基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910244665.X (22)申请日 2019.03.28 (71)申请人 陕西科技大学 地址 710021 陕西省西安市未央大学园区 (72)发明人 齐勇付韦虎 (74)专利代理机构 西安弘理专利事务所 61214 代理人 宁文涛 (51)Int.Cl. G06T 17/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维 重建方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于单幅回转体图像文 化遗址的三维重建方法， 具体包括： 首先提取单 张回转体图像。

2、中回转体的边缘轮廓线， 得到回转 体的边缘轮廓图像； 然后将得到回转体的边缘轮 廓图像进行旋转纠正； 再然后将纠正后的回转体 的边缘轮廓图像进行透视变换， 还原回转体正面 平行投影的轮廓图像； 最后将还原得到的回转体 正面平行投影的轮廓图像进行点云三维重建， 本 发明的方法简单、 高效和低成本。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 110070604 A 2019.07.30 CN 110070604 A 1.一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法， 其特征在于， 具体包括以下步 骤： 步骤1， 提取单张回转体图像中回转体的边缘轮廓线， 得到回转体的边缘轮廓图像； 步骤2， 将经。

3、步骤1得到回转体的边缘轮廓图像进行旋转纠正； 步骤3， 将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行透视变换， 还原回转体正面平 行投影的轮廓图像； 步骤4， 将经步骤3还原得到的回转体正面平行投影的轮廓图像进行点云三维重建。 2.根据权利要求1所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法， 其特征 在于， 所述步骤1具体为： 首先将RGB彩色图像转化为灰度图像， 然后通过Otsu s算法对其进 行二值化， 得到有噪声的二值化图像， 然后使用中值滤波对二值化图像进行去噪， 最后使用 Canny边缘检测算法， 得到回转体边缘轮廓图像。 3.根据权利要求1所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的。

4、三维重建方法， 其特征 在于， 所述步骤2具体包括： 步骤2.1， 扫描经步骤1得到的回转体边缘轮廓图像， 然后求出回转体边缘轮廓图像的 极点坐标； 步骤2.2， 在经步骤2.1得到的极点坐标之间根据回转体边缘轮廓选取若干坐标点； 步骤2.3， 将经步骤2.2选取的若干坐标点进行椭圆拟合， 得到拟合椭圆方程： 在原始测得的N(N5)组数据(xi， yi)， (i1,2,3,N)中， 根据椭圆方程通式和最小 二乘法原理， xi和yi分别就是i点的x轴坐标和y轴坐标。 这里是对i个点进行拟合， 求目标函 数： 的偏导数均为零， 得到以下方程组： 公式(2)可以写为： 权利要求书 1/2 页 2 C。

5、N 110070604 A 2 则计算即可得到拟合系数(A， B， C， D， E)， 然后求解参数x0， t0， a， b， q： 其中x0和y0为椭圆的中心点坐标， a为椭圆的长轴， b为椭圆的短轴， q为倾斜的弧度； 步骤2.4， 计算经步骤2.3得到的拟合椭圆方程的参数， 利用倾斜弧度q求出回转体边缘 轮廓图像的旋转角， 并进行判断纠正。 4.根据权利要求3所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法， 其特征 在于， 所述步骤3具体包括： 步骤3.1， 将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行重新拟合椭圆方程， 重复步 骤2.3计算出新的拟合椭圆方程的参数； 步骤3.2， 利。

6、用经步骤3.1计算出的椭圆方程求出回转体的边缘轮廓图像中上椭圆长轴 的左右坐标点； 步骤3.3， 然后根据步骤3.1计算出透视变换前后的坐标， 然后使用OpenCV相应透视变 换的库来进行透视变换， 得到椭圆的方程的row坐标与col坐标。 5.根据权利要求4所述的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法， 其特征 在于， 所述步骤4具体包括： 步骤4.1， 将经步骤3透视变换后的回转体的边缘轮廓图像再次进行步骤2.3的拟合椭 圆方程， 得出透视变换后上下椭圆的拟合椭圆方程； 步骤4.2， 利用经步骤4.1得到的上下椭圆的拟合椭圆方程， 从透视变换后回转体的边 缘轮廓图像的上椭圆的方程的r。

7、ow坐标到下椭圆方程的row坐标， 在回转体的边缘轮廓图像 中从左到右遍历图片， 将扫描得到的坐标， 依次保存到数组中； 步骤4.3， 然后利用透视变换后回转体的边缘轮廓图像中垂线的col坐标依次减去经步 骤4.2得到的数组， 得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组； 步骤4.4， 利用经步骤4.3得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组导入三维绘图软件或 者三维绘图工具包进行自动化脚本的编写， 最后得到重建后的三维回转体图像。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110070604 A 3 一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法 技术领域 0001 本发明涉及计算机虚拟现实、 图像建模技术、 计算。

