專利名稱:一種三維平面提取方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及攝影測(cè)量與遙感、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域,尤其涉及一種三維平面的 提取方法。
背景技術(shù):
人造目標(biāo)三維重建在城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、通信設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域具有非常 廣泛的應(yīng)用,長期以來, 一直是攝影測(cè)量與遙感、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域長期研究的 重要課題。在各種多面體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)三維重建方案中,三維平面提取是其中的 一個(gè)關(guān)鍵步驟。
目前,提取三維平面的方法主要有四種第一種,利用直接獲得的密集數(shù)
字高程模型(Digital Elevation Model,簡(jiǎn)稱DEM)數(shù)據(jù),通過擬合獲得三維平 面;第二種,通過獲取不同光照條件下的目標(biāo)區(qū)域影像,結(jié)合目標(biāo)表面的反射 特性模型,建立多個(gè)反射圖,利用光度學(xué)立體視覺法計(jì)算每個(gè)目標(biāo)表面點(diǎn)的表 面方向,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)表面的重建;第三種,利用直線特征感知編組的方法,假 定已知目標(biāo)表面平面區(qū)域的形狀,對(duì)已提取的直線特征進(jìn)行特定規(guī)則的編組, 如針對(duì)矩形平面區(qū)域的輪廓編組,生成多個(gè)平面假設(shè),進(jìn)而依據(jù)影像或其它先 驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行平面假設(shè)的驗(yàn)證;第四種,對(duì)提取的直線特征進(jìn)行匹配,通過前方 交會(huì)計(jì)算對(duì)應(yīng)的三維直線,對(duì)三維直線進(jìn)行共面分析,生成所有可能的平面假 設(shè)并構(gòu)造平面邊界以形成閉合平面區(qū)域,利用各種證據(jù)對(duì)這些閉合區(qū)域進(jìn)行證 實(shí)。相比較而言,第一種方法的缺點(diǎn)是隨著高程點(diǎn)數(shù)據(jù)密度的增加,獲取成本 會(huì)同時(shí)增加,而且對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標(biāo),如果缺少平面數(shù)量或目標(biāo)結(jié)構(gòu)的大致 類型作為先驗(yàn)知識(shí),提取目標(biāo)表面的所有平面是很困難的。第二種方法的缺點(diǎn)是需要精確已知多個(gè)光照條件,因而該方法多見于單純光照環(huán)境下的小體積目 標(biāo)的表面重建,對(duì)于光照條件復(fù)雜、背景多樣或目標(biāo)表面反射特性存在差異等 各種非合作情況,該方法難以取得滿意的結(jié)果。第三種方法的缺點(diǎn)在于可提取 平面的幾何形狀受到限制。較前三種方法而言,第四種方法適應(yīng)性更強(qiáng),而且 對(duì)高程數(shù)據(jù)的依賴小,甚至可以不需要高程數(shù)據(jù)的支持,同時(shí),該方法采用一 種自底向上的提取過程,可以解決各種多邊形形狀的三維平面提取。
在三維平面提取過程中,需要得到的三維平面信息包含兩個(gè)方面 一是三 維平面定位信息,表現(xiàn)為它所在開放平面的平面方程;二是三維平面邊界信息, 表現(xiàn)為閉合平面的完整和準(zhǔn)確的邊界線?,F(xiàn)有的第四種三維平面提取技術(shù)中, 將提取這兩種信息作為一個(gè)任務(wù)同時(shí)完成,平面的定位精度會(huì)受到邊界定位誤 差的影響,而由平面相交得到的邊界定位精度又會(huì)因?yàn)槠矫娴亩ㄎ粎?shù)誤差而 降低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在三維平面提取過程中,將三維平面的定位與 平面區(qū)域邊界的提取分離成兩個(gè)前后銜接的階段,分別獨(dú)立完成這兩個(gè)任務(wù), 減小它們之間的誤差影響,使兩個(gè)階段的結(jié)果分別達(dá)到最優(yōu),從而實(shí)現(xiàn)三維平 面提取的最優(yōu)。
本發(fā)明技術(shù)方案的輸入是以任意方法得到的目標(biāo)場(chǎng)景中的三維直線特征集 和稀疏數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、從兩個(gè)不同視角獲取的目標(biāo)場(chǎng)景的立體圖像及獲取 它們的立體相機(jī)的所有內(nèi)、外參數(shù)、對(duì)立體圖像的直線提取結(jié)果,技術(shù)方案的 輸出是定位精度高、邊界完整性和準(zhǔn)確性好的三維平面,實(shí)施技術(shù)方案的目的 是為后續(xù)多面體結(jié)構(gòu)目標(biāo)的表面重建工作打下基礎(chǔ)。
本發(fā)明的思路是把三維平面提取過程分成前后銜接的兩 優(yōu)化步驟,第一個(gè)步驟是獲取目標(biāo)表面所在開放三維平面的高精度定位信息,實(shí)現(xiàn)方法是一 種分割假設(shè)證實(shí)方法,具體流程是利用三維直線特征生成開放的三維平面假設(shè) —利用三維平面假設(shè)的成員直線特征分割開放的三維平面假設(shè)形成多個(gè)平面塊 假設(shè)一選取最優(yōu)平面塊假設(shè)一合并最優(yōu)的平面塊假設(shè),生成高定位精度的開放 三維平面;第二個(gè)步驟是構(gòu)造平面的邊界,基于生成的開放三維平面,以平面 相交獲取的平面交線、圖像中提取的直線特征以及與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相關(guān)的啟發(fā)性知 識(shí)作為生成平面邊界的依據(jù),為開放平面構(gòu)造完整的邊界,具體流程是利用開 放平面的成員直線特征和平面間交線構(gòu)造平面的邊界一利用立體圖像中提取的 直線特征和啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充缺失的平面邊界一由平面邊界生成閉合平面假設(shè), 利用優(yōu)化方法選擇最優(yōu)的閉合平面假設(shè)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種三維平面提取方法,具體包括下述步驟 已知某一場(chǎng)景的不同視角的兩幅圖像,分別稱為左、右圖像,以及攝取這 兩幅圖像的左、右相機(jī)的所有內(nèi)、外參數(shù),其中左、右相機(jī)攝影中心在世界坐 標(biāo)系中的坐標(biāo)分別記為(Z。p乙,Z。J和^^,l^,Z。。;由這兩幅圖像中提取的直
線特征集,分別記為^和/^;已知該場(chǎng)景中的iV,條三維直線特征,記為 S = {i:,|/ = l,2,...,A^},該集合中的任意元素A表示一條三維直線段,它的兩個(gè) 端點(diǎn)分別為(《1,1;1,2,1)和(《2,1;2,《2;);已知該場(chǎng)景中的稀疏DEM數(shù)據(jù),記為 高程點(diǎn)集合J^(足,t之)l"l,2,…,A^,該集合中元素的平均誤差為;i。
第一步,求解目標(biāo)表面所在的開放三維平面 第(一)步,三維平面假設(shè)生成
設(shè)定角度門限^,如果兩條三維直線的夾角小于^,則判定它們的方向矢量 近似一致;設(shè)定距離門限"如果一個(gè)三維空間點(diǎn)到一條三維直線或一個(gè)三維平 面的距離小于"則判定該三維空間點(diǎn)在這條三維直線上或這個(gè)三維平面上。兩個(gè)門限的取值根據(jù)已知三維直線特征的定位精度而定。
設(shè)定目標(biāo)表面的任意一個(gè)平面的兩條相鄰邊界所在直線的夾角范圍為
b,,;r-%],目標(biāo)表面的任意兩個(gè)相鄰平面間的最小夾角為^,它們的取值與目
標(biāo)表面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)。 第1步,計(jì)算三維平面假設(shè)
對(duì)集合s中的三維直線特征兩兩組合,生成三維平面假設(shè),具體步驟為
任選兩個(gè)三維直線特征A^s和a^s , A的端點(diǎn)為G^,^,zj和
(^2,^,D, a的端點(diǎn)為(&,&,^)和(^2,i;2,Zv2),利用它們定義目標(biāo)函數(shù)
/(a,Z),c,(i):
+("vl+^:rvl+c.zvl+")2+("v2+6.rv2+c.zv2+d)2
采用梯度下降法計(jì)算/("Ac^)取最小值時(shí)的("Ac,^,得到由a和a指
定的三維平面假設(shè)方程為".jr+卜;r+c.z+d-o。
按照上述步驟得到的所有三維平面假設(shè)集合Q^"卜1,2,…,A((,對(duì)于其中 任意一個(gè)三維平面假設(shè)S,平面方程為",..1 + &1 + 。.2 +《=0,用于生成它
的兩個(gè)三維直線特征稱為s的成員直線特征。
第2步,合并共面的三維平面假設(shè)
對(duì)于任意一個(gè)三維平面假設(shè)^eQ,計(jì)算它的兩個(gè)成員直線特征中點(diǎn)連線的
中點(diǎn)在平面S上的投影,記為(I;,F(xiàn)二,Z^)。 第1)步,判定三維平面假設(shè)的共面關(guān)系
對(duì)于任意兩個(gè)三維平面假設(shè)^eQ和巧eQ,如果滿足下面的不等式組,則 判定^和S.共面<formula>formula see original document page 23</formula><£
