張?zhí)烨?/p>

(廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州510663)

一、引 言

最近幾年，搜索引擎Google把衛(wèi)星遙感地圖資源和三維電子地圖技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)集合起來，推出Google Earth和Google Maps，將人們帶進(jìn)了一個全新的廣闊空間，從而給人栩栩如生、身臨其境的體驗。另外，國內(nèi)一些企業(yè)也借助WebGIS技術(shù)，利用飛艇、飛機(jī)和汽車等交通工具，從不同角度對整個區(qū)域進(jìn)行360°全方位拍攝，通過數(shù)據(jù)塊與地圖上每個具體地點聯(lián)系起來，獲得地區(qū)的實景地圖。Skyline憑借其國際領(lǐng)先的三維數(shù)字化顯示技術(shù)，利用海量的遙感航測影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及其他二三維軟件搭建出對真實世界進(jìn)行模擬的三維場景，目前在國內(nèi)是制作大型真實三維數(shù)字場景的首選軟件。

基于機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)自動貼紋理的方法是機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取的斜片數(shù)據(jù)，在經(jīng)過世界坐標(biāo)到影像像素坐標(biāo)的映射變換后，可以建立起像素級的對應(yīng)關(guān)系，從影像中提取不規(guī)則像素區(qū)域，對紋理片段進(jìn)行自動排樣，可以自動地為建筑模型創(chuàng)建適合實時渲染的紋理貼圖。

二、研究目的和意義

利用航拍影像(包括原始斜片影像和處理后的正射影像)中包含的建筑圖像信息，為城市建筑模型創(chuàng)建紋理貼圖。從海量影像數(shù)據(jù)中高效地為數(shù)字城市中大批量建筑模型半自動地創(chuàng)建紋理貼圖。對于任意一個建筑模型，可以自動搜索含有該建筑外觀信息的影像，并自動地將模型上的頂點映射到影像上的像素位置，用戶只需要手動校準(zhǔn)像素位置，即可自動地為模型創(chuàng)建紋理貼圖。

目前為建筑模型創(chuàng)建貼圖主要采用常規(guī)的辦法，使用Photoshop等圖像軟件，手動將每個建筑的外觀像素區(qū)域從影像中提取出來，并整合到一張圖像中，然后利用三維建模軟件，手動為模型創(chuàng)建紋理貼圖。毫無疑問，這種方法工作量極大，考慮到城市中成千上萬的房屋，其人力和物力成本將會非常昂貴，甚至是不可行的。使用本軟件，將會大大減少貼圖所耗費的時間人力，帶來極高的經(jīng)濟(jì)效益。

三、主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)

1．主要內(nèi)容

利用機(jī)載航拍采集的海量影像(原始斜片影像和處理后的正攝影像)數(shù)據(jù)，半自動地為城市中大批量的建筑模型創(chuàng)建紋理貼圖。對于一個建筑模型(如房屋)，首先使用共線方程式將模型上每個頂點所在的世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為某個影像上的像素坐標(biāo)，計算出來的像素位置由于存在誤差，可能需要手動校準(zhǔn)，從而得到模型上每個面在影像中對應(yīng)的像素區(qū)域，將這些像素區(qū)域提取出來，并整合(自動或手動)到一張較小的紋理圖像中，最終為模型創(chuàng)建紋理貼圖。

2．關(guān)鍵技術(shù)

(1)世界坐標(biāo)與影像像素坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)使用共線方程式將世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為影像像素坐標(biāo)，利用單像測圖方程式將影像像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)，利用航測業(yè)內(nèi)常用的TerraPhoto-Camera相機(jī)參數(shù)配置格式來配置相機(jī)參數(shù)。

(2)復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系

模型上的頂點定義為空間點，三角形定義為空間三角形，一個空間點對應(yīng)一張影像上的一個像素位置，因此相應(yīng)地定義影像點及影像三角形。由于多個相鄰三角形將構(gòu)成一個連續(xù)的多邊形區(qū)域，把相鄰影像三角形構(gòu)成的像素區(qū)域定義為影像片段;最后要把所有影像區(qū)域整合到一張較小的紋理圖像中，因此還需要定義對應(yīng)的紋理片段。

(3)從影像中提取不規(guī)則像素區(qū)域

一個模型對應(yīng)的影像片段是不規(guī)則多邊形，使用光柵化算法將這些不規(guī)則的像素區(qū)域提取出來。

(4)紋理片段的自動排樣

為了在利用3D圖形API渲染模型時減少顯存資源的占用，提高渲染效率，應(yīng)使最終創(chuàng)建的紋理圖像盡可能小。因此，需要將所有紋理片段盡可能緊湊地擺放在一起。而紋理片段本身是不規(guī)則多邊形，屬于典型的排樣問題，排樣問題是數(shù)學(xué)上的NP完全問題，具有很高的復(fù)雜性，主要涉及遺傳算法、臨界多邊形算法、多邊形合成算法等。多邊形排樣示例如圖1所示。

