三維技術基礎與藝術欣賞第4章三維重建技術(陳永強)

1、三維技術基礎與藝術欣賞陳永強 教授數(shù)學與計算機學院1第一頁，共二十五頁。教學內(nèi)容主要講解三維測量、三維靜態(tài)建模、三維動態(tài)仿真、三維重建、三維顯示、三維打印、三維動畫、三維游戲、三維影視等基本原理和技術；引導學生科學鑒賞三維圖形圖象、三維動畫游戲和三維電影藝術；了解和熟悉三維領域涉及的基本概念和思維方式，了解三維技術最新發(fā)展和動態(tài)，能更好適應現(xiàn)代三維科技時代的學習工作生活。2第二頁，共二十五頁。教學內(nèi)容第1章三維技術概述第2章三維測量技術第3章三維建模技術第4章三維重建技術第5章三維顯示技術第6章三維打印技術第7章三維動畫技術第8章三維游戲技術第9章三維影視技術3第三頁，共二十五頁。第4章三維重

2、建技術三維重建3D Reconstruction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，也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關鍵技術。4第四頁，共二十五頁。第4章三維重建技術三維重建物體三維重建是計算機圖形學(CG)、計算機輔助幾何設計(CAGD)、計算機動畫、計算機視覺、醫(yī)學圖象處理、科學計算和虛擬現(xiàn)實、數(shù)字媒體創(chuàng)作等領域的共性科學問題和核心技術。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制下的物體三維幾何模型。實現(xiàn)技術已經(jīng)十分成熟，現(xiàn)有若干軟件支持，比如:3DMax、M

3、aya、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。另一類是通過一定的手段獲取真實物體的幾何形狀，一般稱為三維重建過程。三維重建是指利用二維投影恢復物體三維信息(形狀等)的數(shù)學過程和計算機技術，包括數(shù)據(jù)獲取、預處理、點云拼接和特征分析等步驟。5第五頁，共二十五頁。第4章三維重建技術三維重建主要方式1）基于圖象2）使用探針或激光讀數(shù)器逐點獲取數(shù)據(jù)3）三維物體的斷層掃面4）光學三維掃描儀6第六頁，共二十五頁。第4章三維重建技術三維重建主要方式7基于圖象的重建方式，應用范圍廣泛，精度比較低。第七頁，共二十五頁。第4章三維重建技術三維重建主要方式8使用探針或激光讀數(shù)器逐

4、點獲取數(shù)據(jù)，進行整體三角化，此類方法測量精確，但速度很慢，難以在短時間內(nèi)獲得大量數(shù)據(jù)。第八頁，共二十五頁。第4章三維重建技術三維重建主要方式9根據(jù)三維物體的斷層掃面，得到二維圖象輪廓，進行相鄰輪廓的連接和三角化，得到物體表面形狀。第九頁，共二十五頁。第4章三維重建技術三維重建主要方式10應用硬件光學三維掃描儀獲得物體的點云數(shù)據(jù)，進行重建獲得物體的整體表面信息。 第十頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建在計算機視覺中，三維重建是指根據(jù)單視圖或者多視圖的圖象重建三維信息的過程。由于單視圖的信息不完全，因此三維重建需要利用經(jīng)驗知識。多視圖的三維重建（類似人的雙目定位）相對比較容易，其

5、方法是先對攝像機進行標定， 即計算出攝像機的圖象坐標系與世界坐標系的關系。然后利用多個二維圖象中的信息重建出三維信息。11第十一頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建步驟（1） 圖象獲?。涸谶M行圖象處理之前，先要用攝像機獲取三維物體的二維圖象。光照條件、相機的幾何特性等對后續(xù)的圖象處理造成很大的影響。（2）攝像機標定：通過攝像機標定來建立有效的成像模型，求解出攝像機的內(nèi)外參數(shù)，這樣就可以結合圖象的匹配結果得到空間中的三維點坐標，從而達到進行三維重建的目的。（3）特征提?。禾卣髦饕ㄌ卣鼽c、特征線和區(qū)域。大多數(shù)情況下都是以特征點為匹配基元，特征點以何種形式提取與用何種匹配策略緊密

6、聯(lián)系。因此在進行特征點的提取時需要先確定用哪種匹配方法。特征點提取算法可以總結為：基于方向?qū)?shù)的方法，基于圖象亮度對比關系的方法，基于數(shù)學形態(tài)學的方法三種。12第十二頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建步驟（4）立體匹配：立體匹配是指根據(jù)所提取的特征來建立圖象對之間的一種對應關系，也就是將同一物理空間點在兩幅不同圖象中的成像點進行一一對應起來。在進行匹配時要注意場景中一些因素的干擾，比如光照條件、噪聲干擾、景物幾何形狀畸變、表面物理特性以及攝像機機特性等諸多變化因素。（5）三維重建：有了比較精確的匹配結果，結合攝像機標定的內(nèi)外參數(shù)，就可以恢復出三維場景信息。由于三維重建精度受匹

7、配精度，攝像機的內(nèi)外參數(shù)誤差等因素的影響，因此首先需要做好前面幾個步驟的工作，使得各個環(huán)節(jié)的精度高，誤差小，這樣才能設計出一個比較精確的立體視覺系統(tǒng)。13第十三頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建軟件 3DmeNow14第十四頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建軟件 Canoma15第十五頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建軟件 PhotoModeler和PhotoModeler Scanner16第十六頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建軟件 ImageModeler17第十七頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建

8、應用制造業(yè)與逆向工程18第十八頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建應用影視與娛樂：數(shù)字化三維模型，能夠給電影和視頻游戲提供豐富素材。19第十九頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建應用20第二十頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建應用2122屆國際體博會上，由深圳泰山在線科技公司研發(fā)的首款三維體感互動游戲i-dong地鼠第二十一頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建應用22 1997年，Paul Debevec利用圖像重建技術，成功地出品了電影短片the Campanile。第二十二頁，共二十五頁。第4章三維重建技術基于圖象的三維重建應