基于彩色光度立體法的非剛性體三維數(shù)字化研究.pdf

1、隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，非剛性體的三維重建技術(shù)在電影特效、三維游戲、人機(jī)交互等越來越多的領(lǐng)域被得以關(guān)注，其研究意義與商業(yè)價(jià)值逐漸凸顯出來。但因非剛性體具有物理特性復(fù)雜，容易形變等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的三維重建方法對(duì)其表面的恢復(fù)是非常困難的。本文從傳統(tǒng)光度立體法著手，通過對(duì)光度模型與相機(jī)模型的深入分析，提出一種基于彩色光度立體法的非剛性體三維重建方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單色以及彩色花紋的非剛性體的三維重建。此外，為得到完整的三維數(shù)字化模型，本文對(duì)三維點(diǎn)云的拼接

2、技術(shù)也做出了一定的研究。主要工作總結(jié)如下：
　?。?）單色非剛性體三維數(shù)字化。傳統(tǒng)光度立體法在三維重建的過程中需要分時(shí)采集至少三幅圖像，因此不能用于隨時(shí)都可能發(fā)生形變的非剛性體。為了解決這個(gè)問題，首先建立了由三基色(R、G、B)組成的彩色光度立體系統(tǒng)，由于單色物體上被彩光投射的顏色都可以被線性的分解到三基色上，所以在此環(huán)境中只需一幅圖像就可以實(shí)現(xiàn)重建，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)非剛性體視頻序列中每幀圖像的三維重建。其次，利用采樣球?qū)嵗?qū)動(dòng)的方法

3、建立起亮度與法向量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以此計(jì)算出每一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的法向量。最后通過幾何約束實(shí)現(xiàn)從法向量到深度值的求解，最終得到被測(cè)物體的2.5維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
　　（2）彩色花紋非剛性體三維數(shù)字化。針對(duì)光度立體法的研究大多只停留在單色物體上這一缺點(diǎn)。本文對(duì)上述方法做了改進(jìn)以適用于彩色花紋的非剛性三維重建。首先，對(duì)于雙色花紋物體，通過區(qū)域分割的方法將被測(cè)物體和采樣球都分割成兩個(gè)不同區(qū)域，根據(jù)采樣球建立具有不同區(qū)域的兩種關(guān)系，并把這種關(guān)系運(yùn)用在相對(duì)

4、應(yīng)的被測(cè)物體區(qū)域上。其次，對(duì)于多色花紋物體，通過不同顏色花紋在白光下的反射系數(shù)比將彩色區(qū)域替換成與純色采樣球顏色一致時(shí)的對(duì)應(yīng)亮度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其三維數(shù)字化。
　　（3）全局點(diǎn)云拼接。為得到完整的重建模型，本文對(duì)全局圖像的采集以及點(diǎn)云拼接技術(shù)做了一定的研究。首先采用四個(gè)不同視角的相機(jī)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行分時(shí)輪轉(zhuǎn)采集，并根據(jù)上述方法求解出對(duì)應(yīng)2.5維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后對(duì)得到的四組點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用相鄰輪廓之間約束進(jìn)行粗拼接。最后對(duì)粗拼接的結(jié)果采用ICP算法

5、進(jìn)行精確拼接，最終得到一個(gè)全局的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
　　本文以非剛性體中最典型的布料作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彩色光度立體法可以實(shí)現(xiàn)非剛性體視頻序列的三維重建，不僅速度快，而且精度較好。由于采樣球求解亮度與法向量之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的方法考慮到更多的反射面信息，所以求解出的關(guān)系矩陣更加準(zhǔn)確。相比單色非剛性體，彩色花紋非剛形體的重建結(jié)果精度稍差，尤其在真實(shí)環(huán)境下區(qū)域邊界處的噪點(diǎn)較多，但整體效果較為理想?？傊?，本文以較為簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了具