本發(fā)明涉及三維場景生成技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國城市化進(jìn)程飛速發(fā)展，城市建設(shè)的復(fù)雜性和信息時代的嚴(yán)峻要求，使得城市發(fā)展需要注入新的活力，數(shù)字城市概念的提出為未來城市信息化的發(fā)展指明了方向。城市信息化能夠?qū)崿F(xiàn)城市信息共享以及綜合利用，促進(jìn)城市信息一體化，提高社會保障、提升政府工作職能和促進(jìn)企事業(yè)單位的信息化等，從而提高社會生產(chǎn)力和改善人類生活水平。三維數(shù)字城市能夠建立虛擬的城市地理信息環(huán)境，給予真實感的地理場景信息，有利于城市建設(shè)中復(fù)雜問題的解決。

作為三維數(shù)字城市的重要組成部分，加上人類大部分時間都是在室內(nèi)活動，對于室內(nèi)的三維場景信息獲取顯得尤為重要，三維場景信息能夠幫助我們更加詳細(xì)地了解相應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境信息，在城市規(guī)劃、大型綜合體導(dǎo)購、室內(nèi)災(zāi)害救援等領(lǐng)域有著重要的作用，因而三維實景重構(gòu)問題一直受到相關(guān)研究者和企事業(yè)單位的關(guān)注和探討。

目前，有提出利用激光雷達(dá)和飛行器來實現(xiàn)三維實景的重構(gòu)，在空曠區(qū)域以及復(fù)雜環(huán)境有一定的應(yīng)用，但是激光掃描設(shè)備價格比較昂貴、數(shù)據(jù)量大、操作復(fù)雜和計算量比較高；此外，對于多樓層的大型綜合體建筑，飛行器在樓道等狹窄區(qū)域不易控制，容易碰壁造成損壞；有提出利用微軟發(fā)布的Kinect實現(xiàn)三維場景的重構(gòu)，其在單一物體的重構(gòu)上有一定效果，但是無法滿足多物體的室內(nèi)場景渲染；有提出在此基礎(chǔ)上，利用ICP方法實現(xiàn)三維場景的重構(gòu)，但是由于受限于內(nèi)存的原因，此方法也有一定的局限性；也有提出雙層配準(zhǔn)方法實現(xiàn)三維場景重建，但是在拍攝位置選擇上沒有進(jìn)行精確定位，在三維場景的重建效果上存在一定的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成方法及系統(tǒng)，借助室內(nèi)三維建模、室內(nèi)定位、機器人和全景攝像等技術(shù)，快速聯(lián)動地架構(gòu)起室內(nèi)建筑三維信息，生成室內(nèi)定位點位圖，在此基礎(chǔ)上精確選取機器人拍攝點，確保室內(nèi)三維場景的迅速精確生成，解決了依靠人為判斷選取拍攝位置造成的場景重構(gòu)精度不高等技術(shù)問題，保障了拍攝位置最佳定位，使得室內(nèi)三維場景生成更加高效，同時提高了三維場景重構(gòu)的精度。

本發(fā)明一種基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成方法，包括如下步驟：

步驟一、建立室內(nèi)三維模型：根據(jù)建筑物CAD圖提供的信息，架構(gòu)起精確的建筑物室內(nèi)三維框架模型；

步驟二、部署室內(nèi)定位信標(biāo)：根據(jù)建筑物室內(nèi)平面結(jié)構(gòu)的特點，生成室內(nèi)定位點位圖，在所述定位點位圖上部署定位信標(biāo)；

步驟三、生成機器人拍攝點位置：通過對建筑物室內(nèi)框架圖的室內(nèi)特征信息進(jìn)行反向推演，計算出所述機器人拍攝點位置；借助步驟二中部署的定位信標(biāo)實時判斷所述機器人是否精確到達(dá)指定拍攝點位置。