8、机图形学技术领域， 具体涉及一 种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法。 背景技术 0002 文化遗存遗址是古代劳动人民伟大创造和聪明智慧的结晶， 是历史高度、 文化厚 度、 自然生命的沉淀， 是研究古代历史、 文化、 艺术、 科学技术发展极其重要的实物资料。 它 们经历了长时间的风化侵蚀、 历史变迁， 以及人类频繁活动对此的破坏或冲击。 随着人类对 文化遗存遗址保护意识的增强以及现代旅游业的迅猛发展， 人们渴望恢复或重建这些老旧 的遗址文物， 提高文化遗存和文化内涵的形象， 更大范围的向人们展示这些文化遗存遗址 独特的文化、 科学、 艺术价值， 以此来加深人们对文化的理解， 积极弘扬文化。

9、。 在现有数据的 基础上： 如何恢复或重建这些不复存在的文化遗存遗址是文化遗产保护和文化旅游宣传需 要共同解决的重要问题。 0003 目前， 文化遗存遗址的三维模型获取共有三种方式： 0004 1.人力进行现场采集测量数据； 0005 2.基于现代激光扫描设备所采集的高精度离散点云数据； 0006 3.借助数码相机获取的古建筑二维影像数据。 0007 以上三种不同的数据源有着有一一对应的遗存遗址三维模型构建方式： 现如今大 多建模方法基于： 3DMAX、 AUTOCAD、 CREATOR等建模软件的参数化建模技术， 这种方法在一定 程度上构建了精细的古建筑二维模型， 但该技术建模周期长、 操作。

10、过程复杂、 需专业熟练的 操作人员， 对于非专业技术人员而言， 实时获取三维模型就显得尤为困难。 对于基于深度数 据的三维建模技术而言， 该方法虽可以获取高精度的三维模型， 但需要借助价格高昂的扫 描设备， 数据自动化处理程度低， 工作量大。 另一方面， 在建模过程中随着工程中数据的日 益增长， 数据格式的不断增加， 在数据管理和查询方面， 文件管理已越来越显示出其不足： 例如数据不完整， 数据孤立且获取困难， 数据存储不规范， 数据假丢失， 数据的重复存储。 发明内容 0008 本发明的目的是提供一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法， 解决了 现有的回转体文化遗址的三维重建方法过程繁。

11、琐和代价较高的问题。 0009 本发明所采用的技术方案是， 一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方 法， 具体包括以下步骤： 0010 步骤1， 提取单张回转体图像中回转体的边缘轮廓线， 得到回转体的边缘轮廓图 像； 0011 步骤2， 将经步骤1得到回转体的边缘轮廓图像进行旋转纠正； 0012 步骤3， 将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行透视变换， 还原回转体正 面平行投影的轮廓图像； 说明书 1/6 页 4 CN 110070604 A 4 0013 步骤4， 将经步骤3还原得到的回转体正面平行投影的轮廓图像进行点云三维重 建。 0014 本发明的特点还在于： 0015 其中所。

12、述步骤1具体为： 首先将RGB彩色图像转化为灰度图像， 然后通过Otsu s算 法对其进行二值化， 得到有噪声的二值化图像， 然后使用中值滤波对二值化图像进行去噪， 最后使用Canny边缘检测算法， 得到回转体边缘轮廓图像； 0016 其中所述步骤2具体包括： 0017 步骤2.1， 扫描经步骤1得到的回转体边缘轮廓图像， 然后求出回转体边缘轮廓图 像的极点坐标； 0018 步骤2.2， 在经步骤2.1得到的极点坐标之间根据回转体边缘轮廓选取若干坐标 点； 0019 步骤2.3， 将经步骤2.2选取的若干坐标点进行椭圆拟合， 得到拟合椭圆方程： 0020 在原始测得的N(N5)组数据(xi， 。

13、yi)， (i1， 2， 3， .， N)中， 根据椭圆方程通式和 最小二乘法原理， xi和yi分别就是i点的x轴坐标和y轴坐标。 这里是对i个点进行拟合， 求目 标函数： 0021 0022 的偏导数均为零， 得到以下方程组： 0023 0024 可以写为 0025 0026则计算即可得到拟合系数(A， B， C， D， E)， 然后求解参数x0， y0， a， b， q： 0027 说明书 2/6 页 5 CN 110070604 A 5 0028 0029 0030 0031 0032 其中x0和y0为椭圆的中心点坐标， a为椭圆的长轴， b为椭圆的短轴， q为倾斜的弧 度； 0033 。

