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本文是基于 OpenCV4.80 进行的,关于环境的配置可能之后会单独说,先提一嘴 vcpkg 真好用
从多张图片逐步生成稀疏点云,这个过程通常包括以下步骤:
初始重建:
初始两张图片的选择十分重要,这是整个流程的基础,后续的增图都是在这两张图片的基础上进行的
E
估计相机的外参矩阵(旋转矩阵 R
和平移向量 T
),然后使用三角测量法计算出一些初始的三维点具体操作可以查看我前面的博客
增量式重建:
从这开始,逐步增加图像,逐渐扩展三维点云
PnP
(Perspective-n-Point)—— 在已知相机内参数 K
的前提下,用该角度下的三维点(object_points)与它们对应的图像点(image_points)坐标,估算出此时拍摄位置的信息R
,T
)来三角测量,生成新的三维点。全局点云优化:在稀疏点云已经生成后,可以使用全局点云优化技术,例如Bundle Adjustment,来提高点云的准确性
之前文章中,我们讲所有代码都挤到了main函数中,十分不美观,现在我们进行一下代码的优化
由于才学C++,比较菜请见谅
这里包含了所有用到的头文件和宏,方便之后使用
由于之后要用 Bundle Adjustment,所以引入了 ceres,具体环境配置之后可能会说(真的比较麻烦,强烈推荐 vcpkg ),其中大量的 #define
和 #pragma warning(disable: 4996)
都是关于 ceres 的报错的
#ifndef INCLUDES_H #define INCLUDES_H #define GLOG_NO_ABBREVIATED_SEVERITIES #define _CRT_NONSTDC_NO_DEPRECATE #define NOMINMAX #define _CRT_NONSTDC_NO_WARNINGS #pragma warning(disable: 4996) #include <opencv2/opencv.hpp> #include <iostream> #include <vector> #include <fstream> #include <ceres/ceres.h> #include <ceres/rotation.h> using namespace cv; using namespace std; #endif // !INCLUDES_H #pragma once
Constructor 类,其中包含了三维重建的几个关键步骤的函数:
findCamera
:初始构建使用的求取 E 矩阵和R,T(其中包括了RANSAC)maskoutPoints
:通过内点标记mask,来对点进行筛选pointsReconstruct
:通过 R,T 匹配点来进行三角化生成三维点云Constructor.h:
#ifndef CONSTRUCTOR_H #define CONSTRUCTOR_H #include "Includes.h" #include "Images.h" class Constructor { public: // 输入K,图1的匹配点,图2的匹配点;输出R,T;点经过筛选 static void findCamera(Mat K, vector<Point2f>& point1, vector<Point2f>& point2, Mat& output_R, Mat& output_T, vector<uchar>& mask); // 输入图匹配点,内点标记mask;返回mask后的vector<Point2f>匹配点 static void maskoutPoints(vector<Point2f>& input_points, vector<uchar>& input_mask); // 输入图一的R,T,匹配点,图二的R,T,匹配点;返回vector<Point3f>三维点 static vector<Point3d>& pointsReconstruct(const Mat& K, Mat& R1, Mat& T1, Mat& R2, Mat& T2, vector<Point2f>& points1, vector<Point2f>& points2); }; #endif // !CONSTRUCTOR_H #pragma once
Constructor.cpp:
#include "Constructor.h" void Constructor::findCamera(Mat K, vector<Point2f>& point1, vector<Point2f>& point2, Mat& output_R, Mat& output_T, vector<uchar>& mask) { vector<uchar> inliers; Mat F; F = findFundamentalMat(point1, point2, inliers, FM_RANSAC, 1, 0.5); Mat E = K.t() * F * K; //Mat E = findEssentialMat(point1, point2, K, RANSAC, 0.6, 1.0, inliners); mask = inliers; // 根据内点筛选出新的匹配点 Constructor::maskoutPoints(point1, inliers); Constructor::maskoutPoints(point2, inliers); // 分解E矩阵,获取R,T矩阵 int pass_count = recoverPose(E, point1, point2, K, output_R, output_T); } void Constructor::maskoutPoints(vector<Point2f>& input_points, vector<uchar>& input_mask) { vector<Point2f> temp_points(input_points); input_points.clear(); for (int i = 0; i < temp_points.size(); ++i) { if (input_mask[i]) { input_points.push_back(temp_points[i]); } } } vector<Point3d>& Constructor::pointsReconstruct(const Mat& K, Mat& R1, Mat& T1, Mat& R2, Mat& T2, vector<Point2f>& points1, vector<Point2f>& points2) { // 构造投影矩阵 Mat proj1(3, 4, CV_32FC1); Mat proj2(3, 4, CV_32FC1); // 将旋转矩阵和平移向量合并为投影矩阵 R1.convertTo(proj1(Range(0, 3), Range(0, 3)), CV_32FC1); T1.convertTo(proj1.col(3), CV_32FC1); R2.convertTo(proj2(Range(0, 3), Range(0, 3)), CV_32FC1); T2.convertTo(proj2.col(3), CV_32FC1); // 将内参矩阵与投影矩阵相乘,得到最终的投影矩阵 Mat fK; K.convertTo(fK, CV_32FC1); proj1 = fK * proj1; proj2 = fK * proj2; // 三角化,得到齐次坐标 Mat point4D_homogeneous(4, points1.size(), CV_64F); triangulatePoints(proj1, proj2, points1, points2, point4D_homogeneous); // 将齐次坐标转换为三维坐标 vector<Point3d> point3D; point3D.clear(); point3D.reserve(point4D_homogeneous.cols); for (int i = 0; i < point4D_homogeneous.cols; ++i) { Mat<float> col = point4D_homogeneous.col(i); col /= col(3); point3D.push_back(Point3d(col(0), col(1), col(2))); } // 将三维坐标存储在Point3d向量中并返回 return point3D; }
