1.3　本书的研究目标与主要内容

我们的方法并不是意在构建一个精确的3D场景,而是探索简单、快速、直观的由陆地图像完成的城市建筑物参数化建模方法。不必重建大量的点、线和平面,而且这些模型可以刻画建筑物场景的约束,比如说矩形、平行性和正交性等约束是由模型的类型所确定的,不需要由人工交互的去指定,使重建问题更简单。从城市建筑物中比较典型的建筑物类型出发,从参数化模型的角度解决建筑物三维重建问题,利用计算机视觉和图像分析等技术自动或半自动的从单幅陆地拍摄的建筑物图像中提取关于建筑物模型的三维信息、进行三维建模,并对建筑物的信息数据进行管理,实现实用性较强的实时网上漫游及属性的显示。本书工作与数字城市的关系如图1.1所示。

图1.1　本书工作与数字城市的关系

本书在城市建筑物世界假设的基础上,实现了常见的典型建筑物的参数化自动或半自动建模。首先,对城市景观进行总结分类,研究3D城市景观中建筑物模型的参数化的描述方法,建立了面向对象的城市建筑物结构实体几何法(CSG,Constructed Solid Geometry)参数化建模的数据模型。其次,针对现有的分割算法的不足提出适用于建筑物区域提取的图像分割方法,并可以根据图像分割的结果指导建筑物区域的选择和对纹理模型的分割。然后,研究多尺度形态筛图像、多特征组合方法在建筑物模型分类及各种建筑物模型三维建模中的应用。并研究同时获取建筑物几何信息和相机外参的相机标定、平行六面体类模型的自动重建法和未标定相机情况下非平顶建筑物的半自动重建问题,通过实验比较并分析各种算法的性能,综合运用几何建模与纹理建模等多种手段重建逼真的建筑物三维模型。

全书内容具体安排如下,章节结构如图1.2所示。

图1.2　本书章节结构

第1章介绍研究背景,课题来源与意义,概述国内外基于图像的三维重建方法和建筑物提取与建模技术研究现状及相关系统,安排研究内容与相关工作。

第2章研究城市景观中建筑物参数化模型的建立。总结城市景观实体的分类,并定义建筑物模型的分类,分析多种建筑物模型表达的特点,为城市中的典型建筑物建立面向对象的参数化模型,整理面向对象城市建筑物参数化建模的流程。

第3章从图像预处理入手,研究三维重建中图像分割和形态筛图像处理两部分内容。图像分割算法中,针对彩色分水岭分割中仍存在的问题,改进了基于分水岭和区域融合的分割方法,并提出了尺度空间图像分析的分割方法用于建筑物图像的分割。对图像尺度空间算子——形态筛在彩色图像中的推广进行了描述,结合模糊数学理论,提出一种模糊彩色形态筛,并验证比较模糊彩色形态筛的各个性能。

第4章的主要内容是研究从拍摄的建筑物图像自动判断建筑物模型类型的算法,这是实现建筑物参数化建模的首要步骤,利用学习的三类规则建筑物的三维角点特点,对建筑物图像通过直线检测、线段优化组合等步骤提取建筑物的特征定位角点,通过对角点类型和数目的统计自动完成平顶建筑物和非平顶建筑物两类建筑物的区分。

第5章具体针对平顶建筑物这一最常见的建筑物类型,研究自动提取建筑物轮廓特征和三维重建的算法。脱离传统建筑物轮廓提取算法的对Hough变换和边缘检测的依赖,借助形态筛和贝叶斯概率统计模型实现建筑物轮廓的自动提取。在相机内参已知的情况下,利用得到的关于建筑物和图像的信息,单幅图像几何信息与相机参数之间存在的联系,完成自动的相机标定和模型参数的同时提取。

接下来的第6章对未标定相机,研究三维城市模型中非平顶建筑物的重建方法,通过最少的交互获得需要的信息,并利用形态筛、直线优化等多种方法自动确定未知的角点,利用射影几何原理完成模型中各个参数的估计。

第7章在完成各个典型建筑物参数化模型的基础上,利用估计的参数和从图像中纠正的纹理图像,对建筑物目标进行三维建模,并实验具体应用。在Web页面中连同VRML技术,实现建筑物场景的三维建模和漫游,同时实现获取和显示建筑物的相关属性。