如何通过视频建立3D模型

如何通过视频建立3D模型

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/selifecn/article/details/143194549

从视频中重建3D模型是计算机视觉领域的一个重要应用，广泛应用于智能制造、虚拟现实、文物保护等领域。本文将详细介绍如何使用Python实现这一过程，包括从视频中提取帧、特征提取与匹配、计算相机位姿、三角化恢复3D点云以及最终的3D模型可视化。

通过视频建立3D模型通常包括几个关键步骤：从视频中提取帧、对帧中的物体进行特征提取、将多帧中的信息结合起来恢复三维结构。Python中有一些库和工具可以帮助实现这个过程，例如OpenCV、Open3D、COLMAP等。以下是一个简化的流程和代码框架：

步骤概述

1. 从视频中提取帧：利用OpenCV从视频中逐帧提取图像。
2. 特征提取与匹配：使用SIFT（Scale-Invariant Feature Transform）或ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）等算法提取图像特征，并匹配相邻帧的特征。
3. 计算相机位姿：利用图像特征计算相机在空间中的运动。
4. 三角化恢复3D点云：通过多视角的图像特征来三角化3D点。
5. 重建3D模型：将点云转化为可视化的3D模型。

实现步骤

1. 从视频中提取帧

import cv2

def extract_frames(video_path, output_dir):
    cap = cv2.VideoCapture(video_path)
    frame_count = 0
    while cap.isOpened():
        ret, frame = cap.read()
        if not ret:
            break
        frame_path = f"{output_dir}/frame_{frame_count:04d}.png"
        cv2.imwrite(frame_path, frame)
        frame_count += 1
    cap.release()

# 使用示例
extract_frames('input_video.mp4', 'output_frames')

2. 特征提取与匹配

import cv2

def detect_and_match_features(img1, img2):
    # 使用ORB特征检测
    orb = cv2.ORB_create()
    kp1, des1 = orb.detectAndCompute(img1, None)
    kp2, des2 = orb.detectAndCompute(img2, None)
    # 使用Brute-Force匹配
    bf = cv2.BFMatcher(cv2.NORM_HAMMING, crossCheck=True)
    matches = bf.match(des1, des2)
    matches = sorted(matches, key=lambda x: x.distance)
    # 绘制匹配结果
    img_matches = cv2.drawMatches(img1, kp1, img2, kp2, matches[:10], None, flags=cv2.DrawMatchesFlags_NOT_DRAW_SINGLE_POINTS)
    cv2.imshow("Matches", img_matches)
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()
    return kp1, kp2, matches

# 示例
img1 = cv2.imread('output_frames/frame_0000.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
img2 = cv2.imread('output_frames/frame_0001.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
detect_and_match_features(img1, img2)

3. 计算相机位姿

import numpy as np

def compute_camera_pose(kp1, kp2, matches, K):
    # 从匹配的关键点中提取坐标
    pts1 = np.float32([kp1[m.queryIdx].pt for m in matches]).reshape(-1, 1, 2)
    pts2 = np.float32([kp2[m.trainIdx].pt for m in matches]).reshape(-1, 1, 2)
    # 计算本质矩阵
    E, mask = cv2.findEssentialMat(pts1, pts2, K)
    # 恢复相机位姿
    _, R, t, _ = cv2.recoverPose(E, pts1, pts2, K)
    
    return R, t

# 示例相机内参矩阵
K = np.array([[1000, 0, 640],
              [0, 1000, 360],
              [0, 0, 1]])
# 示例调用
kp1, kp2, matches = detect_and_match_features(img1, img2)
R, t = compute_camera_pose(kp1, kp2, matches, K)
print("Rotation Matrix:\n", R)
print("Translation Vector:\n", t)

4. 三角化恢复3D点云

def triangulate_points(kp1, kp2, matches, K, R, t):
    pts1 = np.float32([kp1[m.queryIdx].pt for m in matches]).reshape(-1, 2)
    pts2 = np.float32([kp2[m.trainIdx].pt for m in matches]).reshape(-1, 2)
    # 将像素坐标转换为归一化图像坐标
    pts1_norm = cv2.undistortPoints(np.expand_dims(pts1, axis=1), K, None)
    pts2_norm = cv2.undistortPoints(np.expand_dims(pts2, axis=1), K, None)
    # 相机投影矩阵
    P1 = np.hstack((np.eye(3), np.zeros((3, 1))))
    P2 = np.hstack((R, t))
    # 三角化点
    points_4d_hom = cv2.triangulatePoints(P1, P2, pts1_norm, pts2_norm)
    points_3d = points_4d_hom[:3] / points_4d_hom[3]
    return points_3d.T

# 示例调用
points_3d = triangulate_points(kp1, kp2, matches, K, R, t)
print("3D Points:\n", points_3d)

5. 使用Open3D展示3D点云

import open3d as o3d
import numpy as np

def visualize_point_cloud(points):
    # 创建点云对象
    pcd = o3d.geometry.PointCloud()
    pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(points)
    
    # 可视化点云
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd])

# 示例调用
visualize_point_cloud(points_3d)

总结

1. 从视频中提取帧并进行特征匹配。
2. 使用这些匹配特征来估计相机的相对位姿。
3. 使用相机位姿和匹配特征三角化出3D点。
4. 最后用Open3D库可视化生成的3D点云。

这是一个基础的Python框架，可以在此基础上进行优化和扩展，例如加入更多的图像处理技术或使用更高级的3D重建算法。