[發明專利]一種非朗伯表面快速三維重構方法

有效

• 申請號: 201210298695.7
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102819866A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發明（設計）人: 王國琿;程錦;蘇煒;宋玉貴;王建
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: G06T17/30
• 分類號: G06T17/30;G06T15/00
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

技術領域

本發明屬于圖像理解與計算機視覺技術領域，主要涉及到由單幅圖像明暗變化實現三維重構的技術，特別涉及到一種非朗伯表面快速三維重構方法。

背景技術

為了滿足工農業產品檢測、文檔圖像復原、醫學圖像分析、生物特征識別以及地形、地貌測量等領域中三維建模的需求，有效重構物體表面的三維形狀信息，近年來已經成為圖像理解與計算機視覺技術領域中一個非常重要的研究方向。然而，如何快速、準確重構非朗伯表面的三維形狀，至今仍未得到較好解決。

目前，三維形狀信息的獲取手段主要有兩大類：接觸式測量和非接觸式測量。盡管接觸式測量方法已經比較成熟，而且還可以獲得很高精度的數據，但其本身也存在較多不足：①接觸式測量使得測頭容易磨損及劃傷被測表面，測量過程需要人工干預，因而測量成本較高，自動化程度較低；②接觸式測量采用逐點掃描的方法，且掃描速度受到機械運動的限制，故測量時間較長、測量效率較低等，不太適于快速測量的場合；③對大型物件，尤其是軟質材料測量效果不好，對測頭不能觸及的表面無法測量，而且對測量環境要求較高，故其應用范圍往往受到限制。總之，接觸式測量難以滿足快速、有效的測量需求。

在申請號為03153504.6的中國發明專利中，申請人提到了非接觸式測量的幾種方法：光學傳感器法、激光掃描法、立體視覺法、投影柵相位法等。隨著計算機視覺和圖像技術的發展，利用圖像數據獲取目標三維形狀信息的非接觸式測量技術已在社會生產的各個方面顯示出越來越重要的地位和作用。由單幅圖像明暗變化恢復形狀（簡稱SFS）技術是實現物體表面三維重構的關鍵方法之一，其目標是利用單幅圖像的明暗變化恢復物體表面各點的法向向量，進而可以獲得其相對高度。

許多研究者試圖找出最有效的實現SFS技術的方法，并取得了一定的進展。目前應用最廣泛的主要有四種方法：演化和偏微分方程方法、最優化方法、局部化方法以及線性化方法等。演化和偏微分方程方法是從圖像中一組已知高度值的邊界點或奇異點出發，逐步確定出所有圖像像素點對應的物體表面的形狀信息，它是對SFS問題建立的一階非線性偏微分方程本身直接求解。最優化方法就是將SFS問題中的圖像輻照度方程表示為能量函數形式，然后通過附加約束條件將其轉化為求解泛函極值的問題。局部化方法的思路就是在物體表面的每一點處，假定表面形狀為平面、球面或拋物面等，并將表面反射模型與假設的局部形狀結合起來，構成關于局部形狀參數的線性偏微分方程組，然后利用已知的邊界條件來求解該方程組得到物體表面的三維形狀。線性化方法就是通過將反射圖線性化，使非線性問題轉化為線性問題，進而求解得到圖像輻照度方程的解。

在上述這些實現SFS技術的方法中，各種方法存在一定的優點，也不可避免地存在不足之處。如線性化方法速度較快，但重構精度不高，求解過程缺乏可信度；局部化方法使用范圍受到限制，且精度不高；演化和偏微分方程方法雖然精度較高，但需要考慮邊界條件；最優化方法不需要考慮邊界條件，但需要引入各種約束條件等等。

同時，上述方法通常只是針對朗伯表面設計的，如果應用到非朗伯表面，往往誤差較大。

另外，SFS方法中建立的圖像輻照度方程通常是Hamilton-Jacobi類型的一階非線性偏微分方程，一般情況下不存在經典意義下的光滑解，通常認為是病態問題。為了使SFS問題良性化，考慮圖像輻照度方程在弱解意義下的特性。Hamilton-Jacobi方程粘性解理論是一種非常好的弱解理論，可定量、直觀地描述一階或二階偏微分方程的弱解。法國學者Prados提出了使用粘性解理論對朗伯表面下建立的圖像輻照度方程解的特性進行了分析。但遺憾的是，對于非朗伯表面建立的圖像輻照度方程的研究，尚未發現國內外有相關文獻報導。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提出一種非朗伯表面快速三維重構方法。本發明所述的方法不需要特定的邊界條件，而且使SFS問題良性化，具有快速、準確的優點。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種非朗伯表面快速三維重構方法，依次包括下述步驟：

一．構建適于非朗伯表面且接近實際成像條件下的成像模型：從三個階段入手，光源入射過程、非朗伯表面對入射光的反射過程、攝像機對反射光的記錄過程，涉及到光源的分布、非朗伯表面的反射特性以及攝像機的投影方式的建模，其中：所述光源為近點光源，而且光源輻照度隨著物體與光源之間距離的增大而存在衰減；非朗伯表面的反射特性使用Oren-Nayer反射模型來近似；攝像機的投影方式采用透視投影方式。