進(jìn)一步的，還包括：

步驟四、建筑物室內(nèi)全景照片拍攝：通過反向推演，計算得到相機在所述拍攝點獲取全景照片時相機拍攝角度、朝向和取景范圍；并和步驟三中得到的拍攝點位置信息一起傳輸給機器人，所述機器人攜帶相機在所述拍攝點進(jìn)行室內(nèi)全景拍攝；并記錄所拍攝照片與所述拍攝點、相機拍攝角度及朝向的對應(yīng)關(guān)系；

步驟五、建筑物室內(nèi)三維場景貼片：根據(jù)步驟四中所得到的拍攝照片與所述拍攝點的對應(yīng)關(guān)系以及圖片信息，將所述拍攝照片與步驟一中生成的三維框架模型進(jìn)行自動匹配貼片，得到真實的室內(nèi)三維場景。

進(jìn)一步的，步驟一的具體步驟為：根據(jù)建筑物CAD圖提供的信息，首先提取精確的建筑物二維平面信息，然后根據(jù)建筑物層高信息，架構(gòu)起建筑物室內(nèi)的三維框架模型。

進(jìn)一步的，所述建筑物二維平面信息，包括：墻體、門、窗、梁、柱體的位置及尺寸信息。

進(jìn)一步的，步驟三中計算出所述機器人拍攝點位置后，根據(jù)室內(nèi)二維平面結(jié)構(gòu)的特點，進(jìn)一步確定所述機器人在各個拍攝點移動的行進(jìn)路徑，并將所述行進(jìn)路徑傳輸給所述機器人。

進(jìn)一步的，步驟四中所述機器人攜帶的相機為多攝像臺720°全景相機。

進(jìn)一步的，步驟四中所述拍攝角度為相機中心線與水平面之間的夾角；所述朝向為相機中心線在水平面上的投影線與正北方向的夾角；所述取景范圍根據(jù)水平和垂直方向上的拍攝視角確定。

本發(fā)明還提供了一種基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成系統(tǒng)，包括室內(nèi)三維建模單元、室內(nèi)定位單元、機器人拍攝單元、室內(nèi)場景生成單元、主處理器；

所述室內(nèi)三維建模單元，根據(jù)建筑物CAD圖提供的信息，架構(gòu)起精確的建筑物室內(nèi)的三維框架模型；

所述室內(nèi)定位單元，根據(jù)建筑物室內(nèi)平面結(jié)構(gòu)的特點，生成室內(nèi)定位點位圖，在所述定位點位圖上部署定位信標(biāo)；所述定位信標(biāo)用于精確定位機器人的位置；

所述機器人拍攝單元，包括機器人及相機，所述機器人攜帶相機，在設(shè)定的拍攝點、拍攝角度、朝向和取景范圍下，對室內(nèi)場景進(jìn)行全景拍攝，所述設(shè)定的拍攝點、拍攝角度、朝向和取景范圍，通過反向推演計算得到，并在拍攝前或拍攝中輸入機器人；

所述室內(nèi)場景生成單元，根據(jù)拍攝照片與所述拍攝點的對應(yīng)關(guān)系以及圖片信息，將拍攝照片與步驟一中生成的三維框架模型進(jìn)行自動匹配貼片，得到真實的室內(nèi)三維場景；

所述主處理器，與所述室內(nèi)三維建模單元、室內(nèi)定位單元、機器人拍攝單元、室內(nèi)場景生成單元分別無線或有線連接。

本發(fā)明的有益效果為：

1、依據(jù)建筑物CAD圖，建立精準(zhǔn)的室內(nèi)二維平面及帶有基本特征的室內(nèi)三維框架圖；

2、依據(jù)精準(zhǔn)的二維平面信息，生成室內(nèi)定位點位圖，依據(jù)定位點位圖上標(biāo)記的定位信標(biāo)安裝位置布置定位信標(biāo)，實現(xiàn)機器人的精確定位；

3、對室內(nèi)三維框架圖的室內(nèi)特征信息進(jìn)行反向推演，計算出機器人拍攝點位置及路徑圖，借助定位信標(biāo)實時判斷機器人是否精確到達(dá)指定位置，從而確保拍攝圖片的完整性；

