《光度立體學(xué)》課件

光度立體學(xué)光度立體學(xué)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的重要研究方向，它通過(guò)分析圖像的光度信息來(lái)重建三維場(chǎng)景。課程概述光度立體學(xué)概述光度立體學(xué)是利用光學(xué)原理，從多個(gè)角度獲取物體圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法重建三維模型，并進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用。課程目標(biāo)掌握光度立體學(xué)基本理論，了解常用光學(xué)設(shè)備，熟悉三維重建算法，學(xué)習(xí)應(yīng)用場(chǎng)景。學(xué)習(xí)內(nèi)容光度立體學(xué)基礎(chǔ)空間視覺(jué)功能光學(xué)設(shè)備與成像三維重建算法應(yīng)用場(chǎng)景與趨勢(shì)光度立體學(xué)的基本原理11.光照信息利用多角度光源照射目標(biāo)物體，獲取物體表面的光照信息。22.圖像采集使用相機(jī)或傳感器從不同角度拍攝物體的圖像，記錄光照信息。33.幾何重建根據(jù)多個(gè)圖像之間的幾何關(guān)系，計(jì)算出物體表面的三維結(jié)構(gòu)。44.深度信息根據(jù)圖像中的光照變化和幾何信息，推算出物體表面的深度信息。認(rèn)知基礎(chǔ)視覺(jué)神經(jīng)元人腦中負(fù)責(zé)視覺(jué)信息的處理和感知。人眼結(jié)構(gòu)光線通過(guò)角膜、瞳孔和晶狀體聚焦在視網(wǎng)膜上，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。視覺(jué)通路從視網(wǎng)膜到大腦皮層的信號(hào)傳遞路徑，負(fù)責(zé)處理視覺(jué)信息。視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)人類視覺(jué)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，由眼睛、視神經(jīng)和大腦共同構(gòu)成。眼睛負(fù)責(zé)收集光線并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號(hào)，視神經(jīng)將神經(jīng)信號(hào)傳遞給大腦，大腦負(fù)責(zé)處理和解讀視覺(jué)信息。視覺(jué)系統(tǒng)能夠感知顏色、形狀、大小、運(yùn)動(dòng)等信息，并識(shí)別物體、判斷距離、理解場(chǎng)景等。視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四個(gè)主要部分：眼球、視神經(jīng)、視覺(jué)中樞和視覺(jué)皮層。眼球負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號(hào)，視神經(jīng)負(fù)責(zé)將神經(jīng)信號(hào)傳遞到大腦，視覺(jué)中樞負(fù)責(zé)處理和解讀視覺(jué)信息，視覺(jué)皮層負(fù)責(zé)將視覺(jué)信息與其他感官信息整合。雙眼視覺(jué)機(jī)理視網(wǎng)膜成像雙眼分別捕捉物體，形成兩幅略有差異的視網(wǎng)膜圖像。視差信息兩幅圖像間存在視差，即物體在不同視角下的位置偏移。深度感知大腦通過(guò)分析視差信息，計(jì)算出物體距離，形成三維深度感知。立體視覺(jué)結(jié)合深度信息和物體形狀，大腦構(gòu)建三維模型，實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)效果?？臻g視覺(jué)功能深度感知空間視覺(jué)功能使我們能夠感知物體之間的距離，并構(gòu)建三維世界模型。深度感知讓我們能夠準(zhǔn)確地導(dǎo)航，抓住物體，并與周圍環(huán)境互動(dòng)。立體視覺(jué)立體視覺(jué)使我們能夠從不同的角度感知物體，并感知它們的立體形狀。立體視覺(jué)增強(qiáng)了我們的空間感知能力，使我們能夠更好地理解和互動(dòng)周圍世界。運(yùn)動(dòng)感知運(yùn)動(dòng)感知讓我們能夠感知物體的運(yùn)動(dòng)方向和速度，并預(yù)測(cè)其未來(lái)軌跡。運(yùn)動(dòng)感知對(duì)我們做出快速反應(yīng)，避免危險(xiǎn)，并協(xié)調(diào)身體運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。光學(xué)設(shè)備相機(jī)相機(jī)是光度立體學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。它們負(fù)責(zé)捕獲圖像，為三維重建提供原始數(shù)據(jù)。光源光源是光度立體學(xué)系統(tǒng)中用于照亮場(chǎng)景的關(guān)鍵設(shè)備。光源的類型、強(qiáng)度和方向都會(huì)影響三維重建的精度和質(zhì)量。投影儀投影儀用于將特定的光圖案投射到場(chǎng)景中，以獲取場(chǎng)景的三維信息。其他設(shè)備光度立體學(xué)系統(tǒng)中還會(huì)用到其他設(shè)備，例如掃描儀、傳感器、同步裝置等。成像原理1光學(xué)成像光度立體學(xué)利用光學(xué)原理獲取物體的三維信息。光線照射物體，反射的光線被光學(xué)系統(tǒng)采集，形成圖像。2透鏡成像透鏡會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生折射，改變光線方向。通過(guò)透鏡組合，光線匯聚在成像平面，形成清晰的圖像。3傳感器采集圖像傳感器捕捉光線信息，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字圖像。光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡使用透鏡組合，放大微小物體的圖像，是研究微觀世界的重要工具。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡通過(guò)透鏡或反射鏡組合，收集來(lái)自遠(yuǎn)處的光線，增強(qiáng)物體的視力，用于天文觀測(cè)。相機(jī)鏡頭系統(tǒng)相機(jī)鏡頭系統(tǒng)是光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建的重要應(yīng)用，利用不同焦距的透鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦和改變視角。