基于圖像序列的建筑物模型

重建技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

答辯人：劉培珺指導(dǎo)教師：石教英教授浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究背景隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，真實(shí)場(chǎng)景的三維模型越來越多地出現(xiàn)在各種計(jì)算機(jī)軟件中，成為計(jì)算機(jī)軟件表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的一種重要手段。而構(gòu)造三維模型的傳統(tǒng)手段要么價(jià)格昂貴，要么要求操作人員具有豐富的專業(yè)知識(shí)，而且操作復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，最終構(gòu)造的三維模型真實(shí)感不強(qiáng)。在這種情況下，基于圖像的建模技術(shù)作為一種成本低廉、操作簡(jiǎn)單、具有高度真實(shí)感的建模方法應(yīng)運(yùn)而生，并且逐漸成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

相關(guān)工作幾種基于圖像建模技術(shù)比較

研究目標(biāo)研究一種針對(duì)建筑物的基于圖像建模方法；要求能夠重建出建筑物的平面，以及簡(jiǎn)單曲面；當(dāng)輸入是單幅圖像，或幾幅圖像時(shí)，要能夠從中重建建筑物的局部模型；當(dāng)輸入是完整的圖像序列時(shí)，要能夠重建建筑物的完整模型；允許少量的交互操作。算法流程主要內(nèi)容1.相機(jī)定標(biāo)2.基于單幅圖像建模技術(shù)3.多場(chǎng)景模型合并策略4.

SIBM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及示例5.總結(jié)與展望第一部分：相機(jī)定標(biāo)利用平面約束求解相機(jī)內(nèi)參數(shù)利用反對(duì)稱性質(zhì)改進(jìn)算法改進(jìn)算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）改進(jìn)算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果（二）利用真實(shí)場(chǎng)景中的幾何結(jié)構(gòu)求解相機(jī)參數(shù)整個(gè)結(jié)構(gòu)至少有4條線段構(gòu)成；

其中3條線段互相垂直；

第4條線段平行于前3條中的1條。

角結(jié)構(gòu)

平行線結(jié)構(gòu)整個(gè)結(jié)構(gòu)至少有4條線段構(gòu)成；

其中兩條線段互相垂直；

另外兩條線段分別和前兩條平行。

從單幅圖像計(jì)算相機(jī)焦距所以可得(I)這是一個(gè)關(guān)于焦距f的四次方程，從中可以求解出焦距。角結(jié)構(gòu)投影OX和OY

的方向向量可以寫成焦距f

的表達(dá)式求解旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量從針孔相機(jī)的投影原理，可得：SCF在相機(jī)坐標(biāo)系中的表示矩陣可以寫成

:SCF在相機(jī)坐標(biāo)系CCF中的平移向量為：角結(jié)構(gòu)投影SCF:

結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系CCF:

相機(jī)坐標(biāo)系于是，關(guān)于CCF

的平移向量可求：利用單幅圖像優(yōu)化相機(jī)參數(shù)利用兩幅圖像優(yōu)化相機(jī)參數(shù)在理想情況下，求出的三維空間點(diǎn)重投影回圖像平面所得的點(diǎn)和原圖像點(diǎn)應(yīng)該是完全重合的，但是由于計(jì)算誤差等原因，造成它們不會(huì)完全重合，它們之間的距離越大，意味著求解的相機(jī)參數(shù)誤差就越大，所以我們以重投影點(diǎn)和原圖像點(diǎn)之間的距離來衡量誤差的大小，定義誤差函數(shù)F：

利用兩幅圖像優(yōu)化相機(jī)參數(shù)旋轉(zhuǎn)矩陣：平移向量結(jié)構(gòu)約束條件目標(biāo)函數(shù)：保證r1和r2是正交單位陣保證平移向量的模在優(yōu)化過程中不變，tlen1和tlen2是兩平移向量的模，可以從初值求解保證線段的方向在優(yōu)化過程中不被改變約束條件：實(shí)驗(yàn)結(jié)果用手持相機(jī)拍攝的書報(bào)亭的圖片

相機(jī)位置和三維點(diǎn)的俯視圖

誤差統(tǒng)計(jì)：理想情況下圖像上的點(diǎn)應(yīng)該恰好位于對(duì)應(yīng)的極線之上，但是由于計(jì)算誤差，圖像點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的極線之間會(huì)有一定的距離，距離的大小可以用來間接衡量計(jì)算誤差的大小：

ImageErrbeforeoptimization(pixels)Errafteroptimization(pixels)Left7.961.09Right9.081.25Metric(Pixel)第二部分：基于單幅圖像建?；趩畏鶊D像建模平面的重建提取基平面，確定基平面的位置和法向量；對(duì)于一個(gè)與基平面相鄰的未知平面，指定公共邊上的一點(diǎn)作為未知平面的基點(diǎn)；求解未知平面的法向量；遞歸求解其它未知平面，直到場(chǎng)景中所有平面重建完畢。平面法向量計(jì)算