为了增图,我们需要存储图像中每个特征点在空间中的对应点—— correspond_struct_idx
Image 类,其中有成员变量:
Mat image
—— 存储图像vector<KeyPoint> keyPoints
—— 存储特征点Mat descriptor
—— 存储特征描述符vector<int> correspond_struct_idx
—— 匹配点所对应的空间点在点云中的索引vector<Point2f> matchedPoints
—— 存储匹配点vector<Vec3b> colors
—— 存储匹配点的颜色信息Mat R, T
—— 存储相机的旋转矩阵和平移向量同时还有几个关于图像处理的重要函数:
Images
:构造函数,读取图像时就进行了特征点的提取matchFeatures
:匹配特征点findColor
:提取颜色信息getObjPointsAndImgPoints
:找出当前匹配中已经在点云中的点,获取 object_points,以及 image_points —— 为 PnP 做准备Image.h:
#ifndef IMAGES_H #define IMAGES_H #include "Includes.h" class Images { public: Mat image; // 存储图像 vector<KeyPoint> keyPoints; // 存储特征点 Mat descriptor; // 存储特征描述符 vector<int> correspond_struct_idx; // 匹配点所对应的空间点在点云中的索引 vector<Point2f> matchedPoints; // 存储匹配点 vector<Vec3b> colors; // 存储匹配点的颜色信息 Mat R, T; // 存储相机的旋转矩阵和平移向量 vector<Point3f> object_points; // 前一张图中匹配点对应的三维点 vector<Point2f> image_points; // 在现图像中对应的像素点 // 构造函数,从指定路径读取图像,并提取SIFT特征点和描述符 Images(string const image_paths); // 特征匹配函数,将当前图像与另一个图像进行特征匹配 void matchFeatures(Images& otherImage, vector<DMatch>& outputMatches); // 从匹配点中提取颜色信息 void findColor(); // 遍历当前匹配,找出当前匹配中已经在点云中的点,获取object_points,以及image_points void getObjPointsAndImgPoints(vector<DMatch>& matches, vector<Point3d>& all_reconstructed_points, Images& preImage); }; #endif // !IMAGES_H #pragma once
Image.cpp:
#include "Images.h" Images::Images(string const image_path) { // 读取图像 this->image = imread(image_path); if (this->image.empty()) { cout << "Could not read image: " << image_path << endl; } // 提取SIFT特征点和描述符 Ptr<SIFT> sift = SIFT::create(0, 17, 0.0000000001, 16); sift->detectAndCompute(this->image, noArray(), this->keyPoints, this->descriptor); for (int i = 0; i < keyPoints.size(); i++) { correspond_struct_idx.push_back(-1); } } void Images::findColor() { // 遍历所有匹配点 for (Point2f& Points : this->matchedPoints) { // 获取像素点的颜色 Vec3b color = this->image.at<Vec3b>(Points.y, Points.x); // 将颜色存储在颜色向量中 this->colors.push_back(color); } } void Images::matchFeatures(Images& otherImage, vector<DMatch>& outputMatches) { // 清空匹配点 otherImage.matchedPoints.clear(); this->matchedPoints.clear(); vector<vector<DMatch>> matches; FlannBasedMatcher matcher; // 使用FlannBasedMatcher进行特征匹配 matcher.knnMatch(this->descriptor, otherImage.descriptor, matches, 2); // 计算最小距离 float min_dist = FLT_MAX; for (int r = 0; r < matches.size(); ++r) { // 如果最近邻距离大于次近邻距离的2.5倍,则跳过该匹配点 if (matches[r][0].distance < 2.5 * matches[r][1].distance) { // 计算最小距离 float dist = matches[r][0].distance; if (dist < min_dist) { min_dist = dist; } } } // 筛选出好的匹配点 for (int i = 0; i < matches.size(); i++) { if (matches[i][0].distance < 0.76 * matches[i][1].distance && matches[i][0].distance < 8 * max(min_dist, 10.0f)) { outputMatches.push_back(matches[i][0]); } } // 将匹配点存储在matchedPoints向量中 for (int i = 0; i < outputMatches.size(); ++i) { this->matchedPoints.push_back(this->keyPoints[outputMatches[i].queryIdx].pt); otherImage.matchedPoints.push_back(otherImage.keyPoints[outputMatches[i].trainIdx].pt); } } // 从匹配点中获取三维空间点和图像点 void Images::getObjPointsAndImgPoints(vector<DMatch>& matches, vector<Point3d>& all_reconstructed_points, Images& preImage) { // 清空object_points和image_points this->object_points.clear(); this->image_points.clear(); // 遍历所有匹配点 for (int i = 0; i < matches.size(); i++) { // 获取匹配点在前一张图像中对应的三维空间点的索引 int matched_world_point_indices = preImage.correspond_struct_idx[matches[i].queryIdx]; // 如果匹配点在前一张图像中对应的三维空间点存在 if (matched_world_point_indices > 0) { // 将其(前一张图像中的三维点)添加到object_points中 this->object_points.push_back(all_reconstructed_points[matched_world_point_indices]); // 将匹配点(该新图像的二维点)添加到image_points中 this->image_points.push_back(this->keyPoints[matches[i].trainIdx].pt); } } }
在先前的两张图片的初始三维点云的构建的基础上,我们来实现多张图的增量构建
在前面几篇博客中已经详细讲述过了:匹配,用计算 E 矩阵的方式求得相机外参 R,T,进行三角化构建点云
特别:为了后面的增图重建,我们需要记录初始两张图各个点和点云的关系
void initConstruction(vector<Images>& initImages, vector<Point3d>& all_reconstructed_points, vector<Vec3b>& all_points_colors) { initImages.push_back(*(new Images(INIT_IMG_PATH1))); initImages.push_back(*(new Images(INIT_IMG_PATH2))); vector<DMatch> matches; initImages[0].matchFeatures(initImages[1], matches); vector<uchar> mask; Constructor::findCamera(K, initImages[0].matchedPoints, initImages[1].matchedPoints, initImages[1].R, initImages[1].T, mask); initImages[0].R = Mat::eye(3, 3, CV_64FC1); initImages[0].T = Mat::zeros(3, 1, CV_64FC1); all_reconstructed_points = Constructor::pointsReconstruct(K, initImages[0].R, initImages[0].T, initImages[1].R, initImages[1].T, initImages[0].matchedPoints, initImages[1].matchedPoints); initImages[1].findColor(); for (int i = 0; i < initImages[1].colors.size(); i++) { all_points_colors.push_back(initImages[1].colors[i]); } // 根据mask来记录初始两张图各个点和点云的关系 int idx = 0; for (int i = 0; i < matches.size(); i++) { if (mask[i]) { initImages[0].correspond_struct_idx[matches[i].queryIdx] = idx; initImages[1].correspond_struct_idx[matches[i].trainIdx] = idx; idx++; } } }
创建subImageBag
,然后将initImages[1]
添加到容器中,即表示initImages
中的第二张图像(数组索引为1)将与后续进行比较(否则下一张图添加进来跟谁进行匹配呢)
循环,遍历sub_image_paths
容器中的图像文件路径
在循环中,为每个图像文件路径创建一个新的Images
,并将其添加到subImageBag
容器中。这样,容器subImageBag
中就包含了多张图像,其中第一张图像是初始图像对的第二张,其余图像是逐步添加的
调用addImageConstruction
函数,将subImageBag
作为参数传递,以及用于存储稀疏点云的all_reconstructed_points
和点云颜色的all_points_colors
循环遍历subImageBag
容器中的每个图像,从索引1开始(因为第一个图像是初始图像用于了初始构建,跳过)
对于每对相邻的图像,执行以下操作:
使用matchFeatures
方法,找到两个相邻图像之间的特征点匹配关系,并将匹配结果存储在matches
容器中
使用getObjPointsAndImgPoints
方法,获取匹配的特征点对应的三维点和图像点 —— 为 PnP 做准备
通过RANSAC筛选,使用findCamera
方法筛选匹配点并生成一个mask,用于标记有效的匹配点(只是为了筛选罢了)
使用solvePnPRansac
方法,估计新图像的相机位姿,获得R,T
转换旋转向量为旋转矩阵(solvePnPRansac
得到的是 r 向量)
使用pointsReconstruct
方法,重建新图像与前图像之间的三维点,并将结果存储在new_restructure_points
中
使用findColor
方法,获取新图像中点的颜色信息
记录初始两张图各个点和点云的关系:
遍历matches
,根据mask
中的标记,将新生成的点与初始两张图像的各个点和点云的关系进行记录,维护点与点云之间的对应关系
最后,将新生成的三维点new_restructure_points
以及它们的颜色信息添加到all_reconstructed_points
和all_points_colors
中,不断扩展点云
