專利名稱：一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像理解與計算機視覺技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及到由單幅圖像明暗變化實現(xiàn)三維重構(gòu)的技術(shù)，特別涉及到一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法。
背景技術(shù)：
為了滿足工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品檢測、文檔圖像復(fù)原、醫(yī)學(xué)圖像分析、生物特征識別以及地形、地貌測量等領(lǐng)域中三維建模的需求，有效重構(gòu)物體表面的三維形狀信息，近年來已經(jīng)成為圖像理解與計算機視覺技術(shù)領(lǐng)域中一個非常重要的研究方向。然而，如何快速、準確重構(gòu)非朗伯表面的三維形狀，至今仍未得到較好解決。目前，三維形狀信息的獲取手段主要有兩大類接觸式測量和非接觸式測量。盡管
接觸式測量方法已經(jīng)比較成熟，而且還可以獲得很高精度的數(shù)據(jù)，但其本身也存在較多不足①接觸式測量使得測頭容易磨損及劃傷被測表面，測量過程需要人工干預(yù)，因而測量成本較高，自動化程度較低；②接觸式測量采用逐點掃描的方法，且掃描速度受到機械運動的限制，故測量時間較長、測量效率較低等，不太適于快速測量的場合；③對大型物件，尤其是軟質(zhì)材料測量效果不好，對測頭不能觸及的表面無法測量，而且對測量環(huán)境要求較高，故其應(yīng)用范圍往往受到限制。總之，接觸式測量難以滿足快速、有效的測量需求。在申請?zhí)枮?3153504. 6的中國發(fā)明專利中，申請人提到了非接觸式測量的幾種方法光學(xué)傳感器法、激光掃描法、立體視覺法、投影柵相位法等。隨著計算機視覺和圖像技術(shù)的發(fā)展，利用圖像數(shù)據(jù)獲取目標三維形狀信息的非接觸式測量技術(shù)已在社會生產(chǎn)的各個方面顯示出越來越重要的地位和作用。由單幅圖像明暗變化恢復(fù)形狀(簡稱SFS)技術(shù)是實現(xiàn)物體表面三維重構(gòu)的關(guān)鍵方法之一，其目標是利用單幅圖像的明暗變化恢復(fù)物體表面各點的法向向量，進而可以獲得其相對高度。許多研究者試圖找出最有效的實現(xiàn)SFS技術(shù)的方法，并取得了一定的進展。目前應(yīng)用最廣泛的主要有四種方法演化和偏微分方程方法、最優(yōu)化方法、局部化方法以及線性化方法等。演化和偏微分方程方法是從圖像中一組已知高度值的邊界點或奇異點出發(fā)，逐步確定出所有圖像像素點對應(yīng)的物體表面的形狀信息，它是對SFS問題建立的一階非線性偏微分方程本身直接求解。最優(yōu)化方法就是將SFS問題中的圖像輻照度方程表示為能量函數(shù)形式，然后通過附加約束條件將其轉(zhuǎn)化為求解泛函極值的問題。局部化方法的思路就是在物體表面的每一點處，假定表面形狀為平面、球面或拋物面等，并將表面反射模型與假設(shè)的局部形狀結(jié)合起來，構(gòu)成關(guān)于局部形狀參數(shù)的線性偏微分方程組，然后利用已知的邊界條件來求解該方程組得到物體表面的三維形狀。線性化方法就是通過將反射圖線性化，使非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，進而求解得到圖像輻照度方程的解。在上述這些實現(xiàn)SFS技術(shù)的方法中，各種方法存在一定的優(yōu)點，也不可避免地存在不足之處。如線性化方法速度較快，但重構(gòu)精度不高，求解過程缺乏可信度；局部化方法使用范圍受到限制，且精度不高；演化和偏微分方程方法雖然精度較高，但需要考慮邊界條件；最優(yōu)化方法不需要考慮邊界條件，但需要引入各種約束條件等等。
