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基于SFM的三维重建MATLAB程序

news 2025/8/19 11:42:40

基于SFM（Structure from Motion） 的三维重建MATLAB程序实现

一、SFM三维重建核心原理

SFM通过分析多视角图像间的特征点对应关系，恢复场景的三维结构与相机运动轨迹，核心流程包括：

特征提取与匹配：检测图像中的稳定特征点（如SURF/SIFT），建立跨图像匹配。
相机姿态估计：根据匹配点计算基础矩阵（Fundamental Matrix）或本质矩阵（Essential Matrix），分解得到相机旋转矩阵R和平移向量T。
三维点云生成：通过三角化（Triangulation）将匹配点转换为空间3D坐标。
光束平差优化（Bundle Adjustment）：全局优化相机位姿与点云位置，减少重投影误差。

二、MATLAB实现关键技术

1. 特征提取与匹配

% 示例：SURF特征检测与匹配
I1 = imread('image1.jpg');
I2 = imread('image2.jpg');
gray1 = rgb2gray(I1);
gray2 = rgb2gray(I2);% 检测SURF特征点
points1 = detectSURFFeatures(gray1, 'MetricThreshold', 500);
points2 = detectSURFFeatures(gray2, 'MetricThreshold', 500);% 提取特征描述子
[features1, validPts1] = extractFeatures(gray1, points1);
[features2, validPts2] = extractFeatures(gray2, points2);% 特征匹配
indexPairs = matchFeatures(features1, features2, 'MaxRatio', 0.8);
matchedPoints1 = validPts1(indexPairs(:,1));
matchedPoints2 = validPts2(indexPairs(:,2));

关键参数：

MetricThreshold：控制特征点数量（值越大，特征越少）。
MaxRatio：匹配筛选阈值（0.6~0.8抑制误匹配）。

2. 相机标定与畸变校正

% 加载预标定的相机参数（需提前用Camera Calibrator App生成）
load('cameraParams.mat'); % 消除图像畸变
I1_undistorted = undistortImage(I1, cameraParams);
I2_undistorted = undistortImage(I2, cameraParams);

必要性：镜头畸变导致特征点偏移，直接影响重建精度。

3. 相机姿态估计

% 计算本质矩阵（需相机内参）
[E, inliers] = estimateEssentialMatrix(matchedPoints1, matchedPoints2, cameraParams);% 从本质矩阵分解相机位姿
[orient, loc] = relativeCameraPose(E, cameraParams, matchedPoints1(inliers,:), matchedPoints2(inliers,:));

输出说明：

orient：相机旋转矩阵（3×3）。
loc：相机平移向量（1×3），尺度不确定。

4. 三维点云生成与优化

% 三角化匹配点
camMatrix1 = cameraMatrix(cameraParams, eye(3), [0 0 0]);
camMatrix2 = cameraMatrix(cameraParams, orient, loc);
[worldPoints, reprojectionErrors] = triangulate(matchedPoints1, matchedPoints2, camMatrix1, camMatrix2);% 光束平差优化（Bundle Adjustment）
vSet = imageviewset;
vSet = addView(vSet, 1, 'Points', points1, 'Orientation', eye(3), 'Location', [0 0 0]);
vSet = addView(vSet, 2, 'Points', points2, 'Orientation', orient, 'Location', loc);
vSet = addConnection(vSet, 1, 2, 'Matches', indexPairs);tracks = findTracks(vSet);
[xyzPoints, camPoses] = bundleAdjustment(worldPoints, tracks, vSet, cameraParams, 'FixedViewID', 1);

作用：

triangulate：生成初始稀疏点云。
bundleAdjustment：通过最小化重投影误差优化点云与相机位姿。

5. 点云可视化

% 创建点云对象
ptCloud = pointCloud(xyzPoints);% 可视化
figure;
pcshow(ptCloud, 'VerticalAxis', 'y', 'VerticalAxisDir', 'down');
hold on;
plotCamera(camPoses, 'Size', 0.1); % 叠加相机位姿
grid on;
xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z');

效果：稀疏点云显示场景结构，相机位置指示拍摄视角。

三、完整程序框架

% 主程序：两视图SFM重建
function sfm_two_views()% 1. 加载图像与相机参数[I1, I2, cameraParams] = load_data();% 2. 特征提取与匹配[matchedPoints1, matchedPoints2] = extract_and_match(I1, I2);% 3. 相机姿态估计[orient, loc] = estimate_camera_pose(matchedPoints1, matchedPoints2, cameraParams);% 4. 三角化与光束平差[xyzPoints, camPoses] = triangulate_and_ba(matchedPoints1, matchedPoints2, orient, loc, cameraParams);% 5. 点云可视化visualize_pointcloud(xyzPoints, camPoses);
end% 各子函数实现参考前述代码片段