<6T
第2)步,搜索共面的三維平面假設(shè)
生成一個(gè)無向圖G,將每個(gè)三維平面假設(shè)^eQ作為一個(gè)節(jié)點(diǎn),如果任意兩
個(gè)三維平面假設(shè)是共面的,則它們對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間保持連接,否則不連接。
計(jì)算無向圖G的所有極大團(tuán),記為{2W|W = 1,2,…,AT",任意一個(gè)極大團(tuán)仏是
Q的一個(gè)子集,記為{/^(。|/^ = 1,2,...附^,子集中任意兩個(gè)三維平面假設(shè)都是共面的。
第3)步,合并共面的三維平面假設(shè)
對(duì)于任意一個(gè)極大團(tuán)0^,合并它包含的所有三維平面假設(shè),得到一個(gè)新的三維平面假設(shè)A,它的平面方程記為&.1 + &.7 + ^.2 + &=0,其中<formula>formula see original document page 23</formula> V ,、 — 附w ,、 附w
將{^(。|^ = 1,2,...,附卩中每個(gè)三維平面假設(shè)的所有成員直線特征投影到^上,得到的所有投影直線段成為5的成員直線特征。
由所有極大團(tuán)得到的三維平面假設(shè)集合記為。=^卜=1,2,...,巧,其中,^ = ,任意三維平面假設(shè)g的成員直線特征集合記為&w = (Z"J|7 = 1,2,…,^4 ,
任意一個(gè)成員直線特征Z"7的端點(diǎn)記為(f;:p^,^)和(巧2,^,^;:2)。
第(二)步,三維平面假設(shè)證實(shí)
第1步,分割三維平面假設(shè)為平面塊假設(shè)
對(duì)于任意一個(gè)三維平面假設(shè)巧e。,利用其成員直線特征&,.對(duì)它進(jìn)行分割,
得到若干平面塊假設(shè)。具體方法包括以下步驟第1)步,合并共線的成員直線特征
對(duì)于巧的任意兩個(gè)成員直線特征g,Z"iei^,計(jì)算它們所在直線的夾角,記
為//,以及s.的中點(diǎn)到忍所在直線的距離和忍的中點(diǎn)到s.所在直線的距離,分
別記為仏和772;
如果//<0并且771<^和//2<5,則判定S.和忍共線,用它們生成一個(gè)新的三維直線特征,該三維直線特征的兩個(gè)端點(diǎn)為g和g的相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)端點(diǎn),將新的三維直線特征添加到集合7^中,并從集合^^中刪除S和3 。
第2)步,計(jì)算巧的所有成員直線特征的交點(diǎn)
對(duì)于5的任意兩個(gè)成員直線特征&,gei^,如果它們所在直線的夾角&滿足Se^,,;r-巧],則計(jì)算4和Z;的交點(diǎn)或者它們的延長線的交點(diǎn)。所有計(jì)算的交點(diǎn)組成的集合記為《。第3)步,生成用于分割平面假設(shè)的無向圖
生成一個(gè)無向圖,記為《,它的節(jié)點(diǎn)由兩類點(diǎn)生成 一是交點(diǎn)集合《中的每個(gè)元素,二是對(duì)于i^,中任意一個(gè)成員直線特征,如果在它的一個(gè)端點(diǎn)外的延長線上沒有與i^中其它成員直線特征的交點(diǎn),并且該端點(diǎn)不是集合《中的元素,則該端點(diǎn)成為圖《的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
無向圖《中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系包括兩類 一是如果它們對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在同一個(gè)成員直線特征或其延長線上,并且這兩個(gè)點(diǎn)的連接線段上沒有與圖《中其它節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),則它們保持連接;二是構(gòu)造的連接關(guān)系,構(gòu)造方法如下
對(duì)于任意一個(gè)成員直線特征ZL ,如果它的一個(gè)或兩個(gè)端點(diǎn)是圖《的節(jié)點(diǎn),則分兩種情況進(jìn)行處理
第一種情況,g與i^.中的任意其它成員直線特征均不相交選擇任意成員直線特征ge&,,且-^a,指定它所在直線上與圖《中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn),這兩個(gè)點(diǎn)位于g的中點(diǎn)兩側(cè)并且它們之間的連接線段上沒有與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),將它們記為(A,《,^)和(X2,^,Z。,并計(jì)算<formula>formula see original document page 25</formula>
其中,(^,"^,^)和(Ua',2,S,2)是&的端點(diǎn)。對(duì)于任意Se^,且""、計(jì)算A,,2 一 Al
如果/5./6>0,則連接點(diǎn)(《,pFj"《,」和(Z2,r2,Z2)在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn),
以及點(diǎn)(《,2,Fj,2,《,2)和(A,i;,z,)在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。
第二種情況,S與i^中的至少一個(gè)其它成員直線特征相交
如果(&i,F(xiàn)j,^D與圖《的一個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng),選擇成員直線特征g或其延
長線上與(《"i^,Z")距離最近的交點(diǎn),記為(義3,g,z。,假定該交點(diǎn)是ZL與成
員直線特征r;的交點(diǎn)。選擇g或其延長線上的與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),如果
在它和點(diǎn)(13,73,23)之間的連線上沒有與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),則將它記為(i4,;r4,z4),如果這樣的點(diǎn)有兩個(gè),則分別將它們記為(14,74,24)和(^575,25)。如果(義4,1;,24)是3與其它成員直線特征的交點(diǎn),假定該成員直線特征為S,并且g或其延長線上存在與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),它滿足與點(diǎn)
(《,^",《0落在S同一 側(cè),并且與點(diǎn)(義4,^Z4)之間的連線上沒有與圖《中
節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),則連接它與點(diǎn)(《,pf",gj在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn);否則,連
接點(diǎn)(^^i^,《J和點(diǎn)(;T4,;r4,Z4)在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。如果(15,75,25)存在,則按照與(14,74,4)同樣的方法進(jìn)行處理。
如果 2,巧,2《,2;)是圖《的節(jié)點(diǎn),則構(gòu)造連接關(guān)系的方法與p;i^,D相同。第4)步,分割生成平面塊假設(shè)
搜索無向圖《中的所有環(huán),對(duì)于其中任意一個(gè)環(huán),如果它包含的屬于同一 個(gè)成員直線特征或其延長線的節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過2個(gè),則用它生成一個(gè)平面塊假設(shè), 它包含的所有節(jié)點(diǎn)按照其連接關(guān)系組成一個(gè)有序點(diǎn)集,表示該平面塊假設(shè)的頂 點(diǎn)集。
由。中所有平面分割得到的平面塊假設(shè)的集合記為Q = 卜=1,2,…,》j , 其中,任意 一 個(gè)平面塊假設(shè)之由它的頂點(diǎn)集來表示,記為 KK,H^l,2,…,y ,。中分割得到之的三維平面假設(shè)的方程記為
第2步,計(jì)算每個(gè)平面塊假設(shè)的可靠性測(cè)度
平面塊假設(shè)可靠性測(cè)度的計(jì)算依據(jù)已知的高程點(diǎn)集合J和左、右圖像,計(jì)算 J中每個(gè)點(diǎn)在左、右圖像中的投影,得到兩個(gè)平面點(diǎn)集,分別記為 厶={(4,風(fēng))卜1,2,...,^}和入={(0;)卜1,2,...,^},其中,(A,凡)與
(3^,5^)分別是J中的高程點(diǎn)(足,H)在左、右圖像中的投影點(diǎn)。
對(duì)任意平面塊假設(shè)^e^,計(jì)算其可靠性測(cè)度,包括下述步驟 第1)步,搜索被A覆蓋的已知高程點(diǎn)
投影平面塊假設(shè)之的頂點(diǎn)集到左、右圖像,記任意頂點(diǎn)(義w,n)在左、
右圖像中的投影分別為^;,j)^)和^ ,j) ),按照頂點(diǎn)集中各定點(diǎn)的順序分別 在左、右圖像中連接頂點(diǎn)的投影,形成之的兩個(gè)多邊形投影區(qū)域。
對(duì)于任意高程點(diǎn)(《,K)",如果其左圖像中的投影(4,風(fēng))位于g在左
圖像中的投影區(qū)域內(nèi),并且其右圖像中的投影^;,5^M立于A在右圖像中的投影 區(qū)域內(nèi),則判定高程點(diǎn)^^,K)被之覆蓋。
被之覆蓋的所有高程點(diǎn)組成的集合記為0",cJ,集合中元素的數(shù)量為c^。第2)步,計(jì)算高程一致性測(cè)度
如果^覆蓋的高程點(diǎn)個(gè)數(shù)^>0,則計(jì)算^的高程一致性測(cè)度為 ^ = 1
1
9 s
'2
(公式一)
其中,《.