同時，上述方法通常只是針對朗伯表面設(shè)計的，如果應(yīng)用到非朗伯表面，往往誤差較大。另外，SFS方法中建立的圖像輻照度方程通常是Hamilton-Jacobi類型的一階非線性偏微分方程，一般情況下不存在經(jīng)典意義下的光滑解，通常認為是病態(tài)問題。為了使SFS問題良性化，考慮圖像輻照度方程在弱解意義下的特性。Hamilton-Jacobi方程粘性解理論是一種非常好的弱解理論，可定量、直觀地描述一階或二階偏微分方程的弱解。法國學(xué)者Prados提出了使用粘性解理論對朗伯表面下建立的圖像輻照度方程解的特性進行了分析。但遺憾的是，對于非朗伯表面建立的圖像輻照度方程的研究，尚未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外有相關(guān)文獻報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法。本發(fā)明所述的方法不需要特定的邊界條件，而且使SFS問題良性化，具有快速、準確的優(yōu)點。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法，依次包括下述步驟
一.構(gòu)建適于非朗伯表面且接近實際成像條件下的成像模型從三個階段入手，光源入射過程、非朗伯表面對入射光的反射過程、攝像機對反射光的記錄過程，涉及到光源的分布、非朗伯表面的反射特性以及攝像機的投影方式的建模，其中所述光源為近點光源，而且光源輻照度隨著物體與光源之間距離的增大而存在衰減；非朗伯表面的反射特性使用Oren-Nayer反射模型來近似；攝像機的投影方式采用透視投影方式。二.由上述成像模型和攝像機獲取的灰度圖像，建立非朗伯表面下SFS問題的圖像輻照度方程該步驟依次包括下述步驟，
(一)建立三維笛卡爾直角坐標系，設(shè)成像平面為
X二 (X1, X2)位于Z = -/處，/ >0為攝像機的焦距，攝像機的光軸與Z軸重合,光源位于投影中心，即光心O處。非朗伯表面S可以表示為Z = Z(X), X=(Z11Z2)，像平面上一點(X,-/)是物體表
面S上點P=在成像平面的投影點，r為光心O到P點的距離，根據(jù)透視投影成像
原理有
權(quán)利要求
1.一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法，依次包括下述步驟 一.構(gòu)建適于非朗伯表面且接近實際成像條件下的成像模型從三個階段入手，光源入射過程、非朗伯表面對入射光的反射過程、攝像機對反射光的記錄過程，涉及到光源的分布、非朗伯表面的反射特性以及攝像機的投影方式的建模，其中所述光源為近點光源，而且光源輻照度隨著物體與光源之間距離的增大而存在衰減；非朗伯表面的反射特性使用Oren-Nayer反射模型來近似；攝像機的投影方式采用透視投影方式； 二.由上述成像模型和攝像機獲取的灰度圖像，建立非朗伯表面下SFS問題的圖像輻照度方程該步驟里依次包括下述步驟， (一)建立三維笛卡爾直角坐標系，設(shè)成像平面為X = ( , X2)位于Z = -/處，/ >0為攝像機的焦距，攝像機的光軸與Z軸重合,光源位于投影中心，即光心O處， 非朗伯表面S可以表示為z = Z(X), X=(X1J2)，像平面上一點(X,-/)是物體表面S上點P=在成像平面的投影點，r為光心O到P點的距離，根據(jù)透視投影成像原理有
全文摘要
本發(fā)明屬于圖像理解與計算機視覺技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法。提供的技術(shù)方案是一種非朗伯表面快速三維重構(gòu)方法，依次包括下述步驟一．構(gòu)建適于非朗伯表面且接近實際成像條件下的成像模型；二．由上述成像模型和攝像機獲取的灰度圖像，建立非朗伯表面下SFS問題的圖像輻照度方程；三．利用粘性解理論計算上述圖像輻照度方程的粘性解；四．根據(jù)圖像輻照度方程解的結(jié)果，重構(gòu)出非朗伯表面的三維形狀信息。本發(fā)明的優(yōu)點是直接對非朗伯表面下建立的圖像輻照度方程進行求解，同時利用弱解理論——粘性解理論計算圖像輻照度方程的粘性解，使非朗伯表面的SFS問題良性化；具有快速、準確的優(yōu)點。
文檔編號G06T15/00GK102819866SQ20121029869
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者王國琿, 程錦, 蘇煒, 宋玉貴, 王建 申請人:西安工業(yè)大學(xué)