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Keywords:

  • close range photogrammetry;
  • computer vision;
  • dimensional analysis;
  • image-based modelling;
  • projective geometry

Abstract

Three-dimensional modelling from single images remains an interesting topic of investigation in the research community, even though range sensors are becoming a common alternative for the generation of 3D information. The interest in single-image-based modelling is motivated by a wide spectrum of applications such as cultural heritage, civil engineering, urban planning and even criminology. In this paper a complete new production flowline is presented for modelling based on a single image. The modelling process consists of a series of familiar steps in photogrammetry and computer vision: feature extraction, vanishing point computation, camera self-calibration, 3D reconstruction and dimensional analysis. In particular, the methodology developed for single-image-based modelling takes a scientific approach combining several proven techniques with robust estimators. Finally, in order to demonstrate its capabilities, the reported examples include several real situations applied in different contexts.

Résumé

La modélisation 3D à partir d'une image unique constitue un thème intéressant de recherche dans la communauté scientifique internationale, même lorsque les capteurs laser s'imposent comme une alternative commune pour la génération d'information 3D. L'intérêt de la modélisation 3D à partir d'une unique image se justifie par un large champ d'applications comme le patrimoine, l'ingénierie civile, la planification Urbaine ainsi que la Criminologie. Dans cet article, une nouvelle description complète est présentée pour la modélisation 3D à partir d'une image seule. Le processus consiste en procédés bien connus en photogrammétrie et vision par ordinateur: extraction de caractéristiques, calcul de points de fuite, auto-calibration d'appareils photographiques, reconstruction 3D et analyse dimensionnelle. En particulier, la méthodologie développée pour la modélisation 3D à partir d'une seule image établit un rapprochement scientifique qui combine plusieurs techniques existantes avec des estimateurs robustes. Finalement, pour démontrer sa fiabilité, les exemples qui sont décrits combinent plusieurs situations réelles appliquées dans différents contextes.

Zusammenfassung

Dreidimensionales Modellieren aus Einzelbildern ist ein interessantes Forschungsgebiet, auch wenn sich Laserscanner immer mehr zu einer gebräuchlichen Alternative zur Erzeugung von 3D-Informationen entwickeln. Das Interesse für einzelbildbasiertes Modellieren besteht aufgrund seiner großen Anzahl möglicher Anwendungen wie zum Beispiel Denkmalschutz, Bauwesen, Stadtplanung und sogar der Kriminologie. In dieser Arbeit wird eine neue und vollständige Methode zur Erzeugung von 3D-Modellen auf Basis eines Einzelbildes vorgestellt. Der Modellansatz besteht aus einigen aus der Photogrammetrie und dem maschinellen Sehen gut bekannten Methoden: Merkmalsextraktion, Fluchtpunktberechnung, Selbstkalibrierung der Kameras, 3D-Rekonstruktion und Tiefenanalyse. Die hier entwickelte Methode benötigt einen wissenschaftlichen Ansatz, der verschiedene bewährte Techniken für robuste Schätzfunktionen kombiniert. Letztendlich werden in den gezeigten Beispielen verschiedene reale Situationen in unterschiedlichen Zusammenhängen kombiniert, um die Möglichkeiten der Methode aufzuzeigen.

Resumen

El modelado tridimensional a partir de una sola imagen es un tema interesante de investigación para la comunidad científica internacional, aún ahora cuando los sensores láser se están imponiendo como alternativa para generar información 3D. El interés de este modelado es debido al amplio espectro de aplicaciones en distintos campos, como son el patrimonio cultural, la ingeniería civil, el planeamiento urbanístico e incluso la criminología. En este artículo se presenta un novedoso y completo proceso de modelado tridimensional a partir de una sola imagen. Se basa en procesos comúnmente utilizados en fotogrametría y visión por ordenador: extracción de características, cálculo de puntos de fuga, auto-calibración de cámaras, reconstrucción 3D y análisis dimensional. En particular, la metodología desarrollada para el modelado tridimensional a partir de una sola imagen adopta una perspectiva científica que combina varias técnicas ya contrastadas y estimadores robustos. Finalmente, de cara a demostrar sus capacidades, se proporcionan ejemplos de varias situaciones reales aplicadas a diferentes contextos.