void addImageConstruction(vector<Images>& subImageBag, vector<Point3d>& all_reconstructed_points, vector<Vec3b>& all_points_colors) { for (int i = 1; i < subImageBag.size(); i++) { cout << i << endl; vector<DMatch> matches; subImageBag[i - 1].matchFeatures(subImageBag[i], matches); subImageBag[i].getObjPointsAndImgPoints(matches, all_reconstructed_points, subImageBag[i - 1]); // 只是为了进行RANSAC筛选匹配点和获取mask vector<uchar> mask; Mat discardR, discardT; Constructor::findCamera(K, subImageBag[i - 1].matchedPoints, subImageBag[i].matchedPoints, discardR, discardT, mask); solvePnPRansac(subImageBag[i].object_points, subImageBag[i].image_points, K, noArray(), subImageBag[i].R, subImageBag[i].T); Rodrigues(subImageBag[i].R, subImageBag[i].R); vector<Point3d> new_restructure_points; new_restructure_points = Constructor::pointsReconstruct(K, subImageBag[i - 1].R, subImageBag[i - 1].T, subImageBag[i].R, subImageBag[i].T, subImageBag[i - 1].matchedPoints, subImageBag[i].matchedPoints); subImageBag[i].findColor(); // 记录初始两张图各个点和点云的关系 int idx = 0; for (int k = 0; k < matches.size(); k++) { if (mask[k]) { subImageBag[i - 1].correspond_struct_idx[matches[k].queryIdx] = all_reconstructed_points.size() + idx; subImageBag[i].correspond_struct_idx[matches[k].trainIdx] = all_reconstructed_points.size() + idx; idx++; } } for (int k = 0; k < new_restructure_points.size(); k++) { all_reconstructed_points.push_back(new_restructure_points[k]); all_points_colors.push_back(subImageBag[i].colors[k]); } } }
// 定义图像文件路径和保存结果的路径 //#define INIT_IMG_PATH1 "test_img\\images\\100_7103.jpg" //#define INIT_IMG_PATH2 "test_img\\images\\100_7104.jpg" #define INIT_IMG_PATH1 "test_img\\First stage\\B25.jpg" #define INIT_IMG_PATH2 "test_img\\First stage\\B24.jpg" #define PLY_SAVE_PATH "test_img\\results\\output.ply" #include "Includes.h" #include "Images.h" #include "Constructor.h" //const Mat K = (Mat_<double>(3, 3) << 2905.88, 0, 1416, 0, 2905.88, 1064, 0, 0, 1); const Mat K = (Mat_<double>(3, 3) << 719.5459, 0, 0, 0, 719.5459, 0, 0, 0, 1); //const vector<string> sub_image_paths = { /*"test_img\\images\\100_7100.jpg", "test_img\\images\\100_7101.jpg", "test_img\\images\\100_7102.jpg",*/ /*"test_img\\images\\100_7103.jpg", "test_img\\images\\100_7104.jpg",*/ "test_img\\images\\100_7105.jpg", "test_img\\images\\100_7106.jpg", "test_img\\images\\100_7107.jpg", "test_img\\images\\100_7108.jpg", "test_img\\images\\100_7109.jpg"/*, "test_img\\images\\100_7110.jpg"*/ }; const vector<string> sub_image_paths = { "test_img\\First stage\\B23.jpg", "test_img\\First stage\\B22.jpg", "test_img\\First stage\\B21.jpg" }; void initConstruction(vector<Images>& initImages, vector<Point3d>& all_reconstructed_points, vector<Vec3b>& all_points_colors) { initImages.push_back(*(new Images(INIT_IMG_PATH1))); initImages.push_back(*(new Images(INIT_IMG_PATH2))); vector<DMatch> matches; initImages[0].matchFeatures(initImages[1], matches); vector<uchar> mask; Constructor::findCamera(K, initImages[0].matchedPoints, initImages[1].matchedPoints, initImages[1].R, initImages[1].T, mask); initImages[0].R = Mat::eye(3, 3, CV_64FC1); initImages[0].T = Mat::zeros(3, 1, CV_64FC1); all_reconstructed_points = Constructor::pointsReconstruct(K, initImages[0].R, initImages[0].T, initImages[1].R, initImages[1].T, initImages[0].matchedPoints, initImages[1].matchedPoints); initImages[1].findColor(); for (int i = 0; i < initImages[1].colors.size(); i++) { all_points_colors.push_back(initImages[1].colors[i]); } // 