女口果"化=0,貝1』£: = 0。 第3)步,計(jì)算灰度相似性測(cè)度
之在左圖像中的投影區(qū)域內(nèi)所有圖像點(diǎn)組成一個(gè)點(diǎn)集,記為《i,它們中所
有點(diǎn)的圖像灰度值組成一個(gè)數(shù)組,記為{~> = 1,2,...,0/
依據(jù)A在左、右圖像中三對(duì)同名點(diǎn)(;H)與(UO、 2,凡2)與
^2,i^)以及(UU與0^,i^)計(jì)算集合^中所有元素點(diǎn)在右圖像中的 同名點(diǎn),這些同名點(diǎn)組成的集合記為T^,它們中所有點(diǎn)的圖像灰度值由插值算
法得到,這些灰度值組成另一個(gè)數(shù)組,記為{/^> = 1,2,..., }。計(jì)算^在左、右
圖像中的投影區(qū)域之間的灰度相似性測(cè)度為
一 、/一 、
y(/ -f ) '—[
LV w, w八 , w
一 \2
— 1 A — 1
其中,、=丄^,《=丄2>,,,/ "
第4)步,計(jì)算之的可靠性測(cè)度
E/7 ,-f 1 〃1" 〃M
(公式二)之的可靠性測(cè)度為
「《.(《+l)/2《>。
(公式三)
乂《+1)/2 《=0 第3步,搜索可靠的平面塊假設(shè)
分兩個(gè)步驟完成
第1)步,搜索有已知高程點(diǎn)覆蓋的可靠平面塊假設(shè)
建立一個(gè)無向圖,對(duì)于任意一個(gè)平面塊假設(shè)凡e^,如果五^>0,則用它 生成該無向圖的一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的屬性值為^;對(duì)于任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn),如果它們 對(duì)應(yīng)的平面塊假設(shè)在左、右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則連接它們。
計(jì)算該無向圖的所有極大團(tuán),從中選取節(jié)點(diǎn)屬性值之和最大的極大團(tuán)包含 的所有平面塊假設(shè)的集合,記為&,它表示有覆蓋的高程點(diǎn)作為衡量依據(jù)的可
罪
平面塊假設(shè)。
第2)步,搜索沒有已知高程點(diǎn)覆蓋的可靠平面塊假設(shè)
建立一個(gè)無向圖,對(duì)于任意一個(gè)平面塊假設(shè)^ ,如果£^ =0并且它與& 中任意一個(gè)平面塊假設(shè)在左、右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則用之生 成該無向圖的一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的屬性值為&;對(duì)于任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn),如果它們對(duì) 應(yīng)的平面塊假設(shè)在左、右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則連接它們。
計(jì)算該無向圖的所有極大團(tuán),從中選取節(jié)點(diǎn)屬性值之和最大的極大團(tuán)包含 的所有平面塊假設(shè)的集合,記為《2,它表示沒有覆蓋的高程點(diǎn)作為衡量依據(jù)并 且與^中所有平面塊假設(shè)可共存的可靠平面塊假設(shè)。
將^ Ui^包含的所有平面塊假設(shè)作為可靠平面塊假設(shè)。 第4步,合并共面的可靠平面塊假設(shè) 第l)步,判定平面塊假設(shè)的共面關(guān)系對(duì)于任意兩個(gè)可靠平面塊假設(shè)^,^e^Ui^,如果下面的不等式組成立, J定A和戶,共面
<formula>formula see original document page 30</formula>
第2)步,搜索共面的可靠平面塊假設(shè)
生成一個(gè)無向圖,記為6,用^U《2中每一個(gè)可靠平面塊假設(shè)生成一個(gè)節(jié) 點(diǎn),如果任意兩個(gè)可靠平面塊假設(shè)是共面的,則連接它們對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。
計(jì)算圖d的所有極大團(tuán),記為{&卜=1,2,...,々2},任意一個(gè)極大團(tuán)么是圖d
的一個(gè)子集,記為^^)l/^l,2,…^^czAUA,該子集中任意兩個(gè)可靠平面塊 假設(shè)都是共面的。
第3)步,合并共面的可靠平面塊假設(shè)
對(duì)于任意一個(gè)極大團(tuán)么,合并它包含的所有可靠平面塊假設(shè),得到一個(gè)開
放平面月,平面方程記為5.x +『.:r+F,.z + S-o,其中—. i
S(K)' ,(" + Cf
54》
6,
附
V r刺
<formula>formula see original document page 31</formula>刺
柳
+ ~ "2 + ^ 、2<formula>formula see original document page 31</formula>一
ff^ 一 /h、. W
、 k=1 a:=1
將^4w^-l,2,…^^中每個(gè)可靠平面塊假設(shè)的所有頂點(diǎn)投影到g上,按照 平面塊假設(shè)中頂點(diǎn)間的順序順次連接所有投影點(diǎn),得到的所有投影直線段成為
月的成員直線特征。
合并后得到的所有開放平面記為3 = {月卜=1,2,...,巧,其中,f =》e,它
們對(duì)應(yīng)的三維平面真實(shí)邊界是未知的,任意開放平面g的平面方程為 g-1 + 5 J + ^ 7 + 3=0 ,它的所有成員直線特征的集合記為
^ = {f;|/ = i,2,'",^ ,任意一個(gè)成員直線特征5的端點(diǎn)記為(f,:^〗,f,。和
^7"S 力 A/,2,7/,2 力/,
第二步,構(gòu)造平面的邊界
第(一)步,利用開放平面的成員直線特征和平面交線構(gòu)造平面邊界假設(shè) 第i步,生成平面交線集合
任意選取兩個(gè)開放平面月,^.e^,如果
^ ,3,. +Z ; +5. L / 一 j 一 <cos ^ )
判定它們可相交,計(jì)算它們的交線方程,記為^^=1^=^^。
仏,廠".由所有的平面交線組成的集合記為t/。
第2步,判定平面交線與平面成員直線特征間的共線關(guān)系并修改開放平面 的成員直線特征集合
對(duì)于任意開放平面耳,在f/中選擇它與^的任意開放平面的交線,如果它 的任意成員直線特征罵ei5,所在直線與該平面交線的夾角小于-,并且f;的中 點(diǎn)到平面交線的距離小于"則判定f;與該平面交線共線,并從開放平面月的成 員直線特征集合7^中刪除^。
由所有與,的某個(gè)成員直線特征共線的平面交線組成的集合,記為7&/。
第3步,補(bǔ)充缺失的開放平面
對(duì)于任意一個(gè)開放平面,的任意一個(gè)成員直線特征^ e ,應(yīng)用一種由單
條三維直線生成平面假設(shè)的方法,由它生成一個(gè)新的開放平面,3成為它的成 員直線特征,添加該平面到集合3中。
第4步,針對(duì)補(bǔ)充的開放平面計(jì)算平面交線
對(duì)于任意一個(gè)開放平面ge3,如果它是由單條三維直線生成的,則利用與 第l步相同的方法,計(jì)算它與任意其它開放平面^e^的交線,并將該平面交線 添加到集合f/中;如果該平面交線與g的任意成員直線特征所在直線的夾角小
于^,并且r;的中點(diǎn)到平面交線的距離小于"則將該平面交線添加到直線集合
^/中,并從集合i^v中刪除這個(gè)共線的成員直線特征。 第5步,添加平面交線為開放平面的成員直線特征
對(duì)于集合t/中的任意一條平面交線,假定它是開放平面g和g的交線,則 將該平面交線添加到g和g的成員直線特征集合和^v中去。 新增加的成員直線特征的端點(diǎn)此時(shí)是未定的。
第6步,判定開放平面的成員直線特征集合中任意平面交線與其它成員直線特征是否相交
對(duì)于任意開放平面g的任意一個(gè)成員直線特征,如果它屬于集合C7,并且
它與g的任意其它成員直線特征的夾角屬于范圍[仍,;r-仍],則判定這兩個(gè)成員
直線特征相交。
第7步,由開放平面的成員直線特征構(gòu)造平面邊界
方法包括以下步驟
第l)步,拆分開放平面的所有成員直線特征到兩個(gè)子集
對(duì)于任意一個(gè)開放平面g,將它的所有成員直線特征拆分成兩個(gè)子集,一
個(gè)子集是i^n^^',記為M,另一個(gè)子集是^ \# ',記為^。 第2)步,生成無向圖集合
生成K的所有子集。
選取K的任意一個(gè)子集與W組成一個(gè)新的成員直線特征集,記為t/。,生成 一個(gè)無向圖。該無向圖以t/。中每個(gè)成員直線特征作為節(jié)點(diǎn),如果任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的成員直線特征相交,則將它們連接起來。
第3)步,生成平面邊界
在上一步得到的每個(gè)無向圖中搜索它的所有Hamilton圈,對(duì)于每個(gè)不重復(fù) 的圈,按照其中包含的節(jié)點(diǎn)間連接順序,計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成員直線特征的 交點(diǎn),把它們作為頂點(diǎn),生成一個(gè)閉合平面假設(shè);如果不存在Hamilton圈,則 搜索所有Hamilton路徑,對(duì)于每個(gè)不重復(fù)的路徑,按照其中包含的節(jié)點(diǎn)間連接 順序,計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成員直線特征的交點(diǎn),把它們作為頂點(diǎn),生成一個(gè) 半開放平面假設(shè)。
生成的所有閉合平面假設(shè)和半開放平面假設(shè)組成的集合記為 Q'"《^",2,…,A^,其中任意一個(gè)元素《用它的有序頂點(diǎn)集合表示,記為j、i,2,…,"/ ,如果t;1 = ,表示《是一個(gè)閉合平面假設(shè),否貝U,
表示《是一個(gè)半開放平面假設(shè)。任意一個(gè)閉合或半開放平面假設(shè)《的平面方程 與生成它的開放平面是相同的,為了與Q'對(duì)應(yīng),該平面方程重寫為 《'x+《j+c; .z +《=o。
第(二)步,利用提取直線特征以及啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺 失邊界
對(duì)于任意平面假設(shè)/l'ecr,如果它是半開放的,則為它補(bǔ)充缺失的邊界, 首先利用提取直線特征盡和/^ ,如果能夠搜索到可用于補(bǔ)充缺失邊界的直線特
