三維重建應(yīng)用系統(tǒng)研究.pdf

1、物體三維重建是指對(duì)三維物體建立適合計(jì)算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計(jì)算機(jī)中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，物體三維重建是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)（CAGD）、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（CG）、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)視覺、醫(yī)學(xué)圖像處理、科學(xué)計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字媒體創(chuàng)作等領(lǐng)域的共性科學(xué)問題和核心技術(shù)。 在計(jì)算機(jī)內(nèi)生成物體三維表示主要有兩類方法。一類是使用幾何建模軟件通過人機(jī)交互生成人為控

2、制下的物體三維幾何模型，另一類是通過一定的手段獲取真實(shí)物體的幾何形狀。前者實(shí)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，現(xiàn)有若干軟件支持，比如：3DSMAX、Maya、AutoCAD、UG等等，它們一般使用具有數(shù)學(xué)表達(dá)式的曲線曲面表示幾何形狀。后者一般稱為三維重建過程，三維重建是指利用二維投影恢復(fù)物體三維信息（形狀等）的數(shù)學(xué)過程和計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、點(diǎn)云拼接和特征分析等步驟。本文建立了一套獨(dú)立的以三維重建為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于三維掃描的建模

3、模塊、三維碎片拼接模塊、三維人臉識(shí)別模塊以及基于二維編輯的三維造型后處理功能；同時(shí)將基于魚眼鏡頭的雙目視覺算法與三維重建進(jìn)行了融合。其中三維建模和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征分析是至關(guān)重要的部分，也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。 本文的工作以國(guó)家自然科學(xué)基金課題“基于海量數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維表示中的關(guān)鍵問題研究”、山東自然科學(xué)基金課題“海量數(shù)據(jù)處理中的高精度三維表示問題研究”等重點(diǎn)課題為依托，討論了這個(gè)領(lǐng)域中的一系列關(guān)鍵問題。這些問題包括：三維掃描過程分析

4、、三維面片數(shù)據(jù)拼接、空間點(diǎn)云幾何不變量研究、雙目視覺與全景技術(shù)融合進(jìn)行三維重建以及基于二維編輯的三維造型技術(shù)等。具體說來，主要貢獻(xiàn)包括以下幾點(diǎn)： （1）實(shí)現(xiàn)了基于白光結(jié)構(gòu)光柵的非接觸式三維掃描儀，為三維重建和后續(xù)工作提供了豐富和精確的數(shù)據(jù)。普通鏡頭存在多種幾何畸變，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲??；而邊緣檢測(cè)的策略也直接影響到了深度數(shù)據(jù)的精確性。在這個(gè)階段的工作中主要提出了迭代式鏡頭幾何校正算法、結(jié)構(gòu)光柵圖像亞像素精度邊緣檢測(cè)算法，并實(shí)現(xiàn)了

5、空間散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的面片可視化。 （2）提出了一種基于導(dǎo)數(shù)動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（DDTW）的三維碎片自動(dòng)拼接方法，可以計(jì)算兩塊碎片之間最優(yōu)的拼接方式。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于抗噪?yún)^(qū)間擬合的撓率估計(jì)方法和常數(shù)時(shí)間復(fù)雜度的三維重疊檢測(cè)方法，大幅度提高了拼接的速度和準(zhǔn)確性。首先確定物體碎片的輪廓曲線，查找角點(diǎn)，根據(jù)角點(diǎn)將輪廓曲線分段成子輪廓線，計(jì)算子輪廓曲線的撓率特征串；然后使用DDTW對(duì)兩個(gè)特征串進(jìn)行匹配，并給出匹配度的度量值，繼而根據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的空間位

6、置關(guān)系對(duì)碎片進(jìn)行放縮和剛體變換，調(diào)用三維重疊檢測(cè)方法排除重疊匹配；最后根據(jù)給定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)找到最優(yōu)匹配作為最終拼接結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)，能快速得到三維碎片集合的拼接結(jié)果。 （3）對(duì)三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何特征分析，找到了人臉表情無關(guān)的幾何特征不變量。使得人臉在不同表情下掃描獲得的空間數(shù)據(jù)最終能夠表示為統(tǒng)一的形式，很大程度上排除了表情對(duì)人臉三維空間數(shù)據(jù)表示的影響，建立了三維人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了基于三維掃描表情無關(guān)的人

7、臉識(shí)別系統(tǒng)，為身份驗(yàn)證和安全保障工作提供了新的思路和方式。 （4）研究了全景圖自動(dòng)拼接的方式方法，提出了基于圖像變形的圖像自動(dòng)匹配算法，實(shí)現(xiàn)了基于魚眼鏡頭和數(shù)碼相機(jī)多幅圖像的自動(dòng)拼接，獲得了豎直視角180度、水平視角360度的全景瀏覽。在此基礎(chǔ)上改變?nèi)芭臄z高度，可以獲得在不同拍攝點(diǎn)對(duì)同一場(chǎng)景拍攝的不同視角的全景圖片。利用雙目視覺的有關(guān)原理，以多視角全景圖為數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)場(chǎng)的重建，為現(xiàn)場(chǎng)保留、重現(xiàn)工作提供了強(qiáng)有力的技