基于多种三维物体表示法的凹表面恢复算法研究

论文摘要

基于照片恢复空间实体或者场景是计算机图形学和计算机视觉中的最重要的分支课题之一，也是当前研究的热点问题。传统的基于可见外壳的重构算法不能正确处理那些二维轮廓中不包含凹表面信息的情况，例如：一个杯子的内表面，无论使用什么角度拍摄的二位轮廓，都无法被正确地恢复出来。动态重构方法，像基于结构化光的重构方法和二维激光扫描仪，可以正确地重构出那些凹表面信息，但是动态重构的方法对重构对象的尺寸有较大限制，无法重构诸如建筑物之类的大型实体。 本文给出了一种有效解决这一问题的新算法，以静态重构为主局部结合动态重构以弥补单纯静态重构不能恢复凹表面信息的缺陷，即在传统的可见外壳重构的基础上，利用辅助采样工具得到局部凹表面信息，结合这两种信息有效筛除无用凹面点，得到完整准确的三维模型。 算法的框架如下： 1) 首先使用传统的基于可见外壳的静态重构算法，利用重构对象的掩膜轮廓重构不包含凹表面信息的三维模型； 2) 然后使用动态重构方法，利用辅助采样工具对三维实体进行局部采样，将采样数据经过提取细化后得到重构对象的局部凹表面信息； 3) 接着利用得到的局部凹表面信息，修正基于可见外壳重构方法所不能正确处理的凹表面问题。为了把局部凹表面信息和重构所得三维模型这两组信息进行匹配与融合，得到完整准确的三位模型，需要考虑下面三种情况： a) 如果得到的三维模型是基于体素的实体模型，则从凹表面的视点向凹表面信息中包含的每一个点发出一条射线段，将原三维模型上所有与该射线段相交的体素从模型中删除，这是一个“挖坑”的过程。 b) 如果得到的三维模型是基于点云的表面模型，从该模型中找到与凹表面视点和凹表面信息点之间连线相交的所有点并将其从模型中删除，同时将所有凹面信息点添加到最终模型中，这是一个“补坑”过程。 c) 如果得到的三维模型是基于网格的表面模型，则判断凹表面视点与凹表面网格点之间的线段与哪些可见外壳上的多边形有交点，将对应的多边形顶点与凹面网格顶点归一，最后保留修正后的可见外壳模型，将凹表面信息删除。 这是一个“压坑”的过程。 本算法有效解决了传统的基于可见外壳重构算法无法恢复凹表面信息的缺陷，实现了对复杂形状实体凹表面的正确处理，真实准确的反映了重构对象的实际情况，大大扩展了三维模型重构的应用范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.2.1 研究的目的
• 1.2.2 研究的意义
• 1.3 目前已取得的研究成果
• 1.4 本文的组织结构
• 2 三维重构基本原理概述
• 2.1 静态重构基本原理
• 2.2 动态重构基本原理
• 2.3 凹表面恢复基本原理
• 3 基于多幅图象的可见外壳重构及表面属性建模
• 3.1 坐标系统
• 3.1.1 坐标系定义
• 3.1.2 坐标系转换
• 3.2 相机定标
• 3.2.1 传统定标算法
• 3.2.2 自定标算法
• 3.3 掩模及轮廓获取
• 3.4 稳定的可见外壳重构算法
• 3.4.1 基于三维空间几何的直接体求交算法
• 3.4.2 基于共极线几何的二维空间映射求交算法
• 3.4.3 基于体裁减的搜索算法
• 3.5 可见外壳表面的局部细节处理
• 3.6 表面光照反射模型的重建技术
• 4 基丁多种表示法的凹表面恢复
• 4.1 获取局部凹表面信息
• 4.1.1 凹面信息采样
• 4.1.2 凹面信息提取
• 4.1.3 凹面信息细化
• 4.2 基于实体模型的凹表面重构
• 4.2.1 八叉树描述
• 4.2.2 三维八叉树模型获取
• 4.2.3 凹表面信息重构
• 4.3 基于表面模型的凹表面重构
• 4.3.1 三维表面模型描述
• 4.3.2 凹面信息重构——基于八叉树表血模型
• 4.3.3 凹面信息重构——基于散乱点表面模型
• 4.4 基于网格模型的凹表面重构
• 4.4.1 网格模型描述
• 4.4.2 凹面信息重构
• 5 实验结果
• 5.1 实验结果——基于八叉树实体模型
• 5.2 实验结果——基于表面网格模型
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录：源程序说明