征,則該步驟結(jié)束,生成一個(gè)或多個(gè)閉合平面假設(shè);否則,利用啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ) 充缺失的邊界,生成一個(gè)閉合平面假設(shè)。方法如下
第1步,利用圖像中提取的直線特征補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界 第1)步,計(jì)算尸/的缺失邊界在左、右圖像中投影的所在區(qū)域
投影《到左、右圖像,分別得到點(diǎn)集{77/[/ = 1,2,...,"/}和
卜/卜l,2,…,"小
設(shè)定一個(gè)表示直線特征完整性的距離門限&,它表示,在一幅圖像中,如 果一個(gè)直線特征是未提取完整的,那么它的真正端點(diǎn)到它被提取的端點(diǎn)之間的 距離小于&。
指定《的缺失邊界在左圖像中投影所在的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)四邊形,記為凡、它
的頂點(diǎn)分別記為g。 g2、 &和&,其中,^=77〗,g2=77,', &是線段77,'—Y/^'
的延長線上到點(diǎn)g2的距離為/^的點(diǎn),A是線段r《7^的延長線上到點(diǎn)&的距離
為&的點(diǎn),連接它們成為《的四條邊&&、 g2g3、 i^;和"。利用類似的方法,計(jì)算《的缺失邊界在右圖像中投影所在的區(qū)域i^,它的
四個(gè)頂點(diǎn)分別記為g,'、 g2'、 g/和g/。
第2)步,禾擁區(qū)域《和內(nèi)的巧和//2中的直線特征補(bǔ)充半開放平面假設(shè)
的缺失邊界
對(duì)于盡中任意一個(gè)直線特征,如果它的兩個(gè)端點(diǎn)都落在i^內(nèi),并且它的延
長線與線段^和"相交,則連接兩個(gè)交點(diǎn)得到一條直線段,根據(jù)g'的平面 方程以及攝影測(cè)量理論中的共線方程,計(jì)算該直線段的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維空 間點(diǎn),與《的頂點(diǎn)集中除"和7,'之外的所有頂點(diǎn)一起,生成一個(gè)閉合平面假 設(shè)。對(duì)于//2中任意一個(gè)直線特征,如果它的兩個(gè)端點(diǎn)都落在Af內(nèi),并且它的延
長線與線段&'&'和g/g/相交,計(jì)算它的端點(diǎn)在左圖像中的同名點(diǎn),同名點(diǎn)的
計(jì)算方法與本發(fā)明的第一步中第(二)步的第2步的第3)步的同名點(diǎn)計(jì)算方法 相同,連接兩個(gè)同名點(diǎn)為一條直線段,如果這條直線段與左圖像中搜索到的任 意一條缺失邊界都不共線,則計(jì)算在右圖像中該直線特征的延長線與線段g/g/
和g/g/的交點(diǎn),連接這兩個(gè)交點(diǎn)得到一條直線段,根據(jù)《的平面方程以及攝影 測(cè)量理論中的共線方程,計(jì)算該直線段的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維空間點(diǎn),與《的 頂點(diǎn)集中除《和7,'之外的所有頂點(diǎn)一起,生成一個(gè)閉合平面假設(shè)。 第2步,依據(jù)啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界
如果分別以^和7;"。r^為共用邊界、與尸/相鄰的兩個(gè)平面假設(shè)均已得
到完整的邊界,依據(jù)相鄰多邊形平面共用邊等長的規(guī)則,在,5或其延長線上 指定一點(diǎn)^ ,使得線段^和以^為共用邊界的相鄰平面假設(shè)的共用邊界等
長,在r,i7^'或其延長線上指定一點(diǎn)①2,使得線段r/^①2和以7;""7^為共用 邊界的相鄰平面假設(shè)的共用邊界等長,線段^成為補(bǔ)充的缺失邊界。
如果分別以^ 和7T'—力《為共用邊界與《相鄰的兩個(gè)平面假設(shè)中只有一個(gè)平面假設(shè)已得到完整的邊界,假定這個(gè)相鄰平面假設(shè)為尸/,并且""是戶/與 《的共用邊界,則依據(jù)相鄰多邊形平面共用邊界等長的規(guī)則,在^或其延長
線上指定一點(diǎn),使得線段^與戶/的共用邊界等長,在7;""7^或其延長線上
指定一點(diǎn)02,使得線段7T'—i(^與^;等長,線段^;成為補(bǔ)充的缺失邊界。
根據(jù)《的平面方程以及攝影測(cè)量理論中的共線方程,計(jì)算^和(1)2對(duì)應(yīng)的
三維空間點(diǎn),與《的頂點(diǎn)集中除r/和7^'之外的所有頂點(diǎn)一起,生成一個(gè)閉合
平面假設(shè)。
這里的共用邊界是指相鄰兩個(gè)多邊形平面共同擁有的邊界線。
將Q'中的閉合平面假設(shè)與由Q'中的半開放平面假設(shè)生成的閉合平面假設(shè) 合并成為閉合平面假設(shè)集合,記為0〃 = "'|/ = 1,2廣.,7\^,其中,任意閉合平面 假設(shè)/f由《條邊界線組成。
第(三)步,選取全局最優(yōu)的閉合平面假設(shè)
第1步,計(jì)算閉合平面假設(shè)的可靠性測(cè)度
對(duì)于任意一個(gè)閉合平面假設(shè)/feQ",利用公式一計(jì)算/f的高程一致性測(cè)度,
如果〃覆蓋的已知高程點(diǎn)數(shù)為o,則指定它的高程一致性測(cè)度為i/(2.;t),利用
公式三,計(jì)算它的可靠性測(cè)度,記為£/';在if所在平面上,指定它的每條邊界
線外緊鄰的、以該邊界線作為一條長邊的一個(gè)矩形平面區(qū)域,長等于邊界線的 長度,寬等于長的一半,利用公式一計(jì)算該矩形平面區(qū)域的高程一致性測(cè)度,
如果它覆蓋的已知高程點(diǎn)數(shù)為o,則指定它的高程一致性測(cè)度為i/(2.;i),利用
公式三,計(jì)算它的可靠性測(cè)度,記由第y條邊界線對(duì) 的矩形平面區(qū)域的可靠性 測(cè)度為g,/,依據(jù)下面的公式計(jì)算閉合平面假設(shè)/f的邊界對(duì)應(yīng)真實(shí)平面邊界的 可靠性測(cè)度為K=^^ (公式四)
7=1
第2步,求解最優(yōu)閉合平面假設(shè)
生成一個(gè)無向圖,記為G",以集合cr中每個(gè)閉合平面假設(shè)為一個(gè)節(jié)點(diǎn),利 用公式四計(jì)算的可靠性測(cè)度作為與閉合平面假設(shè)相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的屬性,如果任 意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的閉合平面假設(shè)在左圖像和右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊 部分,則連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn),否則不連接。計(jì)算圖cr的所有極大團(tuán),從中選取節(jié) 點(diǎn)屬性值之和最大的極大團(tuán)包含的所有閉合平面假設(shè),作為最優(yōu)閉合平面假設(shè), 即三維平面提取結(jié)果。
圖l是本發(fā)明所述的三維平面提取方法流程的示意圖; 圖2是計(jì)算平面塊假設(shè)的高程一致性測(cè)度的示意圖; 圖3是依據(jù)啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步解釋。
圖l是本發(fā)明方法所述的三維平面提取方法流程的示意圖;技術(shù)方案包括 第一步,求解目標(biāo)表面所在的開放三維平面,本步驟又分為兩步,第(一)步, 三維平面假設(shè)生成,本步驟又分為兩個(gè)子步驟,第1步,計(jì)算三維平面假設(shè), 第2步,合并共面的三維平面假設(shè),第(二)步,三維平面假設(shè)證實(shí),本步驟 又分為四個(gè)子步驟,第1步,分割三維平面假設(shè)為平面塊假設(shè),第2步,計(jì)算 每個(gè)平面塊假設(shè)的可靠性測(cè)度,第3步,搜索最可靠的平面塊假設(shè),第4步, 合并共面的可靠平面塊假設(shè);第二步,構(gòu)造平面的邊界,本步驟又分為三步,第(一)步,利用開放平面的成員直線特征和平面交線構(gòu)造平面邊界假設(shè),本 步驟又分為七個(gè)子步驟,第1步,生成平面交線集合,第2步,判定平面交線 與平面成員直線特征間的共線關(guān)系并修改開放平面的成員直線特征集合,第3
步,補(bǔ)充缺失的開放平面,第4步,針對(duì)補(bǔ)充的開放平面計(jì)算平面交線,第5 步,添加平面交線為幵放平面的成員直線特征,第6步,判定開放平面的成員 直線特征集合中任意平面交線與其它成員直線特征是否相交,第7步,由開放 平面的成員直線特征構(gòu)造平面邊界,第(二)步,利用提取直線特征以及啟發(fā) 式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界,本步驟又分為兩個(gè)子步驟,第1步, 利用圖像中提取的直線特征補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界,第2步,依據(jù)啟 發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界,第(三)步,選取全局最優(yōu)的閉合 平面假設(shè),本步驟又分為兩個(gè)子步驟,第1步,計(jì)算閉合平面假設(shè)的可靠性測(cè) 度,第2步,求解最優(yōu)閉合平面假設(shè)。
圖2是本發(fā)明方法所述的第一步的第(二)步中第2步計(jì)算平面塊假設(shè)的高 程一致性測(cè)度的示意圖Q和q是左右相機(jī)中心,高程點(diǎn)(之r,《,《)與q和Q 的連線分別交平面塊于點(diǎn)^和巧。該方法分別計(jì)算高程點(diǎn)^^,g,《)與點(diǎn)巧、F2 的距離,如果這兩個(gè)距離越小,表示該平面塊假設(shè)與高程點(diǎn)^^,t《)的一致性 越好。
圖3是本發(fā)明方法所述的第二步的第(二)步中第2步利用啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充 半開放平面假設(shè)的缺失邊界的示意圖假定半開放平面假設(shè)具有兩條已知的邊 界,圖3a)中,A和B都是具有完整邊界的閉合平面假設(shè),C是一個(gè)半開放平面 假設(shè),^是A和C的共用邊界線,^f是B和C的共用邊界線,虛線是依 據(jù)共用邊界線等長的啟發(fā)性規(guī)則為平面C補(bǔ)充的缺失邊界線^ ;圖3 b)中, 與圖3 a)中不同的地方是,B也是一個(gè)半開放平面假設(shè),首先,利用A和C的共用邊界線等長的規(guī)則,指定C的缺失邊界線的一個(gè)端點(diǎn)^ ,再根據(jù)B和C的
