無(wú)人機(jī)不同航線傾斜攝影建模方法比較及改進(jìn)

陳 曦，譚 鑫，高 歡，周煜鑫，馬友鵬

（1.成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，成都 610051）

傾斜攝影是從多角度采集特定地區(qū)圖像，以此獲取建筑物各方位高分辨率紋理的技術(shù)。利用傾斜攝影技術(shù)可以在較短時(shí)間內(nèi)快速建立三維城市模型[1-2]。它不僅能夠反映該地區(qū)的真實(shí)圖像，還能夠通過(guò)特定技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，生成更加立體的三維模型。傾斜攝影技術(shù)能在規(guī)劃、測(cè)繪、應(yīng)急等領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)服務(wù)，有著很強(qiáng)的實(shí)用性[3]。

三維模型的建立質(zhì)量和收集到的圖像質(zhì)量緊密相關(guān)，因此，無(wú)人機(jī)拍攝的航線規(guī)劃至關(guān)重要，設(shè)計(jì)合理的航線是三維建模的關(guān)鍵所在。本文中的建模采用多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)模擬傾斜攝影測(cè)量，著重于使用單鏡頭獲取全方位的視角，以保證三維建模的質(zhì)量。

本文以單體建筑的傾斜攝影建模為例，多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)使用大疆Mavic Pro，以兩種不同航線采集無(wú)人機(jī)影像，并通過(guò)ContextCapture建立三維模型，最后從建模的完整性和不確定性誤差兩個(gè)方面評(píng)估兩種不同航線規(guī)劃方案的優(yōu)劣。

1 關(guān)鍵理論介紹

1.1 不同航線的規(guī)劃[4]

1.1.1 網(wǎng)帶式航線

無(wú)人機(jī)只配備有一個(gè)鏡頭，要使航線覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，可以讓無(wú)人機(jī)保持45°的俯角，通過(guò)網(wǎng)帶式航線來(lái)覆蓋死角（網(wǎng)帶式航線即用兩條航帶式航線以90°角相交，這樣可以保證圖像的完整性，也極大地提高了圖像的獲取效率）。此外，網(wǎng)帶式航線還具有易于拍攝的特點(diǎn)，當(dāng)建模區(qū)域很大時(shí)，可用這種方法快速獲得研究區(qū)域的完整圖像。航線設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)帶式航線示意圖

1.1.2 全方位航線（5個(gè)方向）

將建筑物視為一個(gè)整體，分別從正射、左視、右視方向獲取圖像。在采集一個(gè)面的圖像時(shí)，若相機(jī)能拍攝完整圖像，則可橫向飛行，直接進(jìn)行拍攝，否則采用航帶式航線。在建筑物的連接處需要額外拍攝圖像。因此，這種拍攝方法主要由6部分組成，即建筑物的5個(gè)面和拐角處的補(bǔ)充圖像。航線如圖2所示。

圖2 全方位航線示意圖

1.2 實(shí)景建模關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 測(cè)試區(qū)域選擇及概況

在選取建模區(qū)域時(shí)，應(yīng)該選擇遮擋較少的單體建筑。實(shí)驗(yàn)表明，在遮擋較多的地方，特別是遮擋物有大量細(xì)節(jié)（如枝葉繁茂的樹(shù)）時(shí)，建模的效果會(huì)不夠準(zhǔn)確，具體體現(xiàn)在這些細(xì)節(jié)處會(huì)有失真，并影響到最終模型的完整性。因此，我們應(yīng)該選擇遮擋物少、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但也有部分能夠反映建模質(zhì)量的特征結(jié)構(gòu)的單體建筑。

1.2.2 空中三角運(yùn)算

空三加密是傾斜攝影測(cè)量三維建模的重要環(huán)節(jié)[5]。目前，大多數(shù)傾斜攝影空中三角測(cè)量使用傳統(tǒng)的POS輔助空三計(jì)算，主要方法有模擬法、解析法、航帶法、獨(dú)立模型法和光線束法。通過(guò)空中三角測(cè)量，我們可以計(jì)算獲得缺失的影像信息。

在 Context Capture Center平臺(tái)中新建工程，相機(jī)的參數(shù)會(huì)在導(dǎo)入照片時(shí)同時(shí)導(dǎo)入，這種方式可以減少整理分區(qū)內(nèi)影像數(shù)據(jù)的工作量。

1.2.3 精度驗(yàn)證方法比較原理

1）模型完整性比較。在建立3D模型的過(guò)程中，不同方法會(huì)有不同的模型紋理細(xì)節(jié)，不同的模型也會(huì)有不同的扭曲程度和細(xì)節(jié)丟失，有的地方甚至?xí)霈F(xiàn)空洞。這些細(xì)節(jié)可以幫助我們較好地比較不同航線下建立模型的優(yōu)、劣勢(shì)。