14、步骤2.4， 计算经步骤2.3得到的拟合椭圆方程的参数， 求出回转体边缘轮廓图像 的旋转角， 并进行判断纠正； 0034 其中所述步骤3具体包括： 0035 步骤3.1， 将经步骤2纠正后的回转体的边缘轮廓图像进行重新拟合椭圆方程， 计 算出新的拟合椭圆方程的参数； 0036 步骤3.2， 利用经步骤3.1计算出的椭圆方程求出回转体的边缘轮廓图像中上椭圆 长轴的左右坐标点； 0037 步骤3.3， 然后根据步骤3.1计算出透视变换前后的坐标， 然后使用OpenCV相应透 视变换的库来进行透视变换； 0038 其中所述步骤4具体包括： 0039 步骤4.1， 将经步骤3透视变换后的回转体的边缘轮。

15、廓图像再次进行步骤2.3的拟 合椭圆方程， 得出透视变换后上下椭圆的拟合椭圆方程； 0040 步骤4.2， 利用经步骤4.1得到的上下椭圆的拟合椭圆方程， 从透视变换后回转体 的边缘轮廓图像的上椭圆的方程的row坐标到下椭圆方程的row坐标， 在回转体的边缘轮廓 图像中从左到右遍历图片， 将扫描得到的坐标， 依次保存到数组中； 0041 步骤4.2， 然后利用透视变换后回转体的边缘轮廓图像中垂线的col坐标依次减去 经步骤4.2得到的数组， 得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组； 0042 步骤4.3， 利用经步骤4.2得出回转体的边缘轮廓图像的半径数组导入三维绘图软 件或者三维绘图工具包进行自。

16、动化脚本的编写， 最后得到重建后的三维回转体图像。 0043 本发明的有益效果是 0044 一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法对规则回转体不需要大量图 像来提取特征， 也不需要大量的计算， 只需要单张回转体的图像即可获取对应的回转体参 数和三维模型， 且本发明创造可应用在建立大型的瓷器古文物数据库， 简单、 高效和低成本 的来获取大量的回转体瓷器数据， 可针对回转体瓷器的分析、 分类、 鉴定和保护等工作。 附图说明 0045 图1是本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法在使用过程中 的整体流程效果图； 说明书 3/6 页 6 CN 110070604 A 6 0046 。

17、图2是本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法的系统整体框 图； 0047 图3是本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法进行点云三维 重建示意图。 具体实施方式 0048 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 0049 本发明提供一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法， 如图1与图2所 示， 具体步骤为： 步骤1， 边缘轮廓提取， 从原始图像中提取瓷器的边缘轮廓图像； 0050 步骤1.1， 将RGB彩色图像转化为灰度图像 0051 对图像的RGB赋予不同的权值(权值和为1)， 将各自像素与权值的积取和得到原图 对应的灰度图； 0052 步骤1.2，。

18、 灰度图转化为二值图 0053 对灰度图使用Otsu s对其进行二值化， 得到有噪声的二值化图像； 0054 步骤1.3， 图像去噪 0055 使用中值滤波， 滤波器经常用来去校验噪声， 中值滤波是用与卷积框对应像素的 中值来替代中心像素的值或者本来的值来取代它， 它能有效的去噪声。 在这个例子中， 我们 给原始图像加上50的噪声后再使用中值模糊； 0056 步骤1.4， 边缘轮廓提取 0057 使用Canny边缘检测算法， 得到回转体边缘轮廓图像； 0058 步骤2， 旋转纠正， 计算在平面图像中回转体的中垂线， 然后通过中垂线和图像边 框计算出回拍摄时倾斜的角度， 然后通过角度纠正 005。

19、9 步骤2.1， 扫描图片求瓶子的极点坐标 0060 求出回转体边缘轮廓在图像中的最左上角、 最右上角、 最左下角、 最右下角、 最点、 最下点的坐标。 0061 步骤2.2， 从回转体图像中的上椭圆轮廓的上部选取若干点 0062 从最左上角到最右上角的列坐标之间从上到下选取若干点 0063 步骤2.3， 拟合椭圆方程： 0064 在原始测得的N(N5)组数据(xi， yi)， (i1， 2， 3， .， N)中， 根据椭圆方程通式和 最小二乘法原理， xi和yi分别就是i点的x轴坐标和y轴坐标。 这里是对i个点进行拟合， 求目 标函数： 0065 0066 的偏导数均为零， 得到以下方程组：。