4、所拍攝照片自帶位置、圖片信息，貼片時自動匹配，效率高，且解決了依靠人為判斷選取拍攝位置造成的場景重構(gòu)精度不高的技術(shù)問題；

5、節(jié)省人力物力；應(yīng)用前景廣闊。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明實施例基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成方法的流程示意圖。

圖2所示為機器人拍攝及貼片匹配流程示意圖。

圖3所示為本發(fā)明實施例基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1-室內(nèi)三維建模單元、2-室內(nèi)定位單元、3-機器人拍攝單元、4-室內(nèi)場景生成單元、5-主處理器。

具體實施方式

下文將結(jié)合具體附圖詳細(xì)描述本發(fā)明具體實施例。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。在下述實施例的附圖中，各附圖所出現(xiàn)的相同標(biāo)號代表相同的特征或者部件，可應(yīng)用于不同實施例中。

如圖1所示，本發(fā)明實施例一種基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成方法，包括如下步驟：

步驟一、建立室內(nèi)三維模型：根據(jù)建筑物CAD圖提供的信息，架構(gòu)起精確的建筑物室內(nèi)三維框架模型；

步驟二、部署室內(nèi)定位信標(biāo)：根據(jù)建筑物室內(nèi)平面結(jié)構(gòu)的特點，生成室內(nèi)定位點位圖，在所述定位點位圖上部署定位信標(biāo)；

步驟三、生成機器人拍攝點位置：通過對建筑物室內(nèi)框架圖的室內(nèi)特征信息進(jìn)行反向推演，計算出所述機器人拍攝點位置；借助步驟二中部署的定位信標(biāo)實時判斷所述機器人是否精確到達(dá)指定拍攝點位置。

步驟四、建筑物室內(nèi)全景照片拍攝：通過反向推演，計算得到相機在所述拍攝點獲取全景照片時相機拍攝角度、朝向和取景范圍；并和步驟三中得到的拍攝點位置信息一起傳輸給機器人，所述機器人攜帶相機在所述拍攝點進(jìn)行室內(nèi)全景拍攝；并記錄所拍攝照片與所述拍攝點、相機拍攝角度及朝向的對應(yīng)關(guān)系；

步驟五、建筑物室內(nèi)三維場景貼片：根據(jù)步驟四中所得到的拍攝照片與所述拍攝點的對應(yīng)關(guān)系以及圖片信息，將所述拍攝照片與步驟一中生成的三維框架模型進(jìn)行自動匹配貼片，得到真實的室內(nèi)三維場景。

步驟一具體為：根據(jù)建筑物CAD圖提供的信息，首先提取精確的建筑物二維平面信息，然后根據(jù)建筑物層高信息，架構(gòu)起建筑物室內(nèi)的三維框架模型。

所述建筑物二維平面信息，包括：墻體、門、窗、梁、柱體的位置及尺寸信息；如果是大型綜合商場的建筑，也可以體現(xiàn)在二維平面信息里，如商鋪的落位圖信息。

步驟三中計算出所述機器人拍攝點位置后，根據(jù)室內(nèi)二維平面結(jié)構(gòu)的特點，進(jìn)一步確定所述機器人在各個拍攝點移動的行進(jìn)路徑，并將所述行進(jìn)路徑傳輸給所述機器人，確定所述機器人行進(jìn)路徑時，需要考慮室內(nèi)障礙的情況，對行進(jìn)路徑進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)選的，步驟四中所述機器人攜帶的相機為多攝像臺720°全景相機。

步驟四中所述拍攝角度為相機中心線與水平面之間的夾角；所述朝向為相機中心線在水平面上的投影線與正北方向的夾角；所述取景范圍根據(jù)水平和垂直方向上的拍攝視角確定。

如圖3所示，本發(fā)明實施例一種基于室內(nèi)三維建模和定位的場景生成系統(tǒng)，包括室內(nèi)三維建模單元1、室內(nèi)定位單元2、機器人拍攝單元3、室內(nèi)場景生成單元4、主處理器5；

