基于圖像灰度信息的自由曲面自組織重構的研究.pdf

1、自由曲面的三維重構技術在制造工業(yè)、藝術設計及醫(yī)療整形等領域具有廣泛的應用價值。從單幅圖像的灰度信息重構物體形貌（Shape from Shading，SFS）已成為計算機視覺的一個重要分支，是實現(xiàn)自由曲面三維重構的手段之一。但傳統(tǒng)的SFS方法重構精度低、普適性差，而且局限于理想的漫反射模型。因此，本文將系統(tǒng)理論中的自組織原理引入到SFS中，將圖像中的每個象素視為具有決策能力的生命單元，以灰度圖像為模板，在此模板引導下，模仿生物群體的自組

2、織行為，實現(xiàn)自由曲面的三維重構。 本文首先對自由曲面自組織重構方法的可行性進行了研究。該方法將自由曲面視為由若干微觀曲面組成的宏觀曲面，并將每個微觀曲面當作具有生命力的自組織單元。若微觀曲面的形貌為已知，則在自組織系統(tǒng)的機制作用下，利用相鄰自組織單元之間的短程通信以及決策能力，按照一定的演化規(guī)則，由微觀曲面的形貌進行自組織迭代，逐漸重構出宏觀的自由曲面。由于自組織系統(tǒng)具有從簡單到復雜、從粗糙到細致的進化能力，因而基于自組織原理的

3、自由曲面重構方法具有較強的抗噪性，能夠消除微觀曲中的一定誤差。 本文提出了三種理想漫反射模型下的自由曲面自組織重構方法，即基于三角片化的自由曲面自組織重構方法、基于二次曲面擬合的自由曲面自組織重構方法和基于表面法線調整的自由曲面自組織重構方法。 基于三角片化的自由曲面自組織重構方法將圖像中的每個象素視為自組織系統(tǒng)中的生命單元，每個生命單元與其相鄰的兩個單元組成一個三角片，該生命單元調整自己的狀態(tài)，使其與鄰域單元構成的三角

4、片按朗伯反射模型（Lambertianreflectance model）滿足原始灰度圖像的要求。所有生命單元進行并行調整、協(xié)同處理，從而重構出自由曲面。 基于二次曲面擬合的自由曲面自組織重構方法在待重構的自由曲面上某點的鄰域內，依據(jù)圖像的灰度模板，按照朗伯反射模型擬合一個二次曲面，并將該二次曲面視為自由曲面在該點處的微觀模型。將擬合所得的每個微觀曲面視為具有生命力的自組織單元，在自組織系統(tǒng)的內在機制作用下，重構得到宏觀曲面。

5、 基于表面法線調整的自由曲面自組織重構方法改變了重構結果的表達方式，將自由曲面的表面法線視為生命單元。該方法首先對自由曲面的表面法線進行初始化，然后依據(jù)圖像模板，按照自組織系統(tǒng)的內在演化規(guī)則，在灰度梯度約束、光滑約束、可積性約束和灰度約束的限制下，對自由曲面的表面法線進行調整，逐漸得到真實的表面法線。然后根據(jù)每個生命單元及其鄰域內的表面法線擬合二次曲面，并將此二次曲面視為微觀模型，再根據(jù)自組織系統(tǒng)，重構出宏觀曲面。 為了提高

6、SFS的普適能力，本文將自組織重構技術擴展到一般光照模型下。首先建立物體表面反射特性的測定裝置，用來測量物體表面的反射特性。按照Phong光照模型，根據(jù)測定的反射特性參數(shù)，對物體表面的光照成分進行分離，得到漫反射成分和鏡面反射成分，再利用其中的漫反射成分來進行自由曲面的重構。 實驗結果表明，本文的自由曲面自組織重構方法具有較高的重構能力、較好的普適性，且可以實現(xiàn)一般光照模型下的自由曲面重構。該方法首次將自組織原理引入到SFS 方