基于機載傾斜攝影數(shù)據(jù)的自動貼紋理方法研究

張?zhí)烨?/p>

(廣州建通測繪地理信息技術股份有限公司，廣東 廣州510663)

一、引 言

最近幾年，搜索引擎Google把衛(wèi)星遙感地圖資源和三維電子地圖技術及互聯(lián)網(wǎng)集合起來，推出Google Earth和Google Maps，將人們帶進了一個全新的廣闊空間，從而給人栩栩如生、身臨其境的體驗。另外，國內一些企業(yè)也借助WebGIS技術，利用飛艇、飛機和汽車等交通工具，從不同角度對整個區(qū)域進行360°全方位拍攝，通過數(shù)據(jù)塊與地圖上每個具體地點聯(lián)系起來，獲得地區(qū)的實景地圖。Skyline憑借其國際領先的三維數(shù)字化顯示技術，利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及其他二三維軟件搭建出對真實世界進行模擬的三維場景，目前在國內是制作大型真實三維數(shù)字場景的首選軟件。

基于機載傾斜攝影數(shù)據(jù)自動貼紋理的方法是機載傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取的斜片數(shù)據(jù)，在經(jīng)過世界坐標到影像像素坐標的映射變換后，可以建立起像素級的對應關系，從影像中提取不規(guī)則像素區(qū)域，對紋理片段進行自動排樣，可以自動地為建筑模型創(chuàng)建適合實時渲染的紋理貼圖。

二、研究目的和意義

利用航拍影像(包括原始斜片影像和處理后的正射影像)中包含的建筑圖像信息，為城市建筑模型創(chuàng)建紋理貼圖。從海量影像數(shù)據(jù)中高效地為數(shù)字城市中大批量建筑模型半自動地創(chuàng)建紋理貼圖。對于任意一個建筑模型，可以自動搜索含有該建筑外觀信息的影像，并自動地將模型上的頂點映射到影像上的像素位置，用戶只需要手動校準像素位置，即可自動地為模型創(chuàng)建紋理貼圖。

目前為建筑模型創(chuàng)建貼圖主要采用常規(guī)的辦法，使用Photoshop等圖像軟件，手動將每個建筑的外觀像素區(qū)域從影像中提取出來，并整合到一張圖像中，然后利用三維建模軟件，手動為模型創(chuàng)建紋理貼圖。毫無疑問，這種方法工作量極大，考慮到城市中成千上萬的房屋，其人力和物力成本將會非常昂貴，甚至是不可行的。使用本軟件，將會大大減少貼圖所耗費的時間人力，帶來極高的經(jīng)濟效益。

三、主要內容和關鍵技術

1．主要內容

利用機載航拍采集的海量影像(原始斜片影像和處理后的正攝影像)數(shù)據(jù)，半自動地為城市中大批量的建筑模型創(chuàng)建紋理貼圖。對于一個建筑模型(如房屋)，首先使用共線方程式將模型上每個頂點所在的世界坐標轉換為某個影像上的像素坐標，計算出來的像素位置由于存在誤差，可能需要手動校準，從而得到模型上每個面在影像中對應的像素區(qū)域，將這些像素區(qū)域提取出來，并整合(自動或手動)到一張較小的紋理圖像中，最終為模型創(chuàng)建紋理貼圖。

2．關鍵技術

(1)世界坐標與影像像素坐標的相互轉換

本系統(tǒng)使用共線方程式將世界坐標轉換為影像像素坐標，利用單像測圖方程式將影像像素坐標轉換為世界坐標，利用航測業(yè)內常用的TerraPhoto-Camera相機參數(shù)配置格式來配置相機參數(shù)。

(2)復雜對應關系

模型上的頂點定義為空間點，三角形定義為空間三角形，一個空間點對應一張影像上的一個像素位置，因此相應地定義影像點及影像三角形。由于多個相鄰三角形將構成一個連續(xù)的多邊形區(qū)域，把相鄰影像三角形構成的像素區(qū)域定義為影像片段;最后要把所有影像區(qū)域整合到一張較小的紋理圖像中，因此還需要定義對應的紋理片段。

(3)從影像中提取不規(guī)則像素區(qū)域

一個模型對應的影像片段是不規(guī)則多邊形，使用光柵化算法將這些不規(guī)則的像素區(qū)域提取出來。

(4)紋理片段的自動排樣

為了在利用3D圖形API渲染模型時減少顯存資源的占用，提高渲染效率，應使最終創(chuàng)建的紋理圖像盡可能小。因此，需要將所有紋理片段盡可能緊湊地擺放在一起。而紋理片段本身是不規(guī)則多邊形，屬于典型的排樣問題，排樣問題是數(shù)學上的NP完全問題，具有很高的復雜性，主要涉及遺傳算法、臨界多邊形算法、多邊形合成算法等。多邊形排樣示例如圖1所示。