共用邊界線與A和C的共用邊界線等長的規(guī)則,指定缺失邊界線的另一個(gè)端點(diǎn)
o2,連接它們,生成半開放平面假設(shè)c的缺失邊界線。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明中的有關(guān)細(xì)節(jié)。 第一點(diǎn),計(jì)算三維空間點(diǎn)在三維平面上的投影 本發(fā)明中所述的投影三維空間點(diǎn)到三維平面的步驟均采用下面的方法,具
體內(nèi)容為
假定三維空間點(diǎn)為(x。,:r。,z。),三維平面方程為".義+6.:r+c.z+d-o, 則該三維空間點(diǎn)在這個(gè)三維平面上的投影(^;,r。',z。'),其中
z0
第二點(diǎn),計(jì)算三維空間點(diǎn)在左、右圖像上的投影 本發(fā)明中所述的投影三維空間點(diǎn)到已知的左、右圖像的步驟均采用下面的
方法,具體內(nèi)容為
根據(jù)攝影測(cè)量理論,利用已知的左、右圖像成像參數(shù),可以得到每幅圖像 相關(guān)的共線方程組,依據(jù)共線方程可以計(jì)算三維空間點(diǎn)在左、右圖像中的投影。
由圖像成像參數(shù)獲得共線方程組的方法具體參見Wang Zhizhuo, Principles of photogmmmetry with remote sensing, Press of Wuhan Technical University of Surveying and Mapping, 1990, 18-26。
第三點(diǎn),計(jì)算三維直線段在三維平面上的投影
本發(fā)明中所述的投影三維直線段到三維平面的步驟均采用下面的方法,具體內(nèi)容為
按照投影三維空間點(diǎn)到三維平面的方法,分別投影直線段的兩個(gè)端點(diǎn)到三 維平面上,連接得到的兩個(gè)投影點(diǎn)為一條直線段,這條直線段就是所求的投影。 第四點(diǎn),計(jì)算三維直線段在左、右圖像上的投影
本發(fā)明中所述的投影三維直線段到己知的左、右圖像的步驟均采用下面的 方法,具體內(nèi)容為
按照投影三維直線段到左、右圖像的方法,分別投影直線段的兩個(gè)端點(diǎn)到 左、右圖像上,連接每幅圖像中得到的兩個(gè)投影點(diǎn)為一條直線段,這兩條直線 段就是所求的投影。
第五點(diǎn),梯度下降法計(jì)算平面方程
在本發(fā)明第一步的第(一)步中第2步中,采用梯度下降法計(jì)算由A,和丄,,指
定的平面方程的方法,具體內(nèi)容為
已知用于生成平面的兩個(gè)三維直線特征A^s和丄,
(A"Uj和d,Uj以及(A,^,^)和(Uv2,^2 平面方程的方法由以下三個(gè)步驟組成
第1)步,求解平面方程系數(shù)的初值 計(jì)算點(diǎn)(義。,y。,Z。)和兩個(gè)量值A(chǔ)、 Dv,其中
、Z0 = (Z 1 + Z 2 + Zvl + Zv2)/4
A = a/(乙-D2 + (4 - L)2 + - Z 2)2 A =— L )2 + (4 — 4)2 + (Zvl - Zv2 )2
eS,端點(diǎn)分別為 ,計(jì)算由它們確定
得到丄 和Lv的歸一化方向矢量為=
Y— Y y 一 y
氣l 1 2 1
Z)..
和- <formula>formula see original document page 41</formula>
,以及它們的叉積v"xv,(a / "。<formula>formula see original document page 41</formula>計(jì)算7 = -(".^)+〃.幾+義.2(0,得到一個(gè)四維矢量("〃 y幻;計(jì)算 三維矢量("'/) = (vw + vv)x(a "", 進(jìn) 一 步計(jì)算
z。+,a十/.z。;)得到另一個(gè)四維矢量(a' , / y)。
依據(jù)目標(biāo)函數(shù)
+(".zvl+6.;rvl+。zvl + d)2+(^xv2+6.:rv2+c.zv2 + d)2 如果" y》>/ , 平面方程系數(shù)的初值
c^)-("(0) "W)為(a'Z /),否則為(a P y力。
第2)步,利用梯度下降法計(jì)算平面方程系數(shù)
目標(biāo)函數(shù)為/("Ac^),平面方程系數(shù)初值為cpW =("(。) J(W),
迭代收斂條件為V(3//a02 ++ (3//&)2 + (3//a/)2 w<o.oi,利用梯度
下降法計(jì)算最優(yōu)的平面方程系數(shù)。
梯度下降法的計(jì)算過程參見陽明盛、羅長童著的《最優(yōu)化原理、方法及求
解軟件》,北京科學(xué)出版社,2006年,第23-31頁。 第3)步,得到平面假設(shè)
計(jì)算/ = /(^,#),),#)),如果/>"2,則不生成平面假設(shè);否則得到平
面假設(shè)方程為"w. i + 6W. r+cw. z + dw = o 。
第六點(diǎn),極大團(tuán)快速求解方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明中所有的極大團(tuán)求解均采用一種快速的極大團(tuán)求解方法,具體參見
Tomita E, Tanaka A, Takahashia H. The worst-case time complexity for generating all maximal cliques and computational experiments. Theoretical Computer Science,2006,363:28-42。
第七點(diǎn),依據(jù)A在左、右圖像中三對(duì)同名點(diǎn)(Ud)與(U^)、
(UU與d2)以及(uu與(k3,k3),計(jì)算集合《中任意一點(diǎn)在 右圖像中的同名點(diǎn)
在本發(fā)明第一步的第(二)步中的第2步的第3)步中,利用A在左、右圖
像中三對(duì)同名點(diǎn)(UU與(UO、 (UU與(^2,jVw2)以及(UU
與(^;3,>;,3),計(jì)算左投影多邊形內(nèi)任意點(diǎn)在右圖像中的同名點(diǎn),具體內(nèi)容為
生成矢量F和矩陣M分別為<formula>formula see original document page 42</formula>
計(jì)算s平面上同名點(diǎn)之間的變換式系數(shù)
則A在左圖像中投影區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)(AA)在右圖像中的同名點(diǎn)為
第八點(diǎn),本發(fā)明第一步的第(二)步的第2步的第3)步中計(jì)算K:中任意 圖像點(diǎn)灰度值的插值算法采用雙線性插值算法。 第九點(diǎn),由單條三維直線生成平面假設(shè)的方法
在本發(fā)明第二步的第(一)步中的第3步中,利用單條三維直線特征生成 三維平面假設(shè)的方法參見一種利用多視圖像提取三維平面并重建建筑物的方 法,艮卩Baillard C, Zisserman A. A plane-sweep strategy for the 3D reconstruction ofbuildings from multiple images. 75Pi S J(9z^wa/ o/ P/w/ognawme^y i ewo/e
S畫'"g, 2000, 33(B2): 56-62。
第十點(diǎn),在無向圖中搜索Hamilton圈和Hamilton路徑的方法 在本發(fā)明第二步的第(一)步中的第7步中,在無向圖中搜索Hamilton圈
和Hamilton路徑的方法參考范益政,汪毅,龔世才等譯的《圖論導(dǎo)引》,北京
人民郵電出版社,Gary Chartrand, Ping Zhang著.2007年,第122-136頁。
權(quán)利要求
1.一種三維平面提取方法,已知目標(biāo)場(chǎng)景中的三維直線特征集和稀疏數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、從兩個(gè)不同視角獲取的目標(biāo)場(chǎng)景的立體圖像及獲取它們的立體相機(jī)的所有內(nèi)、外參數(shù)、對(duì)立體圖像的直線提取結(jié)果,其特征在于,具體包括下述步驟第一步,獲取目標(biāo)表面所在開放三維平面的高精度定位信息利用三維直線特征生成開放的三維平面假設(shè),利用三維平面假設(shè)的成員直線特征分割開放的三維平面假設(shè)形成多個(gè)平面塊假設(shè),利用多個(gè)平面塊假設(shè)選取最優(yōu)平面塊假設(shè),最后合并最優(yōu)的平面塊假設(shè),生成開放三維平面;第二步,構(gòu)造平面的邊界基于生成的開放三維平面,利用開放三維平面的成員直線特征和平面間交線構(gòu)造平面邊界,再利用立體圖像中提取的直線特征和啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充缺失的平面邊界,由平面邊界生成閉合平面假設(shè),利用優(yōu)化方法選擇最優(yōu)的閉合平面假設(shè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維平面提取方法,其特征在于已知某一場(chǎng)景的不同視角的兩幅圖像,分別稱為左、右圖像,以及攝取這 兩幅圖像的左、右相機(jī)的所有內(nèi)、外參數(shù),其中左、右相機(jī)攝影中心在世界坐 標(biāo)系中的坐標(biāo)分別記為(101,1^,201)和(102,1^2,202);由這兩幅圖像中提取的直 線特征集,分別記為巧和//2;已知該場(chǎng)景中的A^條三維直線特征,記為 5 =仏.|/ = 1,2, ,7\^,該集合中的任意元素A.