光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)是光度立體學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響著三維重建的精度和效率。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理選擇光學(xué)參數(shù)，例如焦距、光圈、傳感器尺寸等，對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，可以提高圖像質(zhì)量，降低噪聲水平，提升三維重建效果。光路仿真與分析1光線追蹤模擬光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑2幾何光學(xué)模型基于光線折射和反射定律3光學(xué)軟件提供仿真和分析功能4優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整光學(xué)參數(shù)以獲得最佳成像效果光路仿真可以幫助理解光學(xué)系統(tǒng)的功能和性能。通過(guò)模擬光線在系統(tǒng)中的傳播路徑，可以分析成像質(zhì)量、光學(xué)畸變等問(wèn)題。光學(xué)軟件可以幫助進(jìn)行光路仿真和分析，并進(jìn)行光學(xué)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖像采集與處理圖像采集相機(jī)采集原始圖像，并進(jìn)行初步處理，如曝光校正和白平衡。圖像處理對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，包括噪聲去除、幾何校正和特征提取。數(shù)據(jù)分析對(duì)處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取目標(biāo)物體的三維信息，并進(jìn)行空間重建?？臻g重建算法1三維模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化模型2點(diǎn)云配準(zhǔn)對(duì)齊不同視角下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)3特征提取從圖像中提取關(guān)鍵信息，如邊緣和角點(diǎn)4深度信息通過(guò)立體視覺(jué)或其他技術(shù)獲取5圖像采集從多個(gè)角度獲取圖像空間重建算法將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型。首先，從多個(gè)角度獲取圖像，然后提取圖像特征，并使用深度信息計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)。接下來(lái)，對(duì)齊來(lái)自不同視角的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后生成三維模型。三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是光度立體學(xué)中重要的中間產(chǎn)物，它記錄了物體表面每個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息。點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過(guò)各種傳感器獲取，例如深度相機(jī)、激光掃描儀等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了豐富的信息，可用于創(chuàng)建三維模型、進(jìn)行物體識(shí)別和場(chǎng)景理解等。100M點(diǎn)1B點(diǎn)100TB數(shù)據(jù)30fps采集三維網(wǎng)格模型表面表示通過(guò)三角形、四邊形等幾何元素來(lái)描述物體的表面，提供精確的幾何信息，常用于虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義網(wǎng)格模型中頂點(diǎn)、邊、面之間的連接關(guān)系，決定了模型的形狀和結(jié)構(gòu)，對(duì)模型的編輯和渲染至關(guān)重要。屬性信息可以存儲(chǔ)顏色、紋理、材質(zhì)等屬性信息，增強(qiáng)模型的真實(shí)感和視覺(jué)效果，用于創(chuàng)建復(fù)雜、逼真的物體模型。實(shí)時(shí)三維重建1數(shù)據(jù)采集使用傳感器獲取三維場(chǎng)景的圖像數(shù)據(jù)。2特征提取識(shí)別圖像中的關(guān)鍵特征，例如邊緣、紋理和形狀。3深度估計(jì)計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的深度信息。4三維模型構(gòu)建將深度信息與圖像特征整合，生成三維模型。5渲染與顯示使用圖形引擎將三維模型渲染并顯示出來(lái)。實(shí)時(shí)三維重建技術(shù)利用傳感器和算法，從圖像或視頻流中實(shí)時(shí)生成三維模型。這項(xiàng)技術(shù)可以用于各種領(lǐng)域，例如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛、機(jī)器人和醫(yī)學(xué)影像。顯示技術(shù)原理11.立體視覺(jué)通過(guò)模擬人眼觀看現(xiàn)實(shí)世界的過(guò)程，利用視差信息，實(shí)現(xiàn)3D圖像的呈現(xiàn)。22.光場(chǎng)渲染記錄并重現(xiàn)場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)的光線信息，實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的3D效果。33.空間成像通過(guò)光學(xué)器件或其他技術(shù)手段，直接在空間中形成立體圖像。44.多視點(diǎn)顯示使用多個(gè)投影儀或顯示設(shè)備，從不同的視角呈現(xiàn)立體圖像。裸眼三維顯示裸眼三維顯示技術(shù)是指無(wú)需佩戴任何輔助設(shè)備，直接用肉眼觀看三維影像的技術(shù)。該技術(shù)利用人眼視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)不同方向光線的感知差異，構(gòu)建立體圖像，使觀眾能夠感受到深度和層次感。立體顯示器立體顯示器利用光學(xué)技術(shù)，將圖像信息以立體效果呈現(xiàn)，為用戶提供逼真的三維觀感。