圖1 多邊形排樣示例

四、設計和實現(xiàn)的功能

1．設計方法

1)由于系統(tǒng)的多個子模塊具有較高的復雜度和耦合形，因此在開發(fā)初期，先進行概要的框架設計，將整個系統(tǒng)分為幾個核心子模塊，深入完成每個子模塊之后，根據(jù)需要回歸調整總體設計。

階段工作包括:①系統(tǒng)概要框架設計;②設計工程數(shù)據(jù)管理機制;③管理模型空間頂點、空間三角形、影像點、影像三角形、片段點、片段三角形的復雜對應關系;④設計總體的瀏覽及編輯操作界面。

2)項目的深入實施階段，實現(xiàn)所有核心功能模塊，解決遇到的所有技術難點。

3)完善調整總體框架設計，將所有核心模塊合理有序地嵌入到系統(tǒng)中。

4)完成界面設計和搭建工作，如編輯、數(shù)據(jù)保存等。

5)設計創(chuàng)新點:①構建復雜點、面對應關系;②提取不規(guī)則像素區(qū)域;③多邊形排樣。

2．實現(xiàn)的功能

(1)創(chuàng)建工程

由于城市中房屋數(shù)量較大，因此為數(shù)字城市房屋模型貼紋理是一個工作量較大的工程，需要多人分工合作，每人負責部分區(qū)域內的房屋模型。為了使工作有條不紊地進行，需要創(chuàng)建工程管理，如圖2所示。

圖2 創(chuàng)建工程管理

(2)加載工作子區(qū)域

完成工程創(chuàng)建之后，系統(tǒng)統(tǒng)計工程中包含所有模型及所在的位置。由于一個工程包含的模型可能較多，因此包含所有房屋模型的空間區(qū)域也將會較大。由于計算機硬件資源的限制，無法同時加載工程對應的整個空間區(qū)域內的房屋，因此需要分子區(qū)域加載。如圖3所示，在模型導航窗口中，一個點代表一個建筑模型，半透明區(qū)域即為要加載的工作子區(qū)域。

(3)漫游選擇要貼圖的模型

選擇加載工作子區(qū)域之后，工作子區(qū)域內的所有模型將會在程序主界面的三維視圖中渲染。用戶可以在三維視圖中漫游工作區(qū)域內的場景，然后選中要貼圖的模型，如圖4所示。

三維視圖中，當用戶想要為某個模型貼紋理時，雙擊該模型，即可打開貼紋理的框架窗口;或用戶在工程管理面板上的樹形控件中雙擊想要貼紋理的模型，也將開始對該模型進行紋理貼圖(這種方式可以為不在工作區(qū)域內的模型進行貼圖)。

圖3 工作子區(qū)域

圖4 貼圖的模型

(4)模型貼紋理

選擇某個模型進行貼紋理后，進入貼紋理界面，如圖5所示。

圖5 模型貼紋理圖

貼紋理界面由4個部分組成:模型視圖、影像縮略圖列表、影像視圖、紋理視圖。模型視圖中渲染當前進行貼圖的模型，可以在該視圖中查看紋理貼到模型后的效果;影像縮略圖列表中列出了所有與模型當前選擇三角面相關的影像;影像視圖顯示影像縮略圖列表中當前選中的影像，影像片段在該視圖中編輯，改變影像點的位置后，影像片段重新計算，同時更新對應的紋理片段，并反映到紋理貼圖中;紋理視圖顯示最終整合出來的紋理，在該視圖中可以移動和旋轉紋理片段，將所有紋理片段進行手動擺齊。

(5)編輯影像片段

影像片段的編輯有兩種編輯模式:點模式及面模式，在貼圖界面菜單中選擇編輯模式，如圖6所示。

圖6 移動影像三角形

(6)紋理片段自動擺齊

完成影像片段編輯之后，為了節(jié)省工作量，可以利用紋理片段自動排樣功能來自動擺齊所有紋理片段。

五、結束語

基于機載傾斜攝影數(shù)據(jù)自動貼紋理技術的研究是傾斜攝影未來的研究熱點，也是傾斜攝影實踐應用的關鍵技術，尤其隨著數(shù)字城市和智慧城市建設的不斷推進，對數(shù)據(jù)獲取和更新提出更高的要求，傾斜攝影的數(shù)據(jù)自動貼紋理技術在這方面有著很大的優(yōu)勢，具有很好的應用前景。

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