表示一條三維直線段,它的兩個(gè) 端點(diǎn)分別為(X,p^,Zj和(A2,"2,Zi2);已知該場(chǎng)景中的稀疏DEM數(shù)據(jù),記為高程點(diǎn)集合</—(足,《,《> =1,2,該集合中元素的平均誤差為義; 第一步,求解目標(biāo)表面所在的開放三維平面第(一)步,三維平面假設(shè)生成設(shè)定角度門限0;設(shè)定距離門限"設(shè)定目標(biāo)表面的任意一個(gè)平面的兩條相鄰邊界所在直線的夾角范圍為 外],目標(biāo)表面的任意兩個(gè)相鄰平面間的最小夾角為&;第1步,計(jì)算三維平面假設(shè)對(duì)集合S中的三維直線特征兩兩組合,生成三維平面假設(shè)集合Q = 0|/ = 1,2,...,A^ ,對(duì)于其中任意一個(gè)三維平面假設(shè)s ,平面方程為a,. x+a . :r+。. z +《=o ,用于生成它的兩個(gè)三維直線特征稱為s的成員直線特征;第2步,合并共面的三維平面假設(shè)對(duì)集合D中所有共面的三維平面假設(shè)進(jìn)行合并,得到的三維平面假設(shè)集合 記為^—5卜=1,2,...,^},任意三維平面假設(shè)5的成員直線特征集合記為&w = {r;^=i,2, ,<},任意一個(gè)成員直線特征^的端點(diǎn)記為(&;巧:;,S)和第(二)步,三維平面假設(shè)證實(shí)第1步,分割三維平面假設(shè)為平面塊假設(shè)對(duì)于任意一個(gè)三維平面假設(shè)巧e。,利用其成員直線特征&,.對(duì)它進(jìn)行分割,得到若干平面塊假設(shè);由。中所有平面分割得到的平面塊假設(shè)的集合記為6 = pw|w = 1,2,…,",其中,任意 一 個(gè)平面塊假設(shè)&由它的頂點(diǎn)集來表示,記為 {(之,,4.,4)|_/ = 1,2,,。中分割得到之的三維平面假設(shè)的方程記為第2步,計(jì)算每個(gè)平面塊假設(shè)的可靠性測(cè)度平面塊假設(shè)可靠性測(cè)度的計(jì)算依據(jù)已知的高程點(diǎn)集合J和左、右圖像,計(jì)算J中每個(gè)點(diǎn)在左、右圖像中的投影,得到兩個(gè)平面點(diǎn)集,分別記為々H(《,風(fēng))l"l,2,…,A^和J,((^;,^;)lr",2,…,A^,其中,(A,風(fēng))與 (、,)分別是J中的高程點(diǎn)(足,《,《)在左、右圖像中的投影點(diǎn);對(duì)任意平面塊假設(shè)& e 6 ,計(jì)算其可靠性測(cè)度; 第3步,搜索可靠的平面塊假設(shè); 第4步,合并共面的可靠平面塊假設(shè);合并后得到的所有開放平面記為^ = ^卜=1,2,...,巧,它們對(duì)應(yīng)的三維平面真實(shí)邊界是未知的,任意開放平面g的平面方程為g. x +.;r+^. z + 5 = o , 它的所有成員直線特征的集合記為^—f;l"i,2,…,q,任意一個(gè)成員直線特征5的端點(diǎn)記為(f,, , ^ , f^)和(f,:2 , ^, f,:2);第二步,構(gòu)造平面的邊界第(一)步,利用開放平面的成員直線特征和平面交線構(gòu)造平面邊界假設(shè) 第1步,生成平面交線集合任意選取兩個(gè)開放平面月,^.e^,如果,3/ + ^ +巧2 . + ~2 + f<cos(&)判定它們可相交,計(jì)算它們的交線方程,記為^^ = 1^ = £^;由所有的平面交線組成的集合記為t/ ;第2步,判定平面交線與平面成員直線特征間的共線關(guān)系并修改開放平面 的成員直線特征集合對(duì)于任意開放平面諤,在t/中選擇它與5的任意開放平面的交線,如果它的 任意成員直線特征^e7^所在直線與該平面交線的夾角小于^,并且^的中點(diǎn)到平面交線的距離小于"則判定罵與該平面交線共線,并從開放平面g的成員 直線特征集合^^中刪除^;由所有與,的某個(gè)成員直線特征共線的平面交線組成的集合,記為#/;第3步,補(bǔ)充缺失的開放平面對(duì)于任意一個(gè)開放平面月的任意一個(gè)成員直線特征^ei^,應(yīng)用一種由單條三維直線生成平面假設(shè)的方法,由它生成一個(gè)新的開放平面,r;成為它的成員直線特征,添加該平面到集合^中;第4步,針對(duì)補(bǔ)充的開放平面計(jì)算平面交線對(duì)于任意一個(gè)開放平面^e^,如果它是由單條三維直線生成的,則計(jì)算它 與任意其它開放平面罵e^的交線,并將該平面交線添加到集合t/中;如果該平 面交線與g的任意成員直線特征所在直線的夾角小于-,并且f;的中點(diǎn)到平面交 線的距離小于s,則將該平面交線添加到直線集合^/中,并從集合i^中刪除 這個(gè)共線的成員直線特征;第5步,添加平面交線為開放平面的成員直線特征對(duì)于集合f/中的任意一條平面交線,假定它是開放平面g和g的交線,則 將該平面交線添加到5和g的成員直線特征集合^^"和中去;第6步,判定開放平面的成員直線特征集合中任意平面交線與其它成員直 線特征是否相交對(duì)于任意開放平面g的任意一個(gè)成員直線特征,如果它屬于集合C7,并且 它與罵的任意其它成員直線特征的夾角屬于范圍[仍,冗-仍],則判定這兩個(gè)成員 直線特征相交;第7步,由開放平面的成員直線特征構(gòu)造平面邊界生成的所有閉合平面假設(shè)和半開放平面假設(shè)組成的集合記為Q'=《1/^1,2,…,W ,其中任意一個(gè)元素《用它的有序頂點(diǎn)集合表示,記為乂 = 1,2廣-,"/ 《的平面方程為《-jr +《-r +《-z +《二o;第(二)步,利用提取直線特征以及啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺 失邊界對(duì)于任意平面假設(shè)/Ve。',如果它是半開放的,則為它補(bǔ)充缺失的邊界, 首先利用提取直線特征/^和/^ ,如果能夠搜索到可用于補(bǔ)充缺失邊界的直線特征,則該步驟結(jié)束,生成一個(gè)或多個(gè)閉合平面假設(shè);否則,利用啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ) 充缺失的邊界,生成一個(gè)閉合平面假設(shè);第(三)步,選取全局最優(yōu)的閉合平面假設(shè)第1步,計(jì)算閉合平面假設(shè)的可靠性測(cè)度;第2步,求解最優(yōu)閉合平面假設(shè)生成一個(gè)無向圖,記為G",以集合Q"中每個(gè)閉合平面假設(shè)為一個(gè)節(jié)點(diǎn),其 可靠性測(cè)度作為與閉合平面假設(shè)相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的屬性,如果任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng) 的閉合平面假設(shè)在左圖像和右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則連接這 兩個(gè)節(jié)點(diǎn),否則不連接;計(jì)算圖G"的所有極大團(tuán),從中選取節(jié)點(diǎn)屬性值之和最 大的極大團(tuán)包含的所有閉合平面假設(shè),作為三維平面提取結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維平面提取方法,其特征在于,對(duì)集合S中的三維 直線特征兩兩組合,生成三維平面假設(shè),具體步驟為-任選兩個(gè)三維直線特征A^S和4eS , 4的端點(diǎn)為(Ap4,z"0和(^2,H),丄v的端點(diǎn)為(^,&,^)和(^2,j;2,Zv2),利用它們定義目標(biāo)函數(shù)/(",Z),C,(i):zvl++ (a zv2+. ;rv2+c. zv2 + <i) 采用梯度下降法計(jì)算/("Ac,力取最小值時(shí)的("Ac,0,得到由z"和a指定的三維平面假設(shè)方程為".1 + 6.7 + 。2 + " = 0。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維平面提取方法,其特征在于,合并共面的三維平面假設(shè)的方法是對(duì)于任意一個(gè)三維平面假設(shè)seQ,計(jì)算它的兩個(gè)成員直線特征中點(diǎn)連線的中點(diǎn)在平面s上的投影,記為(x"ii,zL第l)步,判定三維平面假設(shè)的共面關(guān)系對(duì)于任意兩個(gè)三維平面假設(shè)《eQ和巧eQ,如果滿足下面的不等式組,則 判定f和P,共面<formula>formula see original document page 7</formula>第2)步,搜索共面的三維平面假設(shè)生成一個(gè)無向圖G,將每個(gè)三維平面假設(shè)《eQ作為一個(gè)節(jié)點(diǎn),如果任意兩 個(gè)三維平面假設(shè)是共面的,則它們對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間保持連接,否則不連接;計(jì)算無向圖G的所有極大團(tuán),記為^」M^l,2,…,iVd,任意一個(gè)極大團(tuán)2w是Q的一個(gè)子集,記為[f^(f)k-i,2,…附^;第3)步,合并共面的三維平面假設(shè)對(duì)于任意一個(gè)極大團(tuán)a^,合并它包含的所有三維平面假設(shè),得到一個(gè)新的三維平面假設(shè)見,它的平面方程記為^.x + ^j+f 7 + &=0,其中<formula>formula see original document page 8</formula>a:=1 a:=1將^ =1,2,...,4中每個(gè)三維平面假設(shè)的所有成員直線特征投影到5 上,得到的所有投影直線段成為A的成員直線特征。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維平面提取方法,其特征在于,對(duì)于任意一個(gè)三維 平面假設(shè)巧e^,利用其成員直線特征i^對(duì)它進(jìn)行分割,得到若干平面塊假設(shè), 具體方法包括以下步驟第1)步,合并共線的成員直線特征對(duì)于巧的任意兩個(gè)成員直線特征S.,Z:ei^,計(jì)算它們所在直線的夾角,記 為//,以及g.的中點(diǎn)到5所在直線的距離和g的中點(diǎn)到S所在直線的距離,分 別記為巧和/72;如果〃〈0并且仏〈s和a〈s,則判定g.和g共線,用它們生成一個(gè)新的 三維直線特征,該三維直線特征的兩個(gè)端點(diǎn)為g.和3的相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)端點(diǎn), 將新的三維直線特征添加到集合&,中,并從集合7^中刪除S.和g ;第2)步,計(jì)算巧的所有成員直線特征的交點(diǎn)對(duì)于巧的任意兩個(gè)成員直線特征Z"〖,Z;ei^,如果它們所在直線的夾角0滿足0 g[仍,;r_仍],則計(jì)算&和S的交點(diǎn)或者它們的延長線的交點(diǎn); 所有計(jì)算的交點(diǎn)組成的集合記為A ; 第3)步,生成用于分割平面假設(shè)的無向圖生成一個(gè)無向圖,記為《,它的節(jié)點(diǎn)由兩類點(diǎn)生成 一是交點(diǎn)集合《中的每個(gè)元素,二是對(duì)于&,.