基于球形投影几何的多分辨率全景三维建模研究

Panorama can provide 360 degrees view in one hotspot. However, beside the visualization for the scene browsing, these panoramic images can't support precise measurement for the scene from the images. Users generally pay more attention to spatial measurable information of the object besides the field of survey. Therefore, construct one panoramic model which could support measurement and analysis would have more extensive prospects. Currently, panoramic three-dimensional reconstruction is mainly applied in city buildings and other artificial objects, which is implemented by conventional imaging sequences method，it needed complex calculations, many control points and bundle adjustment to acquire three-dimensional model. For the aim to realize measurement and analysis on the panorama, this project will do research on one method to construct multi-resolution panoramic three-dimensional modeling based on spherical projective geometry, the method can provide more detailed textures and measure objects of interest in stereo panorama. On the technology level, we need to address the following three questions: (1) Research and construct a set of dynamic multi-solution spherical panorama models; (2) Analyze and construct the spherical projective geometry model, and derive the mathematical expressions for spherical panoramic epipolar geometry ; (3) Research and construct three-dimensional measurement model for spherical panoramic images, and study corresponding precision analysis. This project applies panoramic images to clarify the method and calculation of the proposed panoramic three-dimensional model, moreover, the research results will have great value to the development of virtual augmented reality and 3D modeling theory and methods.

全景影像可为观察者提供某一地点360度方位的景观浏览，但这类全景影像不能提供对场景的定量分析，即缺乏可精确度量的特性。构建可提供空间度量分析功能的全景模型在包括测绘在内的众多领域具有广泛的应用前景。目前，全景三维重构主要应用在人工构筑物等对象，通过常规的多方位影像序列实现，其影像之间定位计算复杂，需大量控制点，并结合光束法平差获取构筑物的三维模型。本课题探索基于球形投影几何的多分辨率全景三维建模方法，以提供更丰富纹理细节及空间量测分析功能。就技术实现层面而言，需解决以下三个问题：(1)研究构建动态多分辨率球形全景影像模型；（2）分析并构建球形全景内在的双球形投影几何关系，推导出其核线数学表达模型；（3）研究构建球形全景量测模型，并进行相应的精度分析。项目以实地采集的全景影像数据为背景，阐明球形全景三维模型构建的方法与计算过程，研究成果对发展虚拟增强现实、三维建模理论与方法具有重要价值。

背景：构建全景的立体视觉系统已成为近景摄影测量与计算机视觉领域中的一项重要研究热点。以往研究工作主要集中全景影像的拼接缝合与全景相机的研制，缺乏立体全景可量测性。针对全景影像难以提供空间度量的问题，已有的三维全景重构方法采用常规的多方位影像序列，影像之间定位计算复杂，需要大量控制点，并结合光束法平差解算，虽然结果较好，但主要在于通过构建全景影像来实现整体性重构目标对象的三维模型，因其复杂不适于一般性景观浏览中量测应用。主要研究内容：(1)球形全景影像几何模型构建，作为全景量测模型的建立，数值计算必须由球面点开始，因此研究构建全景影像拼接缝合算法的同时，建立全景影像上像素点坐标与对应球体模型上球面坐标的对应关系；（2）球形全景双球形投影几何关系及其核线数学表达模型构建。通过对球形全景影像的投影几何研究，基于共面方程建立该类影像的核线几何模型，推导出数学方程及其特性，为核线在球形全景影像中的应用提供了理论基础。此外，还可利用计算机视觉原理的本质矩阵也建立起全景影像的核线几何模型，推导出其数学方程及特性，对核线影像的分布规律进行了统计分析，实验证明该球形全景核线方程的正确性与可行性，并与摄影测量方法推导核线几何关系进行对比分析；（3）球形全景量测模型构建。依据球面全景投影关系与多视几何原理，采用对应变换与本质变换求取旋转及平移参数，在此基础上，建立起双球面投影几何的立体全景模型，解决了球面全景的量测问题，实验结果表明，全景影像在真实呈现户外场景的同时，提供满足定应用需求的量测分析功能。另外，也可通过过构建球形全景投影下的相对定向、绝对定向及量测等算法解决景观浏览中的量测性问题。（4）全景模型与其他数据的整合模型构建。结合全景影像数据，地形数据，构筑物三维数据等，研究构建综合多类数据、查询浏览、量测分析等的网络服务功能整合模型。科学意义：（1）全景本身即是一种建模表达方式，可提供全方位景观浏览，其获取数据便捷，表达方式简捷，一旦具备可量测性，则可为3D GIS 提供一种较好的景观表达方法，作为对现有三维对象建模方式的补充；（2）全景影像核线约束可限制同名像点的搜索范围，显著提高计算效率和可靠性。（3）该项研究对发展虚拟与增强现实、三维建模理论与方法具有重要价值。