林瀟銳 胡省錕 湯杰

摘? ?要：隨著我國科技的迅速發(fā)展，地圖定位技術(shù)日趨成熟，人們?cè)谏钪薪?jīng)常使用各種二維定位軟件來尋找目的地，例如高德地圖、百度地圖等，早已融入人們的生活。文章分析三維數(shù)字立體模型的形成設(shè)計(jì)，利用機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有的小范圍三維立體模型進(jìn)行拍攝、計(jì)算和分析，估算出其物理模型，并將其應(yīng)用于地圖中，從而加強(qiáng)空間的資源利用率和地圖的使用效率，使人們更直觀地識(shí)別小范圍內(nèi)的路況。三維技術(shù)與二維技術(shù)相比，雖然數(shù)據(jù)分析較慢、占用網(wǎng)絡(luò)資源較多，但是具有直觀明朗、通俗易懂等特點(diǎn)，故文章采取小范圍研究，其不單是現(xiàn)存社會(huì)未成熟、亟待發(fā)展的一種技術(shù)，更是當(dāng)前地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;小范圍;三維立體模型;直觀

1? ? 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、圖像學(xué)、指紋識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，主要是利用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能，從圖像中提取正常信息，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析，最終用于實(shí)際的測(cè)量、控制以及檢測(cè)。其最大特點(diǎn)是速度快、信息量大、功能多，應(yīng)用了人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并以數(shù)字圖像識(shí)別與處理為基礎(chǔ)，當(dāng)前已經(jīng)得到了一定程度的推廣，在航天航空以及醫(yī)療檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。但實(shí)際上，由于現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的識(shí)別環(huán)境有較高的復(fù)雜程度，目標(biāo)自身也是如此，因此，如何高效而精準(zhǔn)地對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，已經(jīng)成為該技術(shù)發(fā)展的主要焦點(diǎn)。具體來說，本文所要用到的機(jī)器視覺識(shí)別主要包含以下幾種技術(shù)。

1.1? 圖像預(yù)處理技術(shù)

為了降低后續(xù)算法的復(fù)雜程度，提高數(shù)據(jù)的讀取速度，在圖像識(shí)別時(shí)，通常采用圖像預(yù)處理技術(shù)。在這一步對(duì)圖像去噪，并通過特殊方法將其轉(zhuǎn)換為高清晰度的點(diǎn)線圖，從而提取圖像特征。但在圖像預(yù)處理過程中，圖像分割質(zhì)量會(huì)對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的影響。在現(xiàn)有科學(xué)理論的幫助下，類似算法已經(jīng)有上百種，但如何有效識(shí)別目標(biāo)特征仍是一個(gè)關(guān)鍵問題。就像目前廣泛使用的圖像侵權(quán)方法—灰度方差法等，如果圖像本身太干或太單薄，就不能取得很好的效果。

圖像分割也可以基于方向圖，根據(jù)圖像的方向，分析圖像的準(zhǔn)確性。圖像本身的對(duì)比度對(duì)圖像分割的效果影響很小，但在單個(gè)灰度圖像的區(qū)域中，該方法的應(yīng)用一般不能獲得良好的圖像分析結(jié)果。通常情況下，圖像的構(gòu)圖可分為4種類型：清晰區(qū)域、可恢復(fù)區(qū)域、不可恢復(fù)區(qū)域和背景區(qū)域。圖像分割的主要功能是去除背景和不可恢復(fù)區(qū)域，以確保清晰區(qū)域和可恢復(fù)區(qū)域的完整性。當(dāng)前，最新的圖像分割技術(shù)是三級(jí)分割。首先，劃分背景區(qū)域;其次，將前景區(qū)域中的模糊區(qū)域劃分;最后，從模糊區(qū)域中提取出無法恢復(fù)的區(qū)域。不但能節(jié)省時(shí)間，而且可以降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算成本?？偠灾?dāng)前，圖像分割技術(shù)體系已經(jīng)基本完善。所以，在圖像分割的過程中，若采用單一技術(shù)無法獲得理想的效果，則可將多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，以期取得較好的分割效果。例如，在估算模型前將不同角度的圖形進(jìn)行畫面優(yōu)化，再進(jìn)一步分析。

1.2? 提取圖形特征

特征提取的效率影響圖像識(shí)別的效率。特征提取過程是對(duì)圖像的信息進(jìn)行分割以形成多種類別的特征項(xiàng)。通常，這些特征主要是孤立的點(diǎn)集，或可以是連續(xù)的曲線集或連接的區(qū)域集等。圖像的特征主要包括圖像的紋理特征、顏色特征、形狀特征以及圖像不同部分的圖像空間關(guān)系，其中，顏色是最明顯的特征之一。

圖像區(qū)域中每個(gè)場(chǎng)景經(jīng)常將特征點(diǎn)作為表面特性。所以，特征點(diǎn)不能夠完全反映圖像的大小和方向，不適合捕捉事物的局部信息。紋理特征能夠反映物體表面的特征信息，但是不能反映圖像表面的基本信息，不適合高層次的內(nèi)容捕獲。

