基于普通数码相机近景摄影测量的三维模型建立

基于普通数码相机近景摄影测量的三维模型建立

作者：吕晓东

来源：《中国科技博览》2013年第36期

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【摘要】：介绍以普通数码相机作为影像信息的获取手段，对控制点的数量、分布、精度、影像获取及其量测方法、数据处理解算方法、解算精度、获取的摄影信息通过Photomodeler Scanner软件进行三维建模等问题进行研究。 【作者单位】：福建省泉州市港口管理局泉州航道站 【关键字】：数码相机 近景摄影测量 Photomodeler Scanner 中图分类号：P23

近景摄影测量是通过摄影（摄像）和随后的图像处理和摄影测量处理以获取被摄目标形状、大小和运动状态的一门技术。

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随着摄影测量经过模拟摄影测量、解析摄影测量的发展，数字化摄影测量已比较成熟。而数字化近摄影测量作为它的一个应用领域，在许多方面具有优越性，据世界各国的应用情况表明，现几乎找不到未使用近景摄影测量技术的行业。所以，对近景摄影测量技术进行理论和应用研究是必要的，对提高工作效率和促进国民经济发展具有实际意义及使用价值。 1基于普通数码相机的近景摄影测量的原理

在摄影测量学中，为了从所获得的影像确定被研究物体的位置、形状和大小及其相互关系等信息，需要了解和掌握物方和像方之间的解析关系，这对于摄影测量的解析数据处理是十分重要的。

1.1摄影测量常用坐标系

为提取目标信息，在摄影测量像片的解析处理过程中将会涉及不同的坐标系统，要解决如何由影像上某点的坐标求出相应地面点的坐标等问题就要知道各坐标之间的转换关系[3]。摄影测量中常用到的坐标如下图1-2所示： 1.2影像的内外方位元素

像片的内方位元素和外方位元素是确定像片（及光束）在物方空间坐标系中的位置与朝向的要素。像片内方位元素是恢复（摄影时）光束形状的要素；相片外方位元素是确定此光束在物方空间坐标系中位置与朝向的要素。 （1）内方位元素

恢复（摄影时）光束形状的要素称为像片的内方位元素。内方位元素是确定摄影中心S与所摄像片P相对位置关系的要素，依据此相对位置即可恢复摄影时光束的形状。若有四个框标构像在像片P上，如图1-3所示，它们构成一个框标坐标系。

像主点在此框标坐标系内的坐标（Xo，Yo），以及主距f，即称之为像片P的内方位元素。借助内方位元素可唯一的确定摄影中心与所摄像片间的位置关系，即恢复光束（光线Sa，Sb，Sc，…）在摄影时的形状。 （2）外方位元素

外方位元素是确定光束在给定物方空间坐标系D-XYZ中位置与朝向的要素。外方位元素有六个，三个外方位直线元素和三个外方位角元素。三个直线元素，即坐标值（Xs，Ys，Zs），用以形容光束顶点（摄影中心）S在物方空间坐标系的位置；而三个角元素，即三个角度（φ， ω，κ），用以形容光束在物方空间坐标系中的朝向，如图1-4所示： 1.3共线条件方程式

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共线条件方程式是描述像点、投影中心点以及物方点应位于一直线上的一种条件方程式。近景摄影测量中绝大多数的解算方法均基于共线条件方程式，例如近景摄影测量的（单像）空间后方交会解法、近景摄影测量的（多片）空间前方交会解法、近景摄影测量的多种光线束解法以至直接线性变换解法等。 1.4共面条件方程式

共面条件方程式是描述像片对内摄影基线以及同名光线应位于同一平面的一种条件方程式。依据此条件方程式，借助像片对内影像的内在关系（同名光线应在同一平面内，同名核线应在同一核面内），可直接构成与被摄物体相似的几何模型。按照这个理论形成了近景摄影测量的另一种解析处理方案，即顺次进行内定向、相对定向与绝对定向的方案。 2基于普通数码相机近景摄影测量的三维建模 2.1物体三维模型的建立 2.1.1导入相片

打开Photomodeler Scanner软件，将拍摄好的照片导入软件中的Points-Based Project模块，相片导入完成后，我们导入的像片显示在软件左侧列表里，每张相片上都有一个“×”号的标记用来显示像片还没有经过匹配及定位。 2.1.2相片特征点、线的匹配

选择线模块（Line Mode），在进行线匹配的过程中，也进行了点匹配，在进行特征点、线的匹配时，一定要尽量保证同名点的选择正确性。经过特征点、线匹配后的像片如图3所示：

2.1.3点的精确化

当标记和定位完点线后，若有点的位差较大，则需要进行纠正，最好的方法是查看状态栏，点击状态栏，打开照片，当我们放大照片时，发现点位确实不在最理想的位置，此时应用鼠标将点移到正确的位置上，依次将所有超标的点进行点位精确化。 2.1.4生成三维模型

此软件可以显示三维立体模型，当点的精确化完成后，打开三维立体模型窗口，对照实地拍摄的像片，对目标物进行面的填充，再将纹理赋予其表面上，就可以形成直观的三维立体模型。

2.2模型的输出

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选择File->Exports->Export Model，将其保存后，可导入到CAD里继续绘制。 3结论

本论文采用基于二维图像的三维重构技术，该技术有很多实际应用价值。PhotoModeler Scanner是一个强大创造3D模型和计量测量的照片建模工具。可以将平面照片转换成立体模型的工具，只要利用照片里物体的点、

线、面，即可创建出立体的3D模型。本文的主要研究成果如下：

（1）针对基于数码相机的近景摄影测量的原理进行了详细的阐述，给出了数码相机的成像几何模型，介绍了摄影测量常用的几个坐标系及内外方位元素和共线、共面方程。 （2）选取拍摄质量较好的影像导入到建模及量测软件PhotoModeler scanner中，对特征点、线进行标定，同名点、线进行相关匹配，同时，利用软件的三维建模功能生成三维模型。 参考文献

[1]李德仁，郑肇保.解析摄影测量学[M].北京.测绘出版社.1992

[2]谢学冬，肖胜兵，牛曙光.车向前.ATOS扫描仪对汽车的扫描测量[J].现代制造工程，2009（8）：94-97.

[3]吴福朝.计算机视觉中的数学方法[M].北京：科学出版社，2008. 46～52，104～105