利用兩組平行線求解平面法向

利用一條已知線段和一個(gè)未知垂直點(diǎn)求解平面法向

平面重建示例掃描曲面分解重建圓柱面分割示意圖

掃描曲面分割求解三維示意圖

重建示例重建示例第三部分：多場(chǎng)景模型合并策略模型合并圖像序列每幅圖像對(duì)應(yīng)的重建模型多場(chǎng)景模型合并策略三場(chǎng)景模型示例

三場(chǎng)景合并過程

模型合并過程中存在的主要問題如何把所有的局部模型轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的世界坐標(biāo)系中?模型合并：比例變換，頂點(diǎn)合并如何解決？如何去除重合平面？建立公共坐標(biāo)系鏈表兩相鄰場(chǎng)景之間的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系多場(chǎng)景公共坐標(biāo)系鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換1.模型比例變換2.場(chǎng)景內(nèi)的模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3.場(chǎng)景間的模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型比例變換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換效果頂點(diǎn)合并1.極線約束：極線約束就是一幅圖像中的點(diǎn)在其相鄰圖像中的匹配點(diǎn)一定在該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極線上。極線約束在圖像對(duì)的特征點(diǎn)匹配和立體匹配中都起著非常重要的作用。雖然我們進(jìn)行的是空間點(diǎn)的匹配，但是這些空間點(diǎn)在圖像上的投影依然應(yīng)該滿足極線約束條件。2.空間位置約束：就是說相互匹配的點(diǎn)應(yīng)該在空間位置上基本上是重疊的。3.匹配唯一性約束：場(chǎng)景中的一個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于相鄰場(chǎng)景中的唯一頂點(diǎn)。極幾何示意圖極線約束圖例

點(diǎn)合并具體步驟1.搜索求解閾值a；2.

求解當(dāng)前場(chǎng)景與前面場(chǎng)景之間的基礎(chǔ)矩陣；3.搜索構(gòu)成場(chǎng)景模型的平面外輪廓點(diǎn)，對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)，求解該點(diǎn)在前面圖像中的極線，根據(jù)點(diǎn)到極線的距離和三維點(diǎn)之間的距離，在前面的圖像中搜索起對(duì)應(yīng)匹配點(diǎn)并做記錄；4.將搜索到的匹配點(diǎn)的三維坐標(biāo)求平均值。點(diǎn)合并效果點(diǎn)合并效果點(diǎn)合并后的局部放大圖模型合攏1.求解最后一幅圖像和第一幅圖像對(duì)應(yīng)場(chǎng)景之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；2.求解最后一幅圖像和第一幅圖像對(duì)應(yīng)場(chǎng)景之間的平移向量；3.求解基礎(chǔ)矩陣fm；4.

對(duì)于第一幅圖像中所有平面外輪廓點(diǎn)，求解其在最后一幅圖像上對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)。匹配唯一性約束匹配唯一性約束失敗示例

匹配強(qiáng)度

共面匹配唯一性約束

模型合攏效果重建茶葉盒完整模型示例

第四部分：SIBM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及示例系統(tǒng)模塊劃分實(shí)驗(yàn)結(jié)果1:圖像序列

實(shí)驗(yàn)結(jié)果1：重建模型

實(shí)驗(yàn)結(jié)果2：圖像序列

實(shí)驗(yàn)結(jié)果2：重建模型第五部分：總結(jié)與展望本文內(nèi)容總結(jié)相機(jī)定標(biāo)。利用平面約束中的反對(duì)稱性改進(jìn)了GangXu的相機(jī)自定標(biāo)算法；同時(shí)利用真實(shí)場(chǎng)景中普遍存在的幾何結(jié)構(gòu)提出了新的相機(jī)自定標(biāo)算法，避免了臨界運(yùn)動(dòng)序列可能導(dǎo)致的相機(jī)自定標(biāo)退化問題。基于單幅圖像的交互式建模。本文的基于單幅圖像的交互式建模以平面或圓柱面為重建單元，通過遞歸求解場(chǎng)景中所有的平面或圓柱面達(dá)到整個(gè)場(chǎng)景模型重建的目的。

多場(chǎng)景模型合并策略。本文提出的多場(chǎng)景模型合并算法分為建立場(chǎng)景公共坐標(biāo)系鏈表、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、頂點(diǎn)合并、模型合攏、面合并等幾部分。

未來工作展望基于圖像的曲面重建。如何處理更為復(fù)雜的回轉(zhuǎn)面或自由曲面，并把它們?nèi)诤系轿覀兊姆椒ㄖ衼?，以減小對(duì)模型形狀的限制是一個(gè)值得研究的課題。提高建模質(zhì)量。

提高建模質(zhì)量要從提高相機(jī)定標(biāo)精度、增加建模中的約束、以及增強(qiáng)紋理映射的質(zhì)量入手。減少交互操作，提高自動(dòng)化。

