基于車載激光的紋理重建技術研究

任曉聰侯岳方樂道

（1.禹州市泓瑞測繪有限公司，河南禹州 461670；2.河南省測繪工程院，河南鄭州 450003）

基于車載激光的紋理重建技術研究

任曉聰1侯岳2方樂道2

（1.禹州市泓瑞測繪有限公司，河南禹州 461670；2.河南省測繪工程院，河南鄭州 450003）

本文以車載激光移動測量系統(tǒng)獲取點云數(shù)據(jù)構建的幾何模型為空間實體，通過車載LIDAR系統(tǒng)CCD相機的標定與POS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和各傳感器間的相對空間位置信息實現(xiàn)點云和影像的配準，進一步將配準后的影像映射到空間實體上，完成紋理重建。

車載激光；點云數(shù)據(jù)；影像配準；紋理重建

紋理重建的過程實質(zhì)上是幾個空間的轉換：從CCD相機獲取的影像數(shù)據(jù)所在的影像空間到紋理空間到空間實體的模型空間，如圖1所示。目前，對于空間平面主要是通過建立紋理空間的特征點和模型空間坐標之間的對應關系，在空間平面的頂點之間進行線性插值來決定空間實體對象表面上其他空間點對應的紋理坐標［1-5］。設分別位于影像空間、紋理空間和模型空間的同名點p′（x，y，1），p（u，v），P（x，y，z），通過函數(shù)聯(lián)系3種空間的變換關系。

圖1 3種空間轉換

1 技術流程

1.1 建立影像空間與模型空間的變換

由相機投影矩陣A表示，設P′=f1（P），f1（*）表示的是影像空間與模型空間的變換函數(shù)，投影矩陣可以利用視線的方向、視口的大小及目前視點的位置計算得到。其中，A=K［RT-RT-t］。R表示旋轉變換，由3個姿態(tài)角的三角函數(shù)決定；t為平移量；K為相機的檢校矩陣，其影響因子一般為相機的內(nèi)外方位元素。

1.2 建立紋理空間至模型空間的變換

P=f2（p），則f2（*）表示影像中的像素點從紋理空間至模型空間的變換函數(shù)，該過程是一個二次變換的過程，中間需要引入一個中間曲面，這一過程可以表示為：第一步，將紋理圖像映射到一個簡單的參數(shù)化曲面上如平面、球面等，f（u，v）→f′（x′，y′，z′），這一變換稱為S-映射，每一種中間曲面的映射效果不同，可以根據(jù)需要映射的三維模型的形狀不同采用不同中間曲面，常用的有平面、球面、圓柱面和立方體面；第二步，中介曲面映射到目標實體表面f′（x′，y′，z′）→O（x，y，z），這一變換稱之為O-映射，通常有以下4種投影方式，即反射光線法、表面法向量法、景物中心法、中介曲面法向量［6］；將這兩步變換用一二維矩陣M表示。

引入相機投影矩陣A，則影像空間到紋理空間的變換函數(shù)為：

圖2展現(xiàn)的是這三個空間坐標變換過程。

圖2 空間坐標轉換過程

2 關鍵技術

本文所用的車載激光移動測量系統(tǒng)的影像獲取設備雖然也為全景影像，考慮到某一棟建筑物的幾何建模及紋理映射的完整性，本文將全景影像按照單個CCD相機生成單張影像，并利用車載系統(tǒng)的POS數(shù)據(jù)和各個傳感器間的固定幾何關系建立影像與激光點云的一一對應關系，從而得到激光點云與單片影像的配準。

對于地面某一個目標點，其所對應的像點平面坐標和同名點云的掃描儀坐標的關系流程為：像點a平面坐標（x，y）→像點空間坐標（x，y，-f）→像空輔坐標系（u，v，w）→掃描儀坐標系（X，Y，Z），這里的轉換只需要像點空間坐標到像空輔坐標中的3個旋轉，2個坐標系的原點重合，坐標軸的旋轉既得到3個旋轉角ψ、ω、k；而像空輔坐標系的w軸與掃描儀坐標的z軸重合，所以這兩個坐標系的轉換只需要有一個平移向量即可。因此，對于任意一目標點，其像點的空間坐標與掃描儀坐標間的映射關系為：