紋理特征需要對(duì)同一部分的圖像區(qū)域進(jìn)行處理，與顏色的特征不同，其具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。由于圖像分辨率的變化，其在抗干燥和抗干擾能力方面具有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也影響了特征提取的結(jié)果。在切換方面，通過檢測(cè)圖像的特殊區(qū)域來提取相同的屬性。但是形狀特征提取在數(shù)據(jù)模型方面仍然不夠完備，如果圖形發(fā)生變化，就不能起到較好的效果。另外，如果需要一次提取所有目標(biāo)，則需要處理設(shè)備的性能要求更高，增加了設(shè)備的成本?？臻g關(guān)系特征分為兩類：圖像中目標(biāo)的絕對(duì)位置關(guān)系和圖像中目標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系。前者一般判斷目標(biāo)區(qū)域的距離、位置和其他信息，后者一般描述目標(biāo)區(qū)域的位置關(guān)系。經(jīng)過這一步，計(jì)算機(jī)能夠很輕易地計(jì)算出不同圖形特征所適應(yīng)的顯示環(huán)境，方便圖像的匹配。

1.3? 圖像匹配

圖像匹配是指通過一定的匹配算法在兩幅或多幅圖像之間識(shí)別同名點(diǎn)，如二維圖像匹配中，比較目標(biāo)區(qū)和搜索區(qū)中相同大小的窗口的相關(guān)系數(shù)，取搜索區(qū)中相關(guān)系數(shù)最大所對(duì)應(yīng)的窗口中心點(diǎn)作為同名點(diǎn)。實(shí)質(zhì)是在基元相似性的條件下如何運(yùn)用匹配準(zhǔn)則的最佳搜索問題。

2? ? 三維建模研究

2.1? 技術(shù)指標(biāo)

本文提供了各種模擬環(huán)境，可以在不同的模擬環(huán)境中體驗(yàn)真實(shí)的三維、測(cè)量和色彩空間;支持靈活的數(shù)據(jù)組織方法，例如，區(qū)域規(guī)劃、小區(qū)域建模和漫游瀏覽;具有更加靈活的三維分析功能，真正實(shí)現(xiàn)了虛擬構(gòu)造，方便了空間瀏覽，例如駕駛、飛行、多角度觀察等;支持單機(jī)模式、雙機(jī)模式;單擊、雙機(jī)或多投資的硬件平臺(tái)。

2.2? 功能組成

針對(duì)小范圍3D建模與2D建模相比的缺點(diǎn)，例如周期時(shí)間長和漫游速度較慢等，本文采用了一種具有統(tǒng)一識(shí)別建模和良好的模型編輯界面的3D建模系統(tǒng)，采用LOD技術(shù)，通過分層、快速共享、基礎(chǔ)設(shè)置等方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)區(qū)域的海量數(shù)據(jù)管理，并通過線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)區(qū)域的空中和地面快速瀏覽的三維觀察模式以及分布式服務(wù)。系統(tǒng)功能組成如圖1所示。

2.2.1? 數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)

輸入數(shù)據(jù)子系統(tǒng)部分包含GIS矢量數(shù)據(jù)、數(shù)字地面模型、單體模型的矢量數(shù)據(jù)或標(biāo)量數(shù)據(jù)（即點(diǎn)、線、面），將其聯(lián)系在一起，轉(zhuǎn)換為目標(biāo)空間的具體數(shù)據(jù)。

2.2.2? 子系統(tǒng)三維建模

三維建模子系統(tǒng)可以批量傳輸現(xiàn)有地理信息的系統(tǒng)矢量數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，以進(jìn)行三維建模。可以將真實(shí)的建筑模型與現(xiàn)場(chǎng)的紋理數(shù)據(jù)連接，將采集到的數(shù)據(jù)與GIS地面紋理數(shù)據(jù)匹配，應(yīng)用3D可視化技術(shù)模擬出實(shí)際場(chǎng)景，并生成3D空間模型。

GIS矢量數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，因此，有必要根據(jù)某些規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，以減少3D數(shù)據(jù)的冗余性。如果常規(guī)幾何和特殊幾何被逐層保存，則常規(guī)幾何系統(tǒng)將自動(dòng)建模。根據(jù)三維編碼規(guī)則，對(duì)不規(guī)則幾何進(jìn)行編碼，然后將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)建模。對(duì)于復(fù)雜的建筑，如區(qū)域性的標(biāo)志性建筑，由于其整體性能影響占的比重較大，精度、美觀性都比較高，因此，宜采用近景攝影測(cè)量進(jìn)行建模。

表面形態(tài)可以用TIN或DEM表示，能合理地表達(dá)地形狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)地形數(shù)據(jù)、地表覆蓋、地面建設(shè)和道路建設(shè)進(jìn)行全面分析。TIN的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)量小，能夠反映地形的變化特征、簡(jiǎn)單與復(fù)雜性，尤為重要。TIN系統(tǒng)可以使用GIS等高線和高程點(diǎn)，來自動(dòng)生成或調(diào)用由JX4攝影測(cè)量工作站生成的TIN數(shù)據(jù)。DEM可以直接調(diào)用Arc/info的ASIC代碼格式DEM或DEM以及JX4攝影測(cè)量工作站生成的其他GIS數(shù)據(jù)。

