由一个个面组成的， 面 是组成各种模型的基本单位。面底下管辖了许多条边 ， 边管辖了许多个点 （ F:<-:G ） ， 但在层次结构视 （ :>@:） 图中不显示出边与点。 6,7-89:; )<:=-.< 导入 *234)*+ 的线 （ 78;:H） 对应 )*+ 的层， )*+ 的线在 )<:=-.< 中表示为面， 一栋建筑
=
( (
. /= ’. 01 . /= 4. 01
) )
(
3. 3’. 3. （=） 34.
.= (
./= Fra Baidu bibliotek= 2 ( 01 /= 4 .01
(
< < 式 （=） 中， / 为像机焦距， * 为光圈号数， 1 为模糊 圈直径， 且 /= 01
!" 建筑物的三维建模
#$%&’()*23-,-4’15 公 司 的 #$%&’()* +,)-&., 是 实 时三维建模软件， 是一个功能强大、 交互的三维建模工 具， 其 67)* 8%’19& 数据库格式已成为业界标准。但它 无法进行精确建模。而近景摄影测量结合 +/0， 特别 适合于建筑物的三维建模。
:; ?< 空间点三维信息提取
利用检校后的数字照像机， 环绕建筑物一周， 首尾 相连设置摄站， 相邻像片影像重叠 CAI 以上。 先采用人工方式点取所有特征点， 选择相邻像片 C个 （ C 个以上） 同名点并量取像片坐标。相邻两像片 依次完成相对定向， 多片像片构成 “ 航带” ， 多条 “航 带” 构成 “ 区域” 。最后完成所有模型间的相对定位。 相邻两像片相对定向后， 依据共面条件方程进行
3 (
（>）
< < 式 （>） 中， 3 为超焦点距离， 即超焦距。超焦距以 远的目标， 其距离都认为是无穷远， 构像均是清晰的。 * G == ， 1 G A; AAB ， 当 . G A; C 5 若取 / G :? 55， 时： 3 G :; DE= 5， .: G A; ??@ 5， .= G A; @A? 5， 即清晰范 超焦距 :; DE= 5 以远距离。像 围为 A; ??@ F A; @A? 5、 机检定时使平面方格网距物镜的距离控制在景深范围 内， 而大型目标的摄影距离控制在超焦距 :; DE= 5 以 远距离。
收稿日期： )""= ", ), 第一作者简介： 陈信华 （ !<>" —） ， 男， )""= 年毕业于武汉大学遥感与航 测专业， 工程硕士， 讲师， 工程师。
是通过计算机图形构成的三维数字模型， 产生逼真的 “ 虚拟环境” ， 使用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环 境的感觉。虚拟环境是一个开放、 互动的环境， 通过控 制与监视装置影响或被使用者影响， 用户可以使用一
基于数字近景摄影测量的三维建模与虚拟现实技术： 陈信华7 林修锬7 周7 苏
)@
基于数字近景摄影测量的三维建模与虚拟现实技术
陈信华! 7 林修锬) 7 周7 苏（ !? 福建信息职业技术学院，福建福州7 -@""!< ； )? 福建省地质测绘院，福建福州7 -@""!! ； -? 三明市瑞云新区建设有限公司，福建三明7 -=@""" ）
!"#$$ %&’$()&*(+, -*.$,&(/ +(. 0&#12+, 3$+,&14 !$5"(*,*/4 6+)$ *( %&/&1+, 7,*)$ 3+(/$ 8"*1*/#+’’$1#4
1ABC $(CAD&7 2(C $(DE&C7 FAGD HD
" " 摘" 要" 根据数字近景摄影测量的原理和方法， 运用非量测数码像机进行建筑物外形的量测， 应用 9DIE(*BC7 1JB&EGJ 结合 10# 技术， 建立三维虚拟场景， 应用 KBL& MJ(NB 实现三维漫游。 关键词" 虚拟现实7 三维建模7 近景摄影测量 7 7 虚拟现实技术 （ K(JED&I /B&I(EO ） 简称 K/ 技术， 它
当前， 国内外同类研究大多是基于三维景观， 属平 面图形系统。与本系统的三维立体图形系统有本质区 别。表现在以下几方面： （! ） 对硬件要求比前者高。前者只需单影像信号 源， 而该系统需两个影像信号源， 通过产生视差， 形成 立体。因此， 要具备专门立体图形显示系统。不仅能 在计算机屏上， 甚至是在大型投影中， 均能显示身临其 境的立体感观。为此， 研制了专门的图形显示卡。 （万方数据 )） 处理的图形图像文件比平面图形大得多。目
对象构成一个集合 （ 如： KL+M ） 。在对象下， 捕捉节点 构面。构面时必须是尽可能简单的图形， 如三角形、 多 边形， 不能为重叠、 交叉的图形。面的构建对不同的建 筑物给予区别对待， 重要的建筑， 模型就建得越详细， 面片数也越多； 次要的建筑， 模型就建得越简单， 面片 数也就越少。这样就能充分利用实时漫游系统有限的 宝贵内存。 建筑模型的美观性、 逼真性主要是通过对实际建 筑的纹理来体现的。根据建造好的模型对照片进行处 理， 如扭曲、 旋转、 投影变形、 裁切等， 并通过变换图片 的数据格式， 或者使用透明纹理、 子纹理的方法减小其 占用的内存容量。纹理图片的排列顺序也很重要， 最 常用纹理应该排列在最左下角， 而最不常用的排列在 右上角。这样规则的排列， 一方面可以防止重复装入 纹理， 占 用 内 存， 另 外 可 以 加 快 显 示 速 度， 6,7-89:; )<:=-.< 建模效果如图 / 所示。
$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 生成线路横断面。 前， 普遍流行的图形图像软件大多只能显示不超过 ) 按给定的两点坐标生成断面。 （ !" ） 能对线路进行工程数量计算， 并自动入库、 分类、 统计汇总和产生报表。能对线路平面、 纵、 横断 面按规定样式， 分图层进行 #$% 格式的矢量图形文件 输出。 （ !! ） 实现了线路竣工后多方式立体漫游， 并可按 &’( 文件格式进行多媒体输出。 （ !) ） 研制了用于大型投影的高端立体图形分 频卡。 *+ 的图形文件， 甚至于更小。而本系统能读写和显 示超过 ," *+ 以上的图形图像文件， 为建立大立体场 景打下了基础。 （- ） 通过 ./0123 数据库， 能有效管理立体方式 的多源数据， 建立了工程项目信息系统。 （4） 提供了立体方式下多方法的数字选 线 设 计 工具。
万方数据 量取目标物特征点的像点坐标 （ %" 、 &" ） 后， 依式 （:） 采
基于数字近景摄影测量的三维建模与虚拟现实技术： 陈信华( 林修锬( 周( 苏
/O
相邻像片的同名点匹配， 再以最小二乘法求解所有特 征点三维坐标。 此时特征点三维坐标是重心坐标系的坐标， 然后 选择其中 ! 点， 由数字地图、 或采用电子全站仪确定其 三维坐标， 将摄影测量坐标经空间变换到地面坐标系 坐标。 为了保持空间点的位置关系， 常加以约束条件， 如 点的共线、 共面， 两边夹角、 两面夹角为 "#$ ， 以及轴线 间相互平行等关系。