根据mask来记录初始两张图各个点和点云的关系 int idx = 0; for (int i = 0; i < matches.size(); i++) { if (mask[i]) { initImages[0].correspond_struct_idx[matches[i].queryIdx] = idx; initImages[1].correspond_struct_idx[matches[i].trainIdx] = idx; idx++; } } } void addImageConstruction(vector<Images>& subImageBag, vector<Point3d>& all_reconstructed_points, vector<Vec3b>& all_points_colors) { for (int i = 1; i < subImageBag.size(); i++) { cout << i << endl; vector<DMatch> matches; subImageBag[i - 1].matchFeatures(subImageBag[i], matches); subImageBag[i].getObjPointsAndImgPoints(matches, all_reconstructed_points, subImageBag[i - 1]); // 只是为了进行RANSAC筛选匹配点和获取mask vector<uchar> mask; Mat discardR, discardT; Constructor::findCamera(K, subImageBag[i - 1].matchedPoints, subImageBag[i].matchedPoints, discardR, discardT, mask); solvePnPRansac(subImageBag[i].object_points, subImageBag[i].image_points, K, noArray(), subImageBag[i].R, subImageBag[i].T); Rodrigues(subImageBag[i].R, subImageBag[i].R); vector<Point3d> new_restructure_points; new_restructure_points = Constructor::pointsReconstruct(K, subImageBag[i - 1].R, subImageBag[i - 1].T, subImageBag[i].R, subImageBag[i].T, subImageBag[i - 1].matchedPoints, subImageBag[i].matchedPoints); subImageBag[i].findColor(); // 记录初始两张图各个点和点云的关系 int idx = 0; for (int k = 0; k < matches.size(); k++) { if (mask[k]) { subImageBag[i - 1].correspond_struct_idx[matches[k].queryIdx] = all_reconstructed_points.size() + idx; subImageBag[i].correspond_struct_idx[matches[k].trainIdx] = all_reconstructed_points.size() + idx; idx++; } } for (int k = 0; k < new_restructure_points.size(); k++) { all_reconstructed_points.push_back(new_restructure_points[k]); all_points_colors.push_back(subImageBag[i].colors[k]); } } } int main() { try { vector<Images> initImages; vector<Point3d> all_reconstructed_points; vector<Vec3b> all_points_colors; initConstruction(initImages, all_reconstructed_points, all_points_colors); vector<Images> subImageBag; subImageBag.push_back(initImages[1]); for (auto& image_path : sub_image_paths) { subImageBag.push_back(Images(image_path)); } addImageConstruction(subImageBag, all_reconstructed_points, all_points_colors); // 手动输出点云ply文件 std::ofstream plyFile(PLY_SAVE_PATH); // ply的头部信息 plyFile << "ply\n"; plyFile << "format ascii 1.0\n"; plyFile << "element vertex " << all_reconstructed_points.size() << "\n"; plyFile << "property float x\n"; plyFile << "property float y\n"; plyFile << "property float z\n"; plyFile << "property uchar blue\n"; plyFile << "property uchar green\n"; plyFile << "property uchar red\n"; plyFile << "end_header\n"; // 写入点云数据 for (int i = 0; i < all_reconstructed_points.size(); ++i) { cv::Vec3b color = all_points_colors[i]; cv::Point3f point = all_reconstructed_points[i]; plyFile << point.x << " " << point.y << " " << point.z << " " << static_cast<int>(color[0]) << " " << static_cast<int>(color[1]) << " " << static_cast<int>(color[2]) << std::endl; } plyFile.close(); return 0; } catch (Exception e) { cout << e.msg << endl; } }
源码 即上面给出的 Include.h,Constructor.h,Constructor.cpp,Image.h,Image.cpp,main.cpp
增量加图前(两张初始图的构建):
增量加图构造后:
注意:
目前只是完成了基本流程,有很多地方都需要优化,比如
matchFeatures
中的 ratio test 的设置目前,出来的效果不好,革命尚未成功,同志还需努力!
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