三維重建應(yīng)用系統(tǒng)研究.pdf

1、物體三維重建是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數(shù)學模型，是在計算機環(huán)境下對其進行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ)，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。因此，物體三維重建是計算機輔助幾何設(shè)計（CAGD）、計算機圖形學（CG）、計算機動畫、計算機視覺、醫(yī)學圖像處理、科學計算和虛擬現(xiàn)實、數(shù)字媒體創(chuàng)作等領(lǐng)域的共性科學問題和核心技術(shù)。 在計算機內(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物體的幾何形狀。前者實現(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)學表達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)學過程和計算機技術(shù)，包括數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理、點云拼接和特征分析等步驟。本文建立了一套獨立的以三維重建為核心的應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于三維掃描的建模

3、模塊、三維碎片拼接模塊、三維人臉識別模塊以及基于二維編輯的三維造型后處理功能；同時將基于魚眼鏡頭的雙目視覺算法與三維重建進行了融合。其中三維建模和三維點云數(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內(nèi)容。 本文的工作以國家自然科學基金課題“基于海量數(shù)據(jù)點的三維表示中的關(guān)鍵問題研究”、山東自然科學基金課題“海量數(shù)據(jù)處理中的高精度三維表示問題研究”等重點課題為依托，討論了這個領(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、空間點云幾何不變量研究、雙目視覺與全景技術(shù)融合進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，主要貢獻包括以下幾點： （1）實現(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，嚴重影響實驗數(shù)據(jù)的獲?。欢吘墮z測的策略也直接影響到了深度數(shù)據(jù)的精確性。在這個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算法，并實現(xiàn)了

5、空間散亂點云數(shù)據(jù)的面片可視化。 （2）提出了一種基于導數(shù)動態(tài)時間規(guī)整（DDTW）的三維碎片自動拼接方法，可以計算兩塊碎片之間最優(yōu)的拼接方式。同時設(shè)計了一種基于抗噪?yún)^(qū)間擬合的撓率估計方法和常數(shù)時間復(fù)雜度的三維重疊檢測方法，大幅度提高了拼接的速度和準確性。首先確定物體碎片的輪廓曲線，查找角點，根據(jù)角點將輪廓曲線分段成子輪廓線，計算子輪廓曲線的撓率特征串；然后使用DDTW對兩個特征串進行匹配，并給出匹配度的度量值，繼而根據(jù)對應(yīng)點的空間位

6、置關(guān)系對碎片進行放縮和剛體變換，調(diào)用三維重疊檢測方法排除重疊匹配；最后根據(jù)給定的評價標準找到最優(yōu)匹配作為最終拼接結(jié)果。實驗表明，該方法實現(xiàn)簡單，魯棒性強，能快速得到三維碎片集合的拼接結(jié)果。 （3）對三維空間點云數(shù)據(jù)進行幾何特征分析，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，實現(xiàn)了基于三維掃描表情無關(guān)的人

7、臉識別系統(tǒng)，為身份驗證和安全保障工作提供了新的思路和方式。 （4）研究了全景圖自動拼接的方式方法，提出了基于圖像變形的圖像自動匹配算法，實現(xiàn)了基于魚眼鏡頭和數(shù)碼相機多幅圖像的自動拼接，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對同一場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)，實現(xiàn)了場景三維點云數(shù)據(jù)場的重建，為現(xiàn)場保留、重現(xiàn)工作提供了強有力的技