中任意一個(gè)成員直線特征,如果在它的一個(gè)端點(diǎn)外的延 長線上沒有與&,.中其它成員直線特征的交點(diǎn),并且該端點(diǎn)不是集合《中的元素,則該端點(diǎn)成為圖^的一個(gè)節(jié)點(diǎn);無向圖《中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系包括兩類 一是如果它們對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在同一個(gè)成員直線特征或其延長線上,并且這兩個(gè)點(diǎn)的連接線段上沒有與圖《中其它節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),則它們保持連接;二是構(gòu)造的連接關(guān)系,構(gòu)造方法如 下..對(duì)于任意一個(gè)成員直線特征g ,如果它的一個(gè)或兩個(gè)端點(diǎn)是圖《的節(jié)點(diǎn),則分兩種情況進(jìn)行處理第一種情況,忍與&,中的任意其它成員直線特征均不相交 選擇任意成員直線特征ge^;,且"^",指定它所在直線上與圖《中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn),這兩個(gè)點(diǎn)位于g的中點(diǎn)兩側(cè)并且它們之間的連接線段上沒有與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),將它們記為(《,i;,^)和(X2,r2,2:2;),并計(jì)算<formula>formula see original document page 9</formula>其中,(^"^,^)和(^,2,巧,2,g,2)是ZL的端點(diǎn);對(duì)于任意《s化,且 /",計(jì)算<formula>formula see original document page 10</formula>其中,(A,巧,《o和(《2,i^,^y是g的端點(diǎn);如果滿足<formula>formula see original document page 10</formula>則計(jì)算A/,2 一 Al如果/5./6>0,則連接點(diǎn)(^^,F;S」和(X2,r2,Z2)在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn), 以及點(diǎn)(《,2,^,2,《,2)和(Ipi;,4)在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn);第二種情況,g與7^,.中的至少一個(gè)其它成員直線特征相交如果(f",i^,ZD與圖《的一個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng),選擇成員直線特征g或其延 長線上與(&"F丄,《J距離最近的交點(diǎn),記為(義3,73,23),假定該交點(diǎn)是ZL與成員直線特征g的交點(diǎn);選擇g或其延長線上的與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),如果 在它和點(diǎn)(Z3,g,Z》之間的連線上沒有與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),則將它記為(x4,;r4,z4),如果這樣的點(diǎn)有兩個(gè),則分別將它們記為(義4,74,24)和(15,75,25;); 如果(14,74,24;)是^與其它成員直線特征的交點(diǎn),假定該成員直線特征為g,并且r;或其延長線上存在與圖《中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),它滿足與點(diǎn)(《"^,"Sj落在g同一側(cè),并且與點(diǎn)(不,74,24)之間的連線上沒有與圖^中節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),則連接它與點(diǎn)(f",F(xiàn)二,D在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn);否則,連 接點(diǎn)(《,pF二,《J和點(diǎn)(Z4,:T4,Z4)在圖《中對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn);如果(^5,75,25)存在, 則按照與(J^,i;,Z,)同樣的方法進(jìn)行處理;如果(《,2,FJ,2,《,2)是圖《的節(jié)點(diǎn),則構(gòu)造連接關(guān)系的方法與(《,pF二,D 相同;第4)步,分割生成平面塊假設(shè)搜索無向圖《中的所有環(huán),對(duì)于其中任意一個(gè)環(huán),如果它包含的屬于同一個(gè)成員直線特征或其延長線的節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過2個(gè),則用它生成一個(gè)平面塊假設(shè),它包含的所有節(jié)點(diǎn)按照其連接關(guān)系組成一個(gè)有序點(diǎn)集,表示該平面塊假設(shè)的頂 點(diǎn)集。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維平面提取方法,其特征在于,對(duì)任意平面塊假設(shè)&e6,計(jì)算其可靠性測(cè)度,包括下述步驟第1)步,搜索被之覆蓋的已知高程點(diǎn)投影平面塊假設(shè)A的頂點(diǎn)集到左、右圖像,記任意頂點(diǎn)(^^4,i^)在左、右圖像中的投影分別為p/w.,j)/^)和(^,j) .),按照頂點(diǎn)集中各定點(diǎn)的順序分別在左、右圖像中連接頂點(diǎn)的投影,形成之的兩個(gè)多邊形投影區(qū)域;對(duì)于任意高程點(diǎn)(《,《,《> /,如果其左圖像中的投影(A,風(fēng))位于《在左圖像中的投影區(qū)域內(nèi),并且其右圖像中的投影(^;,5^)位于A在右圖像中的投影 區(qū)域內(nèi),貝l洌定高程點(diǎn)(足,《,《)被之覆蓋;被^覆蓋的所有高程點(diǎn)組成的集合記為(^C/,集合中元素的數(shù)量為^;第2)步,計(jì)算高程一致性測(cè)度如果A覆蓋的高程點(diǎn)個(gè)數(shù)^ >0,則計(jì)算A的高程一致性測(cè)度為<formula>formula see original document page 12</formula>其中,<formula>formula see original document page 12</formula>如果 =0,則《=0; 第3)步,計(jì)算灰度相似性測(cè)度凡在左圖像中的投影區(qū)域內(nèi)所有圖像點(diǎn)組成一個(gè)點(diǎn)集,記為i^,它們中所 有點(diǎn)的圖像灰度值組成一個(gè)數(shù)組,記為{/^|/ = 1,2,..., 依據(jù)A在左、右圖像中三對(duì)同名點(diǎn)(^^,j^O與(^W,jVj、 (u^)與(^2,i^2)以及(UU與(^3,i^)計(jì)算集合《中所有元素點(diǎn)在右圖像中的同名點(diǎn),這些同名點(diǎn)組成的集合記為i^,它們中所有點(diǎn)的圖像灰度值由插值算法得到,這些灰度值組成另一個(gè)數(shù)組,記為{/^'| = 1,2,..., };計(jì)算之在左、右圖像中的投影區(qū)域之間的灰度相似性測(cè)度為<formula>formula see original document page 12</formula>其中,<formula>formula see original document page 12</formula>第4)步,計(jì)算之的可靠性測(cè)度 A的可靠性測(cè)度為/ 、 , 〃 w (公式三乂(《+1)/2 《=0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維平面提取方法,其特征在于,對(duì)任意平面塊假設(shè) 之e6,搜索最可靠的平面塊假設(shè)的步驟是第1)步,搜索有已知高程點(diǎn)覆蓋的可靠平面塊假設(shè)建立一個(gè)無向圖,對(duì)于任意一個(gè)平面塊假設(shè)之e^,如果£^>0,則用它生 成該無向圖的一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的屬性值為&;對(duì)于任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn),如果它們對(duì) 應(yīng)的平面塊假設(shè)在左、右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則連接它們;計(jì)算該無向圖的所有極大團(tuán),從中選取節(jié)點(diǎn)屬性值之和最大的極大團(tuán)包含 的所有平面塊假設(shè)的集合,記為&,它表示有覆蓋的高程點(diǎn)作為衡量依據(jù)的可罪平面塊假設(shè);第2)步,搜索沒有已知高程點(diǎn)覆蓋的可靠平面塊假設(shè)建立一個(gè)無向圖,對(duì)于任意一個(gè)平面塊假設(shè)之e6,如果£^=0并且它與& 中任意一個(gè)平面塊假設(shè)在左、右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則用之生 成該無向圖的一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的屬性值為&;對(duì)于任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn),如果它們對(duì) 應(yīng)的平面塊假設(shè)在左、右圖像中的投影區(qū)域均不存在重疊部分,則連接它們;計(jì)算該無向圖的所有極大團(tuán),從中選取節(jié)點(diǎn)屬性值之和最大的極大團(tuán)包含 的所有平面塊假設(shè)的集合,記為《2,它表示沒有覆蓋的高程點(diǎn)作為衡量依據(jù)并 且與《中所有平面塊假設(shè)可共存的可靠平面塊假設(shè);將&U《2包含的所有平面塊假設(shè)作為可靠平面塊假設(shè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維平面提取方法,其特征在于,合并共面的可靠平面塊假設(shè)的方法是;第l)步,判定平面塊假設(shè)的共面關(guān)系對(duì)于任意兩個(gè)可靠平面塊假設(shè)g,A e《U《2,如果下面的不等式組成立,j定A和^共面<formula>formula see original document page 14</formula>第2)步,搜索共面的可靠平面塊假設(shè)生成一個(gè)無向圖,記為6,用^11^2中每一個(gè)可靠平面塊假設(shè)生成一個(gè)節(jié) 點(diǎn),如果任意兩個(gè)可靠平面塊假設(shè)是共面的,則連接它們對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn);計(jì)算圖6的所有極大團(tuán),記為{么卜=1,2廣.,7^},任意一個(gè)極大團(tuán)4是圖6 的一個(gè)子集,記為— = 1,2,…c= & U《2;第3)步,合并共面的可靠平面塊假設(shè)對(duì)于任意一個(gè)極大團(tuán)么,合并它包含的所有可靠平面塊假設(shè),得到一個(gè)開 放平面g,平面方程記為^.