无人机航拍图像三维重建技术在虚拟现实中的应用探讨

张雨泽

【摘 要】虚拟现实技术的场景搭建过程复杂，制作周期漫长。文章通过利用无人机航拍结合数字摄影测量的三维模型重建技术来解决虚拟现实场景搭建中存在的问题，采用了数字摄影测量、图像处理、计算机自动化等方法进行场景搭建，并对该方法的优势和前景进行探讨，为类似的生产实践提供参考。

【关键词】无人机；数字摄影测量；虚拟现实；图像处理

一、无人机的发展

无人驾驶飞机简称“无人机”（unmanned aerial vehicle，UAV）。早期的无人机多用于军事邻域，是基于战争需求而研发问世的。随着通讯、计算机以及半导体技术的迅速发展，无人机制造技术也得到了巨大的改变，并通过产品的迭代趋于成熟。在无人机的迅速发展过程中，越来越多的生产领域根据生产用途研制出不同的无人机，例如测绘行业的测绘无人机，农业生产中的农用无人机，气象领域的气象无人机、巡查无人机等。近年来，消费型无人机逐渐走入大众的眼球，诸如“大疆”之类的无人机品牌通过生产便携的消费级无人机，降低了无人机使用成本，进而扩展了无人机的使用邻域。

二、虚拟现实技术发展

虚拟现实技术（virtual reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中去。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术。

近年来虚拟现实技术快速发展，一大批生产厂商投入到虚拟现实技术的研发和生产当中。在今年年初的CES 2016上，涌现出许多VR设备：三星Gear VR、HTC Vive、Oculus VR。用户可以通过这些VR设备的头戴式装置配合手柄等传感器来体验虚拟场景。这些VR设备的进步同时也推动了虚拟现实技术的发展。

三、技术原理

利用无人机航拍所获取的图像进行三维模型的重建需要将二维的图像转换为三维的场景，三维的场景再通过加工产生出具有真实感和能实时交互的虚拟现实场景。

（一）航拍图像的预处理。航拍图像在无人机拍摄过程中会受到大气、辐射以及相机的内外因素等造成的误差，图像在进行生产前的预处理工作可以提高图像精度方便后续工作的进展。常采用的图像预处理的方法有：图像拉伸、大气校正、辐射校正、图像滤波等。

（二）数字摄影测量技术运用。目前市场上的航拍无人机都搭载了用于导航的定位系统。无人机在拍摄每一张航片图像的同时会根据规定的坐标系统记录拍摄点的经度、纬度以及高程等信息。并在生成图像的同时将这些信息录入到图像文件中。在无人机航拍过程中会对航拍的影像设置重叠率数值，航拍结果是相邻图像间存在一定的重叠部分。计算机通过对两张相邻图像进行基于灰度到基于特征或者基于符号描述的关系的自动化匹配处理高效地提取出两张图像间的特征点、特征线或是特征面。计算出同名地物在两张图像上的相对坐标，再根据图像文件中记录的拍摄点坐标信息以及相机焦距等信息，基于各点在空间中的几何分布，利用函数关系求解同名地物的坐标。进而通过上述方法生成拍摄区域的连接点和点云。

（三）图像处理生成三角纹理。利用图像处理的技术将图像上的信息进行对应的处理生成三维场景中三维模型的纹理，并附着在三维场景上增强三维场景的显示效果

（四）虚拟现实增强处理。在虚拟环境中，仅仅建立静态的三维几何体并不能满足虚拟现实的要求，物体需要一个相对坐标来支持虛拟场景中的移动，以及碰撞检测来维持虚拟场景下的基本物理原理。虚拟场景中还需要人为的添加模型的渲染效果，例如阴影、光照等来增强用户的真实感和沉浸度。除此以外，还需要建立行为模型来完成用户与场景的交互。

（五）数据导出及运行。将处理后得数据导入到存储设备内，使用虚拟现实设备以及相应的驱动软件对搭建的虚拟场景进行运行调试。最终将数据打包发送提供给用户下载使用。

四、优势与前景

传统的虚拟现实技术建立采用的AutoCAD、3DMAX、SketchUp、MultiGen等三维建模软件进行建模处理，这些建模软件在局部小场景下可以发挥出优势，不过由于采用人工操作建模，面对较大范围场景就存在制作周期长的弊端。以SketchUp为例，建立指定区域内三维场景首先需要通过对遥感数据矢量化获取地物的底面数据，再将数据导入SketchUp软件中进行拉伸、细节处理以及贴图等操作，这些操作都存在一定的制作周期。当此操作采用数字摄影测量原理及算法对图像进行自动化处理后，所有的操作都可以由计算机独立完成，建模效率得到大幅提高，同时场景的更新周期也大幅缩短。

采用无人机航拍图像建立虚拟现实场景可以高效、真实的模拟现实场景，进而为各领域的生产生活提供便利。这种技术可以广泛的运用于军事、交通、教育、工业、农业等众多领域。例如可以通过对该技术进行模拟军事演习、模拟驾驶考试、模拟消防演习等等。

当前虚拟现实技术正处在快速发展阶段，随着虚拟现实设备与计算机设备在性能和价格上的快速发展，虚拟现实技术或许会像PC一样成为现代家庭的必须品，市场的空缺势必会促进虚拟场景搭建技术的发展。

五、结语

无人机航拍图像三维重建运用于虚拟现实场景建立需要以现代科学技术作为基础，数字摄影测量和图像处理等作为制作手段，通过高效地计算机自动化处理来实现虚拟现实技术的创新发展。该方法在通过对传统方法的改进，将自动化的理念充分的运用于实际生产中，解决了传统方法的诸多问题，能更好的投入生产生活，为社会生产做出贡献。

参考文献

[1] 邹湘军，孙建，何汉武.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004，16（09）：1905-1909.

[2] ToniSchenk.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2009.

[3] 翟丽平.基于MultiGen的虚拟现实三维建模技术研究与实现[D].重庆：重庆大学，2005.