由单幅图像恢复三维形状的算法与应用研究

论文摘要

由图像进行三维形状恢复研究是计算机视觉的一个重要领域。目前,国内外已经发展了各种三维形状恢复技术。其中,从由单幅图象恢复三维形状是计算机视觉三维形状恢复的关键技术之一,其原理是利用单幅图像中物体表面的灰度明暗变化来恢复表面各点的相对高度或表面法向等参数值,为进一步对物体进行三维重构奠定基础。该方法无须摄象机标定,简单易于实现,可用于各种其他三维测量方法难以应用的场合。目前单幅图像灰度明暗恢复三维形状的方法主要基于Lambertain反射模型。而Lambertain反射模型不能很好反映含有镜面反射的表面反射特性。本文首先分析了单幅图像灰度明暗恢复三维形状方法中常用的反射模型,并通过合成图像的实验说明各种反射模型的特点。针对基于偏向差分的由单幅图象明暗恢复三维形状的离散化算法在恢复的三维形状出现误差积累的缺点,采用中心差分近似偏导数,以混合反射模型建立了新的代数方程,由并平均形式的Newton迭代法和一般迭代方法求解目标方程。实验表明基于中心差分的离散化方法有效地克服了误差积累,提出的平均Newton迭代方法提高了三维形状恢复的准确度。最后,从成像模型的假设条件、算法设计,以及实验等方面研究了由单幅图象明暗恢复三维形状方法在月球表面三维重建中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 三维形状测量方法
• 1.2.1 三维测量方法概述
• 1.2.2 由图像恢复三维形状的方法介绍
• 1.3 由单幅图象明暗恢复三维形状的国内外研究现状
• 1.3.1 由单幅图象明暗恢复三维形状的基本原理
• 1.3.2 由单幅图象明暗恢复三维形状的研究现状
• 1.3.3 由单幅图像灰度明暗恢复三维形状的应用
• 1.3.4 由单幅图像灰度明暗恢复三维形状的国内研究现状
• 1.4 本文的研究工作
• 1.4.1 目前由单幅图像灰度明暗恢复三维形状研究中存在的问题
• 1.4.2 本文研究的意义
• 1.4.3 本文的研究工作及安排
• 第二章 摄象机成像的光照反射模型
• 2.1 光照反射模型的光度学基础
• 2.1.1 双向反射分布函数
• 2.1.2 常见的双向反射分布函数
• 2.2 反射图方程
• 2.2.1 反射光辐射亮度的一般表达式
• 2.2.2 常用反射模型反射光的辐射亮度
• 2.2.3 图像灰度与反射光辐射亮度之间的关系
• 2.2.4 反射图方程
• 2.3 混合反射模型及合成图像
• 2.3.1 线性组合混合反射模型
• 2.3.2 由反射模型生成合成图像
• 2.3.3 不同反射模型生成图像的仿真实验
• 2.4 本章小结
• 第三章 由单幅图像明暗恢复三维形状的数值算法
• 3.1 由单幅图象明暗恢复三维形状代数算法的原理
• 3.1.1 离散化直接求解算法
• 3.1.2 目标泛函最小化算法
• 3.1.3 现有的离散化算法特点分析
• 3.2 基于中心差分的平均NEWTON算法
• 3.2.1 混合反射模型的反射图方程与目标方程
• 3.2.2 目标方程离散化
• 3.2.3 基于中心差分的平均Newton算法
• 3.2.4 仿真实验
• 3.3 由单幅图象恢复三维形状的一般迭代算法
• 3.3.1 非线性方程组的一般迭代算法
• 3.3.2 由单幅图象恢复三维形状的一般迭代算法仿真实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于单幅图像的月球表面三维形状恢复
• 4.1 月球表面三维形状恢复概述
• 4.2 基于单幅图像的月球表面三维形状恢复代数算法
• 4.2.1 月球表面Lommel-Seelige反射模型
• 4.2.2 月球表面三维形状恢复算法
• 4.3 仿真实验
• 4.3.1 合成图象三维形状恢复
• 4.3.2 月球表面形状恢复
• 4.4 本章小节
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献