義+ 5.7 + :.2 + <=0,其中<formula>formula see original document page 14</formula>將^刺—=1,2,..'^}中每個(gè)可靠平面塊假設(shè)的所有頂點(diǎn)投影到罵上,按照 平面塊假設(shè)中頂點(diǎn)間的順序順次連接所有投影點(diǎn),得到的所有投影直線段成為 月的成員直線特征。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維平面提取方法,其特征在于,由開放平面的成員 直線特征構(gòu)造平面邊界的方法包括以下步驟第l)步,拆分開放平面的所有成員直線特征到兩個(gè)子集對(duì)于任意一個(gè)開放平面愿,將它的所有成員直線特征拆分成兩個(gè)子集,一 個(gè)子集是^ 門^ ',記為K,另一個(gè)子集是# \^ ',記為(72; 第2)步,生成無向圖集合 生成^的所有子集;選取K的任意一個(gè)子集與R組成一個(gè)新的成員直線特征集,記為t/。,生成一個(gè)無向圖;該無向圖以仏中每個(gè)成員直線特征作為節(jié)點(diǎn),如果任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 對(duì)應(yīng)的成員直線特征相交,則將它們連接起來; 第3)步,生成平面邊界在上一步得到的每個(gè)無向圖中搜索它的所有Hamilton圈,對(duì)于每個(gè)不重復(fù) 的圈,按照其中包含的節(jié)點(diǎn)間連接順序,計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成員直線特征的 交點(diǎn),把它們作為頂點(diǎn),生成一個(gè)閉合平面假設(shè);如果不存在Hamilton圈,則 搜索所有Hamilton路徑,對(duì)于每個(gè)不重復(fù)的路徑,按照其中包含的節(jié)點(diǎn)間連接 順序,計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成員直線特征的交點(diǎn),把它們作為頂點(diǎn),生成一個(gè) 半開放平面假設(shè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的三維平面提取方法,其特征在于,利用提取直線特征 以及啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界,方法如下第1步,利用圖像中提取的直線特征補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界第1)步,計(jì)算P/的缺失邊界在左、右圖像中投影的所在區(qū)域投影 < 到左、右圖像,分別得到點(diǎn)集77/風(fēng)2,…,"/禾口設(shè)定一個(gè)表示直線特征完整性的距離門限/^ ,指定《的缺失邊界在左圖像中投影所在的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)四邊形,記為《,它的頂點(diǎn)分別記為&、 &、 &和&,其中,&=77〗,g2=r/,', ^是線段77,'—Y/,'的延長線上到點(diǎn)&的距離為&的點(diǎn),^是線段77^r《的延長線上到點(diǎn)&的距離 為&的點(diǎn),連接它們成為《的四條邊^(qū)、 i^、 i^;和";利用類似的方法,計(jì)算尸/的缺失邊界在右圖像中投影所在的區(qū)域;^,它的四個(gè)頂點(diǎn)分別記為g/、 g2'、 g/和g/;第2)步,利用區(qū)域《和《內(nèi)的&和中的直線特征補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界對(duì)于巧中任意一個(gè)直線特征,如果它的兩個(gè)端點(diǎn)都落在i^內(nèi),并且它的延長線與線段i^和^相交,則連接兩個(gè)交點(diǎn)得到一條直線段,根據(jù)《的平面 方程以及攝影測(cè)量理論中的共線方程,計(jì)算該直線段的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維空間點(diǎn),與尸/的頂點(diǎn)集中除7;和r^之外的所有頂點(diǎn)一起,生成一個(gè)閉合平面假設(shè);對(duì)于//2中任意一個(gè)直線特征,如果它的兩個(gè)端點(diǎn)都落在A"內(nèi),并且它的延長線與線段g2'g/和g4'g/相交,計(jì)算它的端點(diǎn)在左圖像中的同名點(diǎn),連接兩個(gè)同名點(diǎn)為一條直線段,如果這條直線段與左圖像中搜索到的任意一條缺失邊界都不共線,則計(jì)算在右圖像中該直線特征的延長線與線段&'g/和g/g/的交點(diǎn), 連接這兩個(gè)交點(diǎn)得到一條直線段,根據(jù)《的平面方程以及攝影測(cè)量理論中的共 線方程,計(jì)算該直線段的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維空間點(diǎn),與《的頂點(diǎn)集中除g和r^'之外的所有頂點(diǎn)一起,生成一個(gè)閉合平面假設(shè);第2步,依據(jù)啟發(fā)式規(guī)則補(bǔ)充半開放平面假設(shè)的缺失邊界如果分別以^和I '-卞^'為共用邊界、與《相鄰的兩個(gè)平面假設(shè)均已得到 完整的邊界,依據(jù)相鄰多邊形平面共用邊等長的規(guī)則,在^或其延長線上指 定一點(diǎn)ov使得線段^和以^為共用邊界的相鄰平面假設(shè)的共用邊界等長,在r/^7T'或其延長線上指定一點(diǎn)(D2,使得線段r;^^和以r;^7r'為共用邊界的相鄰平面假設(shè)的共用邊界等長,線段^;成為補(bǔ)充的缺失邊界;如果分別以^和i f'為共用邊界與《相鄰的兩個(gè)平面假設(shè)中只有一個(gè)平面假設(shè)已得到完整的邊界,假定這個(gè)相鄰平面假設(shè)為《,并且^是尸/與 《的共用邊界,則依據(jù)相鄰多邊形平面共用邊界等長的規(guī)則,在^或其延長線上指定一點(diǎn),使得線段^與《的共用邊界等長,在7;"nr,'或其延長線上 指定一點(diǎn)02,使得線段7T'-、2與^;等長,線段^成為補(bǔ)充的缺失邊界; 根據(jù)《的平面方程以及攝影測(cè)量理論中的共線方程,計(jì)算^和02對(duì)應(yīng)的三 維空間點(diǎn),與P/的頂點(diǎn)集中除r/和7r'之外的所有頂點(diǎn)一起,生成一個(gè)閉合平面假設(shè);將Q'中的閉合平面假設(shè)與由Q'中的半開放平面假設(shè)生成的閉合平面假設(shè)合 并成為閉合平面假設(shè)集合,記為0" = {《|/ = 1,2,...,7\^,其中,任意閉合平面假設(shè)/f由《條邊界線組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三維平面提取方法,其特征在于,計(jì)算閉合平面假 設(shè)的可靠性測(cè)度的方法是對(duì)于任意一個(gè)閉合平面假設(shè)/feQ",利用公式一計(jì)算/f的高程一致性測(cè)度, 如果/f覆蓋的已知高程點(diǎn)數(shù)為0,則指定它的高程一致性測(cè)度為l/(2./L),利用公式三,計(jì)算它的可靠性測(cè)度,記為五/';在if所在平面上,指定它的每條邊界線外緊鄰的、以該邊界線作為一條長邊的一個(gè)矩形平面區(qū)域,長等于邊界線的 長度,寬等于長的一半,利用公式一計(jì)算該矩形平面區(qū)域的高程一致性測(cè)度,如果它覆蓋的已知高程點(diǎn)數(shù)為o,則指定它的高程一致性測(cè)度為i/(2.;i),利用公式三,計(jì)算它的可靠性測(cè)度,記由第y'條邊界線對(duì)應(yīng)的矩形平面區(qū)域的可靠性 測(cè)度為五,/,依據(jù)下面的公式計(jì)算閉合平面假設(shè)/f的邊界對(duì)應(yīng)真實(shí)平面邊界的 可靠性測(cè)度為<formula>formula see original document page 18</formula>
全文摘要
本發(fā)明提供一種三維平面提取方法,技術(shù)方案的輸入是以任意方法得到的目標(biāo)場(chǎng)景中的三維直線特征集和稀疏數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、從兩個(gè)不同視角獲取的目標(biāo)場(chǎng)景的立體圖像及獲取它們的立體相機(jī)的所有內(nèi)、外參數(shù)、對(duì)立體圖像的直線提取結(jié)果,技術(shù)方案的輸出是定位精度高、邊界完整性和準(zhǔn)確性好的三維平面。技術(shù)方案的處理過程中,將三維平面的定位與平面區(qū)域邊界的提取分離成兩個(gè)前后銜接的階段,分別獨(dú)立完成這兩個(gè)任務(wù),減小它們之間的誤差影響,使兩個(gè)階段的結(jié)果分別達(dá)到最優(yōu),從而實(shí)現(xiàn)三維平面提取的最優(yōu)。
文檔編號(hào)G01C11/08GK101639355SQ20091004419
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者回丙偉, 文貢堅(jiān), 王繼陽 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)