7．1．3　物方空間幾何約束的房屋模型三維重建

基于平差模型和簡單房屋物方的多種約束條件，簡單型房屋半自動重建的基本框架如圖7-7所示。

若采用圖7-7所示的系統(tǒng)框架進行簡單房屋的半自動重建，有如下特點:

(1)房屋在重建前由操作員選擇房屋類型，并通過人機交互界面輸入少數(shù)的種子點，在選擇種子點時優(yōu)先考慮主框架(屋脊)上的點，主要出發(fā)點是:

圖7-7　簡單型房屋半自動重建的基本框架

①屋脊決定了房屋的基本走向。

②選定屋脊后，其他的約束條件一般都與屋脊平行或垂直。

③屋脊上的點最清晰，一般不會有遮擋。

(2)首先根據(jù)不同結(jié)構將房屋分類，便于靈活地組合各種幾何約束條件，構建不同的平差模型。

(3)在選擇好房屋類型并給定少數(shù)種子點后，其余的重建工作由算法自動完成。主要優(yōu)點在于:

①一般只需要兩個種子點即可完成房屋結(jié)構信息的獲取，量測工作量大大減少。

②主框架結(jié)合直線模板匹配，提供了較好的初始值，使得平差解算更加穩(wěn)定。

③基于最小二乘模板匹配技術進行房屋邊緣的精確定位，重建精度可靠。

(4)在立體像對下進行，采用核線約束條件確定房屋特征點的三維信息，可直接得到房屋的三維模型。在立體像對下充分利用房屋的物方空間幾何約束來提高由于噪聲和特征不足時算法重建的穩(wěn)定性。

在提取的很多線段中，房屋的主方向隱含著一種基本的拓撲關系和度量關系，因此，本章力圖解決基于主方向的簡單房屋的半自動重建問題。

圖7-8以人字形房屋為例表示了簡單型房屋三維重建的一般流程。以人工給出房屋屋脊兩端點的近似值并且事先選定房屋類型作為已知條件。如果只給一個點將很難確定房屋的大小，也無法克服噪聲干擾，如果給出主方向(屋脊)兩端點，則其他點均與主方向平行或垂直，以下簡要介紹重建的步驟。

圖7-8　人字形房屋三維重建流程

(1)邊緣檢測與跟蹤。在搜索范圍內(nèi)以Canny算子作為邊緣檢測算子檢測出房屋邊緣信息。

(2)直線段提取，從邊緣矢量得到直線段。

(3)根據(jù)房屋的主方向，結(jié)合房屋的內(nèi)拓撲和度量約束條件，從而確定外輪廓。

(4)線段的測試—驗證過程。輸入的房屋的類型給出了一個明確的幾何結(jié)構和約束，包括房屋角點和各邊之間的幾何關系。其測試—驗證過程就是要從提取的直線段中組合出給定的房屋結(jié)構來。逐一將提取的直線段的幾何屬性與已知的加了標號的屋頂結(jié)構進行比較測試，差距小于閾值的被證實，而其他的線段則被剔除。在已知屋頂結(jié)構的情況下，只需要確定少數(shù)線段就能恢復出整個屋頂?shù)慕Y(jié)構。

(5)上述的提取是在二維影像上進行的，為了得到房屋角點的三維坐標，還要通過核線約束條件，并進行前方交會，最終得到各個角點的物方三維坐標，實現(xiàn)房屋的三維模型重建(見圖7-9)。

圖7-9　人字形簡單型房屋的三維重建過程

人字形簡單型房屋是房屋中類型最多的一種，圖7-10為另一個核線影像對上的人字形房屋的原始影像，圖7-11為得到的房屋的平面模型和三維模型圖。

圖7-10　人字形簡單房屋的原始核線影像對

圖7-11　人字形簡單型房屋的三維模型

矩形簡單型房屋的重建流程類似于人字形房屋，理論上主方向可選取任意一條邊，實驗中效果最好的是選取目標最清晰的一條邊，邊緣檢測與跟蹤后，直線段都有著彼此垂直或平行的幾何約束條件，對圖7-12所示的矩形結(jié)構的簡單房屋，三維模型重建過程如圖7-13到圖7-15所示。

圖7-12　矩形簡單型房屋原始影像圖

圖7-13　邊緣檢測細化后效果圖

圖7-14　邊緣跟蹤和模板匹配后效果圖

圖7-15　矩形簡單型房屋三維模型

由于從影像上自動提取出的屋脊線段大部分是不完全的，沿著屋脊方向重新匹配出的效果很好，而且基于主方向提取策略，使得所有其他房屋邊緣都與主方向平行或者垂直，直接利用這種度量關系篩選了很多噪聲，從本來無序的線條圖中識別出屋頂?shù)慕Y(jié)構，自動重建方法準確、穩(wěn)健。