常見(jiàn)的立體顯示器類型包括主動(dòng)式和被動(dòng)式，分別采用不同的技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)立體效果。主動(dòng)式立體顯示器使用快門眼鏡同步控制圖像的顯示，而被動(dòng)式立體顯示器則采用偏振光技術(shù)分離左右眼圖像，兩者各有優(yōu)劣。頭戴式顯示器頭戴式顯示器，又稱虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，是光度立體學(xué)中重要的顯示技術(shù)。這類設(shè)備將虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景投射到用戶眼前，營(yíng)造沉浸式體驗(yàn)。通過(guò)佩戴頭戴式顯示器，用戶可以進(jìn)入虛擬世界，體驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)世界不同的感知，進(jìn)行游戲、教育、醫(yī)療等多種應(yīng)用。體積顯示技術(shù)原理體積顯示技術(shù)利用光學(xué)投影或掃描方法在三維空間中創(chuàng)建虛擬物體，并允許用戶從多個(gè)角度觀察和交互。通過(guò)光線的投射和控制，在空間中構(gòu)建出物體的輪廓和細(xì)節(jié)。特點(diǎn)體積顯示技術(shù)具有高度的真實(shí)感和沉浸感，能夠提供與真實(shí)物體相同的視覺(jué)體驗(yàn)。它可以實(shí)現(xiàn)全方位觀察和交互，并提供多種交互方式，例如手勢(shì)操作和觸覺(jué)反饋。全息顯示技術(shù)1波前再現(xiàn)利用干涉和衍射原理，記錄并重現(xiàn)光波的振幅和相位信息。2三維圖像全息顯示技術(shù)可以生成逼真的三維圖像，具有深度感和立體感。3沉浸式體驗(yàn)為用戶提供身臨其境的體驗(yàn)，例如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。4應(yīng)用前景廣闊在醫(yī)療、教育、娛樂(lè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力。應(yīng)用場(chǎng)景分析醫(yī)療影像光度立體學(xué)在醫(yī)療影像領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，用于重建三維器官模型，幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷和手術(shù)規(guī)劃。工業(yè)檢測(cè)光度立體學(xué)可用于工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)，如零件缺陷識(shí)別、尺寸測(cè)量和表面紋理分析。虛擬現(xiàn)實(shí)光度立體學(xué)可以創(chuàng)建逼真的三維虛擬場(chǎng)景，為用戶提供沉浸式體驗(yàn)，用于游戲、教育、培訓(xùn)等領(lǐng)域。醫(yī)療影像診斷輔助光度立體學(xué)可以生成三維圖像，幫助醫(yī)生更直觀地理解人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。手術(shù)規(guī)劃利用三維影像數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以提前規(guī)劃手術(shù)方案，提高手術(shù)效率和安全性。疾病監(jiān)測(cè)通過(guò)對(duì)患者三維圖像的跟蹤，醫(yī)生可以監(jiān)測(cè)疾病發(fā)展情況，及時(shí)調(diào)整治療方案。虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練模擬真實(shí)手術(shù)場(chǎng)景，幫助醫(yī)學(xué)生進(jìn)行虛擬手術(shù)訓(xùn)練，提高臨床技能。工業(yè)檢測(cè)光度立體學(xué)技術(shù)可用于工業(yè)制造中的質(zhì)量控制和缺陷檢測(cè)。例如，可以識(shí)別零件表面裂紋、劃痕、凹陷等缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量。光度立體學(xué)技術(shù)還可以用于測(cè)量零件尺寸、形狀和位置，提高生產(chǎn)效率。例如，可以自動(dòng)測(cè)量零件的尺寸和形狀，并進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，提高生產(chǎn)線的效率。虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸式體驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景，用戶可自由探索，進(jìn)行互動(dòng)。娛樂(lè)與游戲提供更逼真、更具互動(dòng)性的游戲體驗(yàn)，提升娛樂(lè)效果。培訓(xùn)與教育模擬真實(shí)場(chǎng)景，進(jìn)行安全高效的技能培訓(xùn)，提升學(xué)習(xí)效率。設(shè)計(jì)與創(chuàng)作提供可視化設(shè)計(jì)工具，進(jìn)行更直觀、更具創(chuàng)造力的設(shè)計(jì)創(chuàng)作。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)融合現(xiàn)實(shí)與虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，使人們能夠?qū)崟r(shí)地感知和交互虛擬信息。信息疊加顯示AR系統(tǒng)通過(guò)攝像頭捕捉現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，將虛擬物體疊加到圖像中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息的融合。應(yīng)用范圍廣泛增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲、醫(yī)療、教育、工業(yè)、零售等多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更加逼真的交互體驗(yàn)，為人們的生活帶來(lái)更多便利。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)融合技術(shù)光度立體學(xué)將與人工智能、大數(shù)據(jù)