所述室內(nèi)三維建模單元1，根據(jù)建筑物CAD圖提供的信息，架構(gòu)起精確的建筑物室內(nèi)的三維框架模型；

所述室內(nèi)定位單元2，根據(jù)建筑物室內(nèi)平面結(jié)構(gòu)的特點，生成室內(nèi)定位點位圖，在所述定位點位圖上部署定位信標(biāo)；所述定位信標(biāo)用于精確定位機器人的位置；

所述機器人拍攝單元3，包括機器人及相機，所述機器人攜帶相機，在設(shè)定的拍攝點、拍攝角度、朝向和取景范圍下，對室內(nèi)場景進(jìn)行全景拍攝，所述設(shè)定的拍攝點、拍攝角度、朝向和取景范圍，通過反向推演計算得到，并在拍攝前或拍攝中輸入機器人；

所述室內(nèi)場景生成單元4，根據(jù)拍攝照片與所述拍攝點的對應(yīng)關(guān)系以及圖片信息，將拍攝照片與步驟一中生成的三維框架模型進(jìn)行自動匹配貼片，得到真實的室內(nèi)三維場景；

所述主處理器5，與所述室內(nèi)三維建模單元1、室內(nèi)定位單元2、機器人拍攝單元3、室內(nèi)場景生成單元4分別無線或有線連接。

上述的數(shù)學(xué)反向推演，指的是在知道建筑物室內(nèi)二維平面坐標(biāo)信息及層高信息的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑物室內(nèi)的結(jié)構(gòu)特性（如門、窗、走道、梁、柱等的平面布置），利用數(shù)學(xué)建模方法，反向推出在該結(jié)構(gòu)特征下，機器人拍照時的最佳位置、拍攝角度、朝向等，以及在不同拍攝點之間的行進(jìn)路徑。數(shù)學(xué)建模的方法，可以是純理論模型，也可以是根據(jù)以前大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)的總結(jié)歸納（根據(jù)機器人拍攝各種不同結(jié)構(gòu)形式的圖片及后期貼片匹配的效果，總結(jié)歸納出針對不同結(jié)構(gòu)形式機器人的最佳拍攝位置、拍攝角度、朝向，此步驟需要大量的云計算）；一方面，通過數(shù)學(xué)反向推演得到的批量機器人拍攝點位置、拍攝角度、朝向等信息，輸入機器人后，可極大提高機器人拍攝照片的效率，解決了傳統(tǒng)人工或人工控制機器人拍照難以避免大量無效照片的技術(shù)難題；另一方面，機器人拍攝的照片自帶準(zhǔn)確的位置、圖片信息，使后期貼片時的照片匹配工作更為高效。

下述的數(shù)學(xué)反向推演方法，只是作為示例，可以采取任何其他公知的數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗?zāi)Ｐ头聪蛲蒲輽C器人的最佳拍攝點。

