基于图像灰度信息的自由曲面自组织重构的研究

论文摘要

自由曲面的三维重构技术在制造工业、艺术设计及医疗整形等领域具有广泛的应用价值。从单幅图像的灰度信息重构物体形貌(Shape from Shading,SFS)已成为计算机视觉的一个重要分支,是实现自由曲面三维重构的手段之一。但传统的SFS方法重构精度低、普适性差,而且局限于理想的漫反射模型。因此,本文将系统理论中的自组织原理引入到SFS中,将图像中的每个象素视为具有决策能力的生命单元,以灰度图像为模板,在此模板引导下,模仿生物群体的自组织行为,实现自由曲面的三维重构。本文首先对自由曲面自组织重构方法的可行性进行了研究。该方法将自由曲面视为由若干微观曲面组成的宏观曲面,并将每个微观曲面当作具有生命力的自组织单元。若微观曲面的形貌为已知,则在自组织系统的机制作用下,利用相邻自组织单元之间的短程通信以及决策能力,按照一定的演化规则,由微观曲面的形貌进行自组织迭代,逐渐重构出宏观的自由曲面。由于自组织系统具有从简单到复杂、从粗糙到细致的进化能力,因而基于自组织原理的自由曲面重构方法具有较强的抗噪性,能够消除微观曲中的一定误差。本文提出了三种理想漫反射模型下的自由曲面自组织重构方法,即基于三角片化的自由曲面自组织重构方法、基于二次曲面拟合的自由曲面自组织重构方法和基于表面法线调整的自由曲面自组织重构方法。基于三角片化的自由曲面自组织重构方法将图像中的每个象素视为自组织系统中的生命单元,每个生命单元与其相邻的两个单元组成一个三角片,该生命单元调整自己的状态,使其与邻域单元构成的三角片按朗伯反射模型(Lambertian reflectance model)满足原始灰度图像的要求。所有生命单元进行并行调整、协同处理,从而重构出自由曲面。基于二次曲面拟合的自由曲面自组织重构方法在待重构的自由曲面上某点的邻域内,依据图像的灰度模板,按照朗伯反射模型拟合一个二次曲面,并将该二次曲面视为自由曲面在该点处的微观模型。将拟合所得的每个微观曲面视为具有生命力的自组织单元,在自组织系统的内在机制作用下,重构得到宏观曲面。基于表面法线调整的自由曲面自组织重构方法改变了重构结果的表达方式,将自由曲面的表面法线视为生命单元。该方法首先对自由曲面的表面法线进行初始化,然后依据图像模板,按照自组织系统的内在演化规则,在灰度梯度约束、光滑约束、可积性约束和灰度约束的限制下,对自由曲面的表面法线进行调整,逐渐得到真实的表面法线。然后根据每个生命单元及其邻域内的表面法线拟合二次曲面,并将此二次曲面视为微观模型,再根据自组织系统,重构出宏观曲面。为了提高SFS的普适能力,本文将自组织重构技术扩展到一般光照模型下。首先建立物体表面反射特性的测定装置,用来测量物体表面的反射特性。按照Phong光照模型,根据测定的反射特性参数,对物体表面的光照成分进行分离,得到漫反射成分和镜面反射成分,再利用其中的漫反射成分来进行自由曲面的重构。实验结果表明,本文的自由曲面自组织重构方法具有较高的重构能力、较好的普适性,且可以实现一般光照模型下的自由曲面重构。该方法首次将自组织原理引入到SFS方法中,具有一定的理论价值;同时将SFS技术扩展到一般光照模型下,因而具有一定的实用价值。本文研究结果进一步完善后,可以应用于地貌航测或者月球地貌的重构、整形医疗中基于图像的三维头像或者胸像恢复、军事中移动机器人的精确导航。因此该方法能够应用于军事、医疗、艺术以及太空探测等领域,具有一定的学术价值和应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 基于图像的自由曲面重构
• 1.3 从阴影恢复物体形貌的研究现状
• 1.4 课题研究的主要内容及意义
• 2 利用自组织原理重构自由曲面
• 2.1 引言
• 2.2 自组织系统的特征及机理
• 2.3 元胞自动机
• 2.4 利用元胞自动机重构自由曲面
• 2.5 本章小结
• 3 基于三角片化的自由曲面自组织重构
• 3.1 引言
• 3.2 自由曲面重构的原理
• 3.3 算法实施及结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于二次曲面拟合的自由曲面自组织重构
• 4.1 引言
• 4.2 二次曲面拟合微观模型
• 4.3 自组织重构过程
• 4.4 实验及结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 基于表面法线调整的自由曲面自组织重构
• 5.1 引言
• 5.2 从灰度图像恢复表面法线
• 5.3 从表面法线恢复自由曲面高度
• 5.4 算法实施及实例分析
• 5.5 本章小结
• 6 一般光照模型下的反射成分分离方法
• 6.1 引言
• 6.2 常用光照模型及其特性
• 6.3 基于 Phong 模型的光照成分分离
• 6.4 光照成分分离实例
• 6.5 本章小结
• 7 一般光照模型下的自由曲面重构实例
• 7.1 引言
• 7.2 实验要求及条件
• 7.3 自由曲面自组织重构的过程
• 7.4 实验结果分析
• 8 结论与展望
• 8.1 本文的主要研究成果
• 8.2 展望及对今后工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表学术论文目录