其中，［x y-f］T為像點的像空間坐標，［X Y Z］T為激光點云在掃描儀坐標下的坐標，R和C分別表示空間坐標系與掃描儀坐標系變換的矩陣和變量。因此，只要能夠得到旋轉矩陣和平移變量即可實現(xiàn)激光點云和影像之間的實時配準。設像點a在像空間坐標中的坐標表示（x，y，-f），在像空間輔助坐標系中的坐標表示（u，v，w），則兩者之間的坐標變換可通過以下式子表示：

像空間輔助坐標系的w軸是鉛垂的，所以像空間輔助坐標系S-uvw與點云的掃描儀坐標系D-XYZ之間的坐標軸是平行的，所以存在如下的關系式：

其中，（XS，YS，ZS）為投影中心S的大地坐標，（X，Y，Z）為地面點A的掃描儀坐標，可知投影中心S和像點a及地面點A在同一條線上，根據(jù)相似三角形原理可得上述式子。

投影中心S的大地坐標可根據(jù)車載測量系統(tǒng)中的定位系統(tǒng)獲取，利用CCD相機獲取的若干個像點和同名激光點云的掃描坐標即可計算出式（2）中的旋轉矩陣R和平移變量C，進而可以得到激光點云數(shù)據(jù)和CCD影像的配準。

對于糾正過CCD影像形成正射圖像就直接可以用來進行三維建模，直接建模的方式有很多種，成熟的軟件也很多，可以直接進行應用。在這里選擇用建筑物模型構建中最常用的軟件進行建模，首先需要將糾正后的影像數(shù)據(jù)導入軟件材質(zhì)庫中，直接進行渲染得到幾何模型和紋理模型的重建，形成三維可視化模型［7］。

3 結論

利用車載激光掃描儀和CCD相機同步獲取的數(shù)據(jù)，結算出單片影像與掃描儀之間的旋轉矩陣和平移變量，得到點云與影像的配準。圖3為矯正配準后的影像數(shù)據(jù)。

［1］王蒙.基于大規(guī)模點云數(shù)據(jù)的三維重建和紋理映射研究［D］.南昌：南昌大學，2014.

［2］趙煦.基于地面激光掃描點云數(shù)據(jù)的三維重建方法研究［D］.武漢：武漢大學，2010.

［3］周杰.基于激光點云數(shù)據(jù)的三維模型重構關鍵技術研究［D］.長沙：國防科學技術大學，2014.

［4］吳侗.基于點云多平面檢測的三維重建關鍵技術研究［D］.南昌：南昌航空大學，2013.

［5］吳勝浩，鐘若飛.基于彩色激光點云的車載線陣CCD紋理重建［A］//全國激光雷達對地觀測高級學術研討會，2010.

［6］基毛杰，張西童，吳珍珍.基于三維激光掃描技術的景觀石重建技術［J］.黑龍江工程學院學報，2016（2）：12-15.

［7］李樂慶.基于點云的模型重建與繪制技術研究［D］.西安：西北大學，2009.

Research on Texture Reconstruction Based on Vehicle Borne Laser

Ren Xiaocong1Hou Yue2Fang Ledao2
（1.Yuzhou Hongrui Mapping Ltd.，Yuzhou Henan 461670；2.Surveying&Mapping Engineering Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450003）

In this paper,the geometric model of the point cloud data was obtained by using the laser motion measurement system,through the calibration and relative location information data of the POS system and the realization of each sensor between point cloud and image vehicle LIDAR system CCD camera image registration,the registration image was mapped to the spatial entity,and the texture reconstruction was completed.

vehicle borne laser；point cloud data；image registration；texture reconstruction

TP391.41

A

1003-5168（2017）04-0022-02

2017-03-08

任曉聰（1985-），男，本科，工程師，研究方向：測繪工程、gis系統(tǒng)研發(fā)。