20、 说明书 4/6 页 7 CN 110070604 A 7 0067 0068 可以写为 0069 0070则计算即可得到拟合系数， 然后求解参数x0， y0， a， b， q 0071 0072 0073 0074 0075 0076 求解得到椭圆的中心点坐标x0和y0、 椭圆的长轴a和短轴b、 倾斜的弧度； 0077 步骤2.5， 根据步骤2.4所求得弧度求旋转角， 并判断旋转角是否过小， 旋转角小于 4度， 则不进行旋转纠正； 0078 步骤2.6， 旋转纠正： 旋转纠正是以图片的中心为旋转点， 旋转的角度为上一步骤 所计算的角度， 使得图像中的回转体轮廓的中垂线与图像的上下边缘垂直。 。

21、0079 步骤3， 透视变换， 通过计算瓶子上部椭圆方程中的参数a和b来计算出回转体透视 变换后的点； 0080 步骤3.1， 扫描图片求回转体轮廓在图像中的极点坐标 0081 求出瓷器在图像中的最左上角、 最右上角、 最左下角、 最右下角、 最上点、 最下点； 0082 步骤3.2， 从上椭圆的上边部分选取若干点 0083 从最左上角到最右上角的列坐标之间从上到下遍历图像选取若干点； 说明书 5/6 页 8 CN 110070604 A 8 0084 步骤3.3： 重复步骤2.3， 进行拟合椭圆方程， 计算椭圆方程的参数a， 回转体图像的 下椭圆的下半部分提取若干点， 该步骤为瓷瓶的最左下角。

22、到最右下角的列坐标在图片中由 下向上遍历， 取其中的若干点， 求上椭圆长轴的左右点坐标， 由于这里的图像是经过旋转纠 正后的， 所以上边椭圆的x轴是和图像的上下边缘是平行的； 0085 步骤3.4， 计算透视变换前的坐标 0086 其中四点有两点为图片的左下角和右下角点， 以及上部椭圆长轴的左右点。 0087 步骤3.5， 计算透视变换后的坐标 0088 回转体的上椭圆的边在透视变换中不发生变化， 所需计算的是图片的左下角和右 下角的坐标。 这里的透视变换就是将回转体的高度拉伸一定长度， 这里的长度与图像中回 转体的上椭圆的长短轴之间有着必然联系。 我们这里认为上椭圆的方程中的参数a和b的比 。

23、值就是回转体高度的误差， 当然这是错误的， 但纠正的高度误差在可接受范围之内(10左 右)。 回转体的坐标和图像的四个角的坐标有映射关系， 所以这里的图像的左下角和右下角 的坐标的宽度不变， 高度为原来的高度加上原来的高度乘以a/b的值； 0089 步骤3.6， 透视变换 0090 这里我们使用OpenCV相应透视变换的库来完成这一步骤。 0091 步骤4， 计算回转体的半径数组 0092 步骤4.1， 求极点 0093 求出瓷器在图像中的最左上角、 最右上角、 最左下角、 最右下角、 最上点、 最下点； 0094 步骤4.2， 上椭圆取点 0095 从最左上角到最右上角的列坐标之间从上到下选。

24、取若干点； 0096 步骤4.3， 下椭圆取点并判断椭圆是否过扁 0097 该步骤为瓷瓶的最左下角到最右下角的列坐标从图片由下向上遍历， 取其中的若 干点， 并判断上下椭圆是否过扁； 0098 步骤4.4， 进行拟合上下椭圆方程， 求上下椭圆方程的参数A； 0099 步骤4.5， 从左端扫描图像， 计算回转体的左边轮廓点的row坐标 0100 从瓶子的上椭圆的方程的row坐标到下椭圆方程的row坐标， 在图像中从左到右遍 历图片， 将扫描得到的坐标， 依次保存到数组中(只保存row坐标) 0101 步骤4.6， 坐标数组计算半径数组 0102 回转体的中垂线的col坐标依次减去遍历的数组； 0。

25、103 步骤4.7， 三维重建绘图 0104 如图3所示使用三维绘图软件或者三维绘图工具包， 进行少量自动化脚本的编写 即可。 0105 本发明的一种基于单幅回转体图像文化遗址的三维重建方法为基于图像的三维 重建技术， 它是以计算机视觉和数字摄影测量理论为依托， 运用单幅图像或多幅图像， 通过 图像匹配、 相机标定、 三维绘图等一系列步骤重构三维模型。 该方法不需要专业的建模人 员， 重建成本低、 周期短， 自动化程度高， 且可构造出具有照片级真实感的二维模型。 说明书 6/6 页 9 CN 110070604 A 9 图1 说明书附图 1/3 页 10 CN 110070604 A 10 图2 说明书附图 2/3 页 11 CN 110070604 A 11 图3 说明书附图 3/3 页 12 CN 110070604 A 12 。