2.2.3? 三維模型的編輯、查詢與分析

對(duì)于廣泛的DEM，DOM和3D模型系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可以分類管理和保存。根據(jù)國家的不同比例尺的地形圖標(biāo)準(zhǔn)劃分，合理地劃分?jǐn)?shù)據(jù)流信息。計(jì)算機(jī)的顯示速度和計(jì)算速度會(huì)受到很大的顯示，因此，為了達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)度和大規(guī)模平滑漫游的效果，必須將數(shù)據(jù)按區(qū)域類型劃分為較小的塊。

在三維數(shù)據(jù)查詢與分析方面，系統(tǒng)可以基于屬性查詢各種屬性及其位置，根據(jù)其區(qū)域的位置進(jìn)行照明和分析，如建筑高度的分析等。

2.3? 三維城市模型的構(gòu)建

筆者就三維建模系統(tǒng)的功能組成，對(duì)某城市的一小范圍區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)勘測(cè)以及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，并設(shè)計(jì)、分析步驟以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。

2.3.1? 數(shù)據(jù)的獲取及模型的構(gòu)建

數(shù)據(jù)獲取采用批量傳輸?shù)姆椒?，極大地縮短了模型構(gòu)建的時(shí)間和工作量。建筑物的表面信息采集由無人機(jī)或人工進(jìn)行拍攝，實(shí)際模型的構(gòu)建步驟如圖2所示。

2.3.2? 數(shù)據(jù)的集成

經(jīng)查閱資料顯示，小區(qū)域的三維建模技術(shù)理論上具有真實(shí)和美觀的性能效果，通常情況下會(huì)選擇使用以下措施。

（1）采用網(wǎng)格形式的數(shù)字地面模型DEM來表示地表形狀。（2）建立高分辨率的城市地區(qū)正射影像數(shù)據(jù)庫。（3）測(cè)量那些保存至久的建筑物，從而獲取真實(shí)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（4）建立真實(shí)的三維模型坐標(biāo)和數(shù)據(jù)，合理地利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。（5）對(duì)重要建筑物或區(qū)域?qū)嵤┘?xì)微數(shù)據(jù)的復(fù)制及粘貼。（6）分別建立小范圍三維模型，構(gòu)建城市模型數(shù)據(jù)庫，形成三維模型網(wǎng)絡(luò)。（7）盡量遮蓋景區(qū)內(nèi)市容不良的地方。（8）暫時(shí)不顯示正在維修的建筑物。（9）盡量調(diào)整因光線問題導(dǎo)致照片質(zhì)量出現(xiàn)問題的個(gè)別案例。（10）圖像光影由于拍攝的時(shí)間和取材地點(diǎn)的不同，效果不一致，需要對(duì)條件進(jìn)行改善。（11）協(xié)調(diào)附近建筑物的整體顏色。（12）協(xié)調(diào)建筑物的背光面和照明面。（13）協(xié)調(diào)重要景點(diǎn)和非重要景點(diǎn)的簡(jiǎn)單性和復(fù)雜性。

3? ? 利弊分析與應(yīng)用前景

3.1? 利弊分析

經(jīng)過以上的三維模型構(gòu)建分析，不難得出建模后的立體圖形具有直觀、清晰等特點(diǎn)，但是其分析和計(jì)算過程漫長，結(jié)果占用運(yùn)行內(nèi)存較多，在當(dāng)今社會(huì)難以普及，只能實(shí)施小范圍的精準(zhǔn)測(cè)量。因此，本文提出的利用機(jī)器視覺對(duì)小范圍進(jìn)行三維建模研究總體來說具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。使用機(jī)器視覺進(jìn)行測(cè)試不僅消除了人為主觀因素的干擾，還可以定量地描述這些指標(biāo)，從而避免因人而異的測(cè)試結(jié)果，減少檢測(cè)分類錯(cuò)誤，提高生產(chǎn)率和分類精度。不僅更利于人們對(duì)目的地進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，還為人們的科研發(fā)展提供了便捷的途徑。

3.2? 應(yīng)用前景

（1）城市建設(shè)。在當(dāng)今社會(huì)已有技術(shù)的前提下，利用本文提供的方法進(jìn)行三維建模。導(dǎo)入TIN，DEM，DOM等測(cè)量信息，可以更好地改善城市部分區(qū)域的建設(shè)，能夠更輕易地體現(xiàn)出改善前后的視覺顯示變化。

（2）地圖的升級(jí)。將該技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)存社會(huì)的地圖軟件，可以給部分科學(xué)研究者和登山愛好者提供良好的視野環(huán)境，能夠更快地了解自身附近的地形，防止受傷或遇險(xiǎn)。

（3）軍事模擬。虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)可以模擬復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境，展現(xiàn)出軍隊(duì)訓(xùn)練的效果，更好地提高訓(xùn)練成效。

（4）土地規(guī)劃。利用本系統(tǒng)的三維顯示和快速計(jì)算等特點(diǎn)，對(duì)土塊體積進(jìn)行合理地計(jì)算分析，提高土地利用率，更能展現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性能。

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