圖1 多邊形排樣示例

四、設(shè)計和實現(xiàn)的功能

1．設(shè)計方法

1)由于系統(tǒng)的多個子模塊具有較高的復(fù)雜度和耦合形，因此在開發(fā)初期，先進(jìn)行概要的框架設(shè)計，將整個系統(tǒng)分為幾個核心子模塊，深入完成每個子模塊之后，根據(jù)需要回歸調(diào)整總體設(shè)計。

階段工作包括:①系統(tǒng)概要框架設(shè)計;②設(shè)計工程數(shù)據(jù)管理機(jī)制;③管理模型空間頂點、空間三角形、影像點、影像三角形、片段點、片段三角形的復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系;④設(shè)計總體的瀏覽及編輯操作界面。

2)項目的深入實施階段，實現(xiàn)所有核心功能模塊，解決遇到的所有技術(shù)難點。

3)完善調(diào)整總體框架設(shè)計，將所有核心模塊合理有序地嵌入到系統(tǒng)中。

4)完成界面設(shè)計和搭建工作，如編輯、數(shù)據(jù)保存等。

5)設(shè)計創(chuàng)新點:①構(gòu)建復(fù)雜點、面對應(yīng)關(guān)系;②提取不規(guī)則像素區(qū)域;③多邊形排樣。

2．實現(xiàn)的功能

(1)創(chuàng)建工程

由于城市中房屋數(shù)量較大，因此為數(shù)字城市房屋模型貼紋理是一個工作量較大的工程，需要多人分工合作，每人負(fù)責(zé)部分區(qū)域內(nèi)的房屋模型。為了使工作有條不紊地進(jìn)行，需要創(chuàng)建工程管理，如圖2所示。

圖2 創(chuàng)建工程管理

(2)加載工作子區(qū)域

完成工程創(chuàng)建之后，系統(tǒng)統(tǒng)計工程中包含所有模型及所在的位置。由于一個工程包含的模型可能較多，因此包含所有房屋模型的空間區(qū)域也將會較大。由于計算機(jī)硬件資源的限制，無法同時加載工程對應(yīng)的整個空間區(qū)域內(nèi)的房屋，因此需要分子區(qū)域加載。如圖3所示，在模型導(dǎo)航窗口中，一個點代表一個建筑模型，半透明區(qū)域即為要加載的工作子區(qū)域。

(3)漫游選擇要貼圖的模型

選擇加載工作子區(qū)域之后，工作子區(qū)域內(nèi)的所有模型將會在程序主界面的三維視圖中渲染。用戶可以在三維視圖中漫游工作區(qū)域內(nèi)的場景，然后選中要貼圖的模型，如圖4所示。

三維視圖中，當(dāng)用戶想要為某個模型貼紋理時，雙擊該模型，即可打開貼紋理的框架窗口;或用戶在工程管理面板上的樹形控件中雙擊想要貼紋理的模型，也將開始對該模型進(jìn)行紋理貼圖(這種方式可以為不在工作區(qū)域內(nèi)的模型進(jìn)行貼圖)。

圖3 工作子區(qū)域

圖4 貼圖的模型

(4)模型貼紋理

選擇某個模型進(jìn)行貼紋理后，進(jìn)入貼紋理界面，如圖5所示。

圖5 模型貼紋理圖

貼紋理界面由4個部分組成:模型視圖、影像縮略圖列表、影像視圖、紋理視圖。模型視圖中渲染當(dāng)前進(jìn)行貼圖的模型，可以在該視圖中查看紋理貼到模型后的效果;影像縮略圖列表中列出了所有與模型當(dāng)前選擇三角面相關(guān)的影像;影像視圖顯示影像縮略圖列表中當(dāng)前選中的影像，影像片段在該視圖中編輯，改變影像點的位置后，影像片段重新計算，同時更新對應(yīng)的紋理片段，并反映到紋理貼圖中;紋理視圖顯示最終整合出來的紋理，在該視圖中可以移動和旋轉(zhuǎn)紋理片段，將所有紋理片段進(jìn)行手動擺齊。

(5)編輯影像片段

影像片段的編輯有兩種編輯模式:點模式及面模式，在貼圖界面菜單中選擇編輯模式，如圖6所示。

圖6 移動影像三角形

(6)紋理片段自動擺齊

完成影像片段編輯之后，為了節(jié)省工作量，可以利用紋理片段自動排樣功能來自動擺齊所有紋理片段。

五、結(jié)束語

基于機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)自動貼紋理技術(shù)的研究是傾斜攝影未來的研究熱點，也是傾斜攝影實踐應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，尤其隨著數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，對數(shù)據(jù)獲取和更新提出更高的要求，傾斜攝影的數(shù)據(jù)自動貼紋理技術(shù)在這方面有著很大的優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景。

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