2）通過(guò)位置的不確定度進(jìn)行比較。位置的不確定度可以描述點(diǎn)位的精度。取3個(gè)方向的不確定度分別為X,Y,Z，取其最小值、中間值、最大值分別以1、2、3編號(hào)，用?來(lái)表達(dá)不確定度，利用以下表達(dá)式來(lái)衡量不確定度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

1.3 ContextCapture介紹

ContextCapture是一個(gè)用于構(gòu)建大規(guī)模三維實(shí)景模型的軟件。它可以根據(jù)普通照片創(chuàng)建大規(guī)模建筑甚至整個(gè)城市的3D模型。此軟件市場(chǎng)應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，可大幅提高生產(chǎn)效率[6]。

2 實(shí) 例

2.1 研究區(qū)域選擇

成都理工大學(xué)香樟食堂是一個(gè)三層的類長(zhǎng)方體單體建筑，四周遮擋較少，外表方正。在樓頂上有通風(fēng)管等，可以用來(lái)查看建模的細(xì)節(jié)質(zhì)量。在食堂正面，有樓梯、屋檐等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，也有大量的平面，這樣既可以用復(fù)雜部分的建模情況來(lái)比較不同航線建模的質(zhì)量，也可以查看清晰的建模整體效果。因此，將這里作為建模場(chǎng)所比較理想。

2.2 設(shè)備規(guī)格參數(shù)

2.2.1 相 機(jī)

設(shè)備為大疆Mavic Pro自帶的相機(jī)，關(guān)鍵參數(shù)有：1）照片最大分辨率為4 000×3 000。

2）影響傳感器采用1/2.3 英寸 CMOS，有效像素1 235萬(wàn)（總像素1 271萬(wàn)）。

3）鏡頭參數(shù)：FOV 78.8° 28 mm（35 mm 格式等效） f/2.2。

4）對(duì)焦點(diǎn)：0.5 m至無(wú)窮遠(yuǎn)。

5）ISO范圍：100～3 200（視頻），100～1 600（照片）。

6）支持存儲(chǔ)卡類型：Micro SDTM，最大支持 128GB 容量，傳輸速度為Class。

2.2.2 云 臺(tái)

云臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)：

1）可控轉(zhuǎn)動(dòng)范圍：俯仰：-90°～+30°，橫滾：0°或90°（橫拍及豎拍模式）。

2）穩(wěn)定系統(tǒng)：3-軸（俯仰、橫滾、偏航）。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

表1 拍攝數(shù)據(jù)

2.4 處理流程

圖像處理的大致流程是：

1）對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)于重復(fù)或者重合度高的圖像需要進(jìn)行刪除。

2）對(duì)添加圖像即將進(jìn)行的空中三角測(cè)量計(jì)算進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如關(guān)鍵點(diǎn)密度、影像組件構(gòu)造模式、光學(xué)屬性評(píng)估模式、焦距、主點(diǎn)、徑向畸變和切向畸變等。

3）使用ContextCapture Center Engine進(jìn)行空中三角運(yùn)算。

4）創(chuàng)建項(xiàng)目。這里需要定義項(xiàng)目名稱，并選擇生產(chǎn)項(xiàng)目的目標(biāo)。格式及選項(xiàng)頁(yè)是建立三維模型的關(guān)鍵頁(yè)，在這里需要明確輸出格式、顏色源、紋理壓縮質(zhì)量、最大紋理大小、細(xì)節(jié)層次等關(guān)系建模結(jié)果的參數(shù)。最后需要選擇空間參考坐標(biāo)系，這里選擇WGS 84。 完成設(shè)置后開(kāi)始建模。

5）項(xiàng)目重建完成后，可以使用Acute3DViewer來(lái)查看輸出結(jié)果。

3 對(duì)比分析

3.1 模型完整性

圖3是分別采用網(wǎng)帶式航線和全方位航線進(jìn)行建模得到的模型結(jié)果。網(wǎng)帶式航線得到的結(jié)果為圖3a、全方位航線得到的結(jié)果為圖3b。