一種機器人最佳拍攝點的確認(rèn)方法，具體過程主要包括三大步驟：

1、圖片拍攝路徑生成

1)判斷拍攝同一區(qū)域的平整度；

2)判斷拍攝同一區(qū)域的物體復(fù)雜度，盡量控制復(fù)雜程度的均勻性；

3)考慮拍攝同一區(qū)域的物體特征覆蓋率，保證物體特征信息的獲取。

2、拍攝位置的實時調(diào)整

1)判斷機器人有無到達(dá)指點路徑位置；

2)機器人位置坐標(biāo)的實時定位；

3)判斷定位理論值與機器人到達(dá)位置是否一致。

3、全景照片生成

1)考慮多攝像臺720°全景相機的角度、朝向和取景范圍；

2)考慮貼片時計劃預(yù)留的空間比例，保證中間的成像效果最佳；

3）判斷機器人拍攝位置前有無遮擋，如果不能完整拍攝全景照片，調(diào)整相機的角度和取景范圍，重新計算機器人的距離和位置，直到機器人面前無遮擋。

在實際使用中，本發(fā)明實施例方法在獲取建筑工程CAD圖紙的基礎(chǔ)上，搭建基礎(chǔ)模型，對圖紙坐標(biāo)信息進(jìn)行提取分析，建立精準(zhǔn)的建筑二維信息（如果是大型綜合商場的建筑，亦可在二維信息有所體現(xiàn)，如商鋪的落位圖信息等），通過對建筑二維信息的層高處理，架構(gòu)起帶有基本特征的室內(nèi)三維框架圖信息；同時，依托精準(zhǔn)的二維信息，會生成室內(nèi)定位點位圖，以此部署定位信標(biāo)，為機器人拍攝點的精確選取提供判斷依據(jù)和技術(shù)支撐；通過對室內(nèi)三維框架圖的室內(nèi)特征信息進(jìn)行反向推演，計算出機器人拍攝點位置及路徑圖，借助定位信標(biāo)實時判斷機器人是否精確到達(dá)指定位置，從而確保拍攝圖片的完整性。

如圖2所示，本實施例中，將拍攝位置點、拍攝路徑信息存儲至機器人，機器人依據(jù)拍攝位置信息自動達(dá)到指定拍攝地點；由于在此之前已經(jīng)部署定位信標(biāo)，為了保證機器人拍攝位置的精確性，通過定位信標(biāo)對機器人進(jìn)行定位，由于現(xiàn)有的定位信標(biāo)定位精度可以達(dá)到亞米級，完全可以作為最佳位置的計算值，比較機器人到達(dá)位置與定位計算值的偏差，實時調(diào)整機器人的拍攝位置；機器人配備多攝像臺720°全景相機，進(jìn)行全景照片拍攝，為了保障獲取全方位的照片，通過進(jìn)行大量的云計算，反向推演，計算獲取全景照片時相機中心線與正北水平方向的夾角，水平方向上的垂直仰角，全景相機的所需的拍攝視角，加上機器人的坐標(biāo)位置信息，確保最佳圖片拍攝效果；記錄拍攝照片時的位置和圖片信息，再借助反向推演，將拍攝圖片與三維場景進(jìn)行自動匹配貼片，避免人為貼片操作造成的圖片拼接誤差，很大程度上提高了工作效率和精度。在完成室內(nèi)三維場景貼片的基礎(chǔ)上，進(jìn)行局部的精細(xì)化、融合化渲染，最大飽和地呈現(xiàn)真實室內(nèi)三維場景，真正地為室內(nèi)三維場景構(gòu)建提供全方位、多角度和一體化的生成方法，為室內(nèi)三維場景重建提供強有力的技術(shù)支撐，實現(xiàn)更加高效化、精確化和低成本化的室內(nèi)三維場景生成系統(tǒng)和方法。

本發(fā)明的有益效果為：

1、依據(jù)建筑物CAD圖，建立精準(zhǔn)的室內(nèi)二維平面及帶有基本特征的室內(nèi)三維框架圖；

2、依據(jù)精準(zhǔn)的二維平面信息，生成室內(nèi)定位點位圖，依據(jù)定位點位圖上標(biāo)記的定位信標(biāo)安裝位置布置定位信標(biāo)，實現(xiàn)機器人的精確定位；

3、對室內(nèi)三維框架圖的室內(nèi)特征信息進(jìn)行反向推演，計算出機器人拍攝點位置及路徑圖，借助定位信標(biāo)實時判斷機器人是否精確到達(dá)指定位置，從而確保拍攝圖片的完整性；

4、所拍攝照片自帶位置、圖片信息，貼片時自動匹配，效率高，且解決了依靠人為判斷選取拍攝位置造成的場景重構(gòu)精度不高的技術(shù)問題；

5、節(jié)省人力物力；應(yīng)用前景廣闊。

本文雖然已經(jīng)給出了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明精神的情況下，可以對本文的實施例進(jìn)行改變。上述實施例只是示例性的，不應(yīng)以本文的實施例作為本發(fā)明權(quán)利范圍的限定。