著眼于應(yīng)用。

謝謝！第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制第三節(jié)活塞式空壓機(jī)的管理復(fù)習(xí)思考題單擊此處輸入你的副標(biāo)題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請(qǐng)盡量言簡(jiǎn)意賅的闡述觀點(diǎn)。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應(yīng)用：

1.主機(jī)的啟動(dòng)、換向；

2.輔機(jī)的啟動(dòng)；

3.為氣動(dòng)裝置提供氣源；

4.為氣動(dòng)工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時(shí)間內(nèi)所排送的相當(dāng)?shù)谝患?jí)吸氣狀態(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor空壓機(jī)分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理容積式壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式兩級(jí)活塞式壓縮機(jī)單級(jí)活塞壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)最長(zhǎng)的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動(dòng)件少（軸承與滑片），潤(rùn)滑油在機(jī)件間形成保護(hù)膜，防止磨損及泄漏，使空壓機(jī)能夠安靜有效運(yùn)作；平時(shí)有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機(jī)，至今使用十萬小時(shí)以上，依然完好如初，按十萬小時(shí)相當(dāng)于每日以十小時(shí)運(yùn)作計(jì)算，可長(zhǎng)達(dá)33年之久。因此，將滑片式空壓機(jī)比喻為一部終身機(jī)器實(shí)不為過?；?葉)片式空壓機(jī)可以365天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保證60000小時(shí)以上安全運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣壓縮機(jī)1.進(jìn)氣2.開始?jí)嚎s3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。1.進(jìn)氣2.開始?jí)嚎s3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時(shí)停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機(jī)是世界上最先進(jìn)、緊湊型、堅(jiān)實(shí)、運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)：

A

進(jìn)氣過濾器

B

空氣進(jìn)氣閥

C

壓縮機(jī)主機(jī)

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動(dòng)疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機(jī)

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)是20世紀(jì)90年代末期開發(fā)并問世的高科技?jí)嚎s機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長(zhǎng)壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機(jī)，已經(jīng)得到壓縮機(jī)行業(yè)的關(guān)注和公認(rèn)。被譽(yù)為“環(huán)保型壓縮機(jī)”。由于渦旋式壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使其成為當(dāng)今世界最節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)主要運(yùn)動(dòng)件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長(zhǎng)，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。

由于渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、工作環(huán)境安靜，又被譽(yù)為“超靜壓縮機(jī)”。

渦旋式壓縮機(jī)零部件少，只有四個(gè)運(yùn)動(dòng)部件,壓縮機(jī)工作腔由相運(yùn)動(dòng)渦卷付形成多個(gè)相互封閉的鐮形工作腔，當(dāng)動(dòng)渦卷作平動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使鐮形工作腔由大變小而達(dá)到壓縮和排出壓縮空氣的目的?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)的外形第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強(qiáng)對(duì)氣缸的冷卻，省功、對(duì)氣缸潤(rùn)滑有益。二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）1.不存在假設(shè)條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—?dú)埓娴臍怏w在活塞回行時(shí)，發(fā)生膨脹，使實(shí)際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動(dòng)發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對(duì)容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3）吸氣預(yù)熱的影響由于壓縮過程中機(jī)件吸熱，所以在吸氣過程中，機(jī)件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預(yù)熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強(qiáng)對(duì)氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理4）漏泄的影響內(nèi)漏：排氣閥（回漏）；外漏：吸氣閥、活塞環(huán)、氣缸墊。漏泄損失用氣密系數(shù)λl來衡量（0.90-0.98）。保證措施：氣閥的嚴(yán)密閉合，氣缸與活塞、氣缸與缸蓋等部件的嚴(yán)密配合。5）氣體流動(dòng)慣性的影響當(dāng)吸氣管中的氣流慣性方向與活塞吸氣行程相反時(shí)，造成氣缸壓力較低，氣體比容增大，吸氣量下降。保證措施：合理的設(shè)計(jì)進(jìn)氣管長(zhǎng)度，不得隨意增減進(jìn)氣管的長(zhǎng)度，保證濾器的清潔。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理上述五條原因使實(shí)際與理論循環(huán)不同。4）漏泄的影響5）氣體流動(dòng)慣性的影響1）余隙容積Vc的影響2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響3）吸氣預(yù)熱的影響2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3.排氣量和輸氣系數(shù)理論排氣量Vt----單位時(shí)間內(nèi)活塞所掃過的氣缸容積。實(shí)際排氣量Q：Q=Vt

λ輸氣系數(shù)λ

：λ＝λtλv

λ

pλl漏泄的影響余隙容積Vc的影響進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣預(yù)熱的影響二、實(shí)際工作循環(huán)（單級(jí)壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理指示功率pi

：按示功圖計(jì)算的功率理論功率Ps、PT：按理論循環(huán)計(jì)算的功率

Ps(PT)<pi軸功率P：壓縮機(jī)軸的輸入功率絕熱