選取模型結(jié)果的關(guān)鍵部分進(jìn)行比較，主要查看其完整性、紋理細(xì)節(jié)和部分扭曲的情況。可以看到，兩種航線下我們均得到了較為完整的傾斜攝影3D模型。但網(wǎng)帶式航線受制于其鏡頭的傾斜角度，在有屋檐遮擋的地方出現(xiàn)了嚴(yán)重失真。這時(shí)候，全方位航線的優(yōu)勢(shì)便體現(xiàn)了出來(lái)，它可以收集到建筑物較為完整的圖像信息，這一點(diǎn)在圖3a中可以看出，在圖片左下方和廣告牌左上方，網(wǎng)帶式航線的模型均出現(xiàn)了扭曲，而相對(duì)全方位航線所建立的模型效果好很多。

對(duì)比在紋理細(xì)節(jié)上，圖3a所示的網(wǎng)帶式航線的三維模型紋理缺失比較嚴(yán)重，如窗戶出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的失真，圖3b所示的全方位航線的三維模型在平面上的表現(xiàn)依然優(yōu)于前者，沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯的紋理細(xì)節(jié)缺失。

3.2 數(shù)據(jù)誤差

位置的不確定度是基于每一張圖片的位置不確定值所確定的。它分為X軸、Y軸、Z軸3個(gè)方向，并有最小值、中間值和最大值。其結(jié)果如表2所示。

表2 位置的不確定度

圖4是網(wǎng)帶式航線和全方位航線位置不確定度的比較。從圖4中可以看出，無(wú)論X軸、Y軸、Z軸方向還是總體上，全方位航線的誤差均大于網(wǎng)帶式航線。因此，基于2種不同航線建立的三維模型，點(diǎn)位精度上全方位航線略差，網(wǎng)帶式航線精度較高。

圖4 網(wǎng)帶式航線和全方位航線的不確定度比較結(jié)果

4 方法改進(jìn)

由上述結(jié)論可知，網(wǎng)帶式航線和全方位航線各有優(yōu)劣。如果采集區(qū)域很大，并且需要很高的精度，可以將兩者結(jié)合起來(lái)，這樣要求付出更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，但能夠更好地滿足需要。將兩種航線結(jié)合之后，可以觀察拍攝點(diǎn)及連接點(diǎn)的分布，拍攝點(diǎn)及連接點(diǎn)的分布情況如圖5所示。

圖5 拍攝點(diǎn)及連接點(diǎn) 的分布情況

在這樣的情況下，建模方法模擬了五鏡頭傾斜攝影[7]，但是比五鏡頭拍攝有著更高的效率，建筑的全貌和細(xì)節(jié)都得到了不同程度的補(bǔ)充。用前述的兩種方法進(jìn)行模型質(zhì)量評(píng)估。模型完整性結(jié)果可由圖6中使用改進(jìn)方法建模后全方位航線和改進(jìn)方法的窗格細(xì)節(jié) 比較得到。

結(jié)果表明，改進(jìn)方法所得模型的細(xì)節(jié)更加完善，圖6a使用全方位航線建模得到的窗格細(xì)節(jié)圖中，最左側(cè)柵欄有部分失真，但在圖6b中，這一側(cè)的失真得到了改善。 由于鏡頭的畸變等因素，所得模型不夠清晰。

圖6 使用全方位航線和改進(jìn)方法的模型窗格細(xì)節(jié) 圖

另外，改進(jìn)方法的?值為1.019 6，這說(shuō)明其點(diǎn)位精度不高，由圖5拍攝點(diǎn)及連接點(diǎn)的分布情況可得，相機(jī)的拍攝角度確實(shí)是比較分散的，這一結(jié)果也比較符合實(shí)際。如果需要更多細(xì)節(jié)，那么還可以繼續(xù)增加照片的重疊度，當(dāng)然也會(huì)相應(yīng)的要求更大的計(jì)算代價(jià)。因此，充分結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以讓模型質(zhì)量 更好。

5 結(jié) 語(yǔ)

多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)在成本有限的情況下不失為一種進(jìn)行傾斜攝影建模的選擇。模型的質(zhì)量取決于設(shè)備品質(zhì)、影像質(zhì)量等[8]，也與分辨率有很大關(guān)系[9]，在這些條件不變的情況下，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮骄€規(guī)劃，我們?nèi)匀豢梢垣@得質(zhì)量較高的3D模型。如果需要大面積采集數(shù)據(jù)，可使用網(wǎng)帶式航線，這種航線規(guī)劃方法較為簡(jiǎn)單，可以大量節(jié)省拍攝成本；若對(duì)單體建筑等進(jìn)行較高細(xì)節(jié)的建模，則應(yīng)該采用全方位的傾斜攝影建模方法。若結(jié)合兩者進(jìn)行模型建立，其效果可以部分模擬出五鏡頭無(wú)人機(jī)拍攝的情況，效果更佳，但是相應(yīng)的計(jì)算成本也更高。