一種基于單幅二維圖像的三維重建方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于單幅二維圖像的三維重建方法，該方法包括：對二維圖像中的待處理物體的每一個微面元建立朗伯體數(shù)據(jù)模型；對二維圖像中的待處理物體構(gòu)建曲面方程；對構(gòu)建的曲面方程進(jìn)行三角形插值；根據(jù)所述朗伯體數(shù)據(jù)模型和三角形插值后的曲面方程建立所述二維圖像中的待處理物體的三維模型。通過本發(fā)明提供的一種基于單幅二維圖像的三維重建方法，能夠構(gòu)造出連續(xù)光滑的三維曲面，得到更加準(zhǔn)確細(xì)膩的三維圖像。
【專利說明】一種基于單幅二維圖像的三維重建方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于單幅二維圖像的三維重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器視覺又稱計算機(jī)視覺，指人類設(shè)計并在計算機(jī)環(huán)境下實現(xiàn)的模擬或再現(xiàn)與人類視覺有關(guān)的某些智能行為的技術(shù)。機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代末期，主要研究集中于農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)械中利用機(jī)器視覺對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)檢測與分級。機(jī)器視覺中圖像的三維恢復(fù)和重建是其研究的基本內(nèi)容之一，利用該技術(shù)恢復(fù)植物的葉片等其他組成部分的三維形狀，有助于植物生長過程的監(jiān)測和生物量的測量，可以計算植株的葉片面積，植物的枝干粗細(xì)，植物的平均長勢，進(jìn)而決策植物的灌溉時間和施肥量，有助于科學(xué)種植，提高產(chǎn)量等。
[0003]從明暗恢復(fù)形狀(Shape From Shading, SFS)是計算機(jī)視覺中三維形貌恢復(fù)研究的基本內(nèi)容之一，是進(jìn)行圖像理解和三維目標(biāo)識別的關(guān)鍵技術(shù)之一，其任務(wù)是利用單幅圖像中物體表面的灰度或明暗變化來恢復(fù)其表面各點的相對高度值或表面法矢等參數(shù)值，進(jìn)而實現(xiàn)物體的三維形貌恢復(fù)。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，基于二維圖像的三維重建方法是針對物體圖像的整體利用朗伯體模型來進(jìn)行三維重建?，F(xiàn)有技術(shù)中，SFS方法把整個目標(biāo)區(qū)域作為具有標(biāo)準(zhǔn)朗伯體特性的反射面，利用最亮點來約束獲取俯仰角的解，利用圖像梯度約束條件根據(jù)等亮度線獲得光滑性約束條件，把各鄰域間的關(guān)系視為朗伯體球面內(nèi)關(guān)系，用球面關(guān)系規(guī)定了從鄰域獲取高度值的方法，得到的三維圖像不夠準(zhǔn)確細(xì)膩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種基于單幅二維圖像的三維重建方法，能夠得到更加準(zhǔn)確細(xì)膩的三維圖像。
[0006]本發(fā)明提供了一種基于單幅二維圖像的三維重建方法，該方法包括:
[0007]對二維圖像中的待處理物體的每一個微面元建立朗伯體數(shù)據(jù)模型；
[0008]對二維圖像中的待處理物體構(gòu)建曲面方程；
[0009]對構(gòu)建的曲面方程進(jìn)行三角形插值；
[0010]根據(jù)所述朗伯體數(shù)據(jù)模型和三角形插值后的曲面方程建立所述二維圖像中的待處理物體的三維模型。
[0011]進(jìn)一步地，所述對二維圖像中的待處理物體的每一個微面元建立朗伯體數(shù)據(jù)模型，具體包括:
[0012]使待處理物體曲面的每一微面元為朗伯球體，在可見光波段上反射圖函數(shù)R(x, y, z)在二維像 平面上投影的福射度函數(shù)為Z= f f Df (χ, y)dxdy,也就是z軸方向福射度在像平面區(qū)域D內(nèi)的積分，以能量值表示為幅度函數(shù)F (X，y)，得到:[0013]R (p, q, -1) = IF (χ, y) | /dScos θ
[0014]R (ρ, q, -1) = [R2 (χ, y) +I2 (χ, y) ]1/2/dScos θ ；
[0015]得出曲面反射圖函數(shù)R (ρ(χ, y, ζ), q(x, y, ζ), -1)；
[0016]建立初始種子點，具體包括:該初始種子點滿足:在XYZ的三維正交系中，設(shè)過初始種子點的微面元的ζ軸與像平面的法矢量方向一致，該微面元過原點，且與y軸的夾角為Q1，與ζ軸的夾角為Θ 2，法矢量η= (ρ, q，-1)與y軸的夾角與Q1互余；
[0017]建立初始朗伯體，具體包括:把待處理物體曲面的微面元作為朗伯體球面的切平面，該微面元在三維正交系中且通過原點，該微面元的平面方程為:
[0018]Adx0+Bdy0+Cdz0=0
[0019]過原點且與該微面元相切的初始朗伯體球面方程為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于單幅二維圖像的三維重建方法，其特征在于，該方法包括: 對二維圖像中的待處理物體的每一個微面元建立朗伯體數(shù)據(jù)模型； 對二維圖像中的待處理物體構(gòu)建曲面方程； 對構(gòu)建的曲面方程進(jìn)行三角形插值； 根據(jù)所述朗伯體數(shù)據(jù)模型和三角形插值后的曲面方程建立所述二維圖像中的待處理物體的三維模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對二維圖像中的待處理物體的每一個微面元建立朗伯體數(shù)據(jù)模型，具體包括: 使待處理物體曲面的每一微面元為朗伯球體，在可見光波段上反射圖函數(shù)R(x，y, z)在二維像平面上投影的輻射度函數(shù)為Z= f f Df(x，y)dxdy，也就是z軸方向輻射度在像平面區(qū)域D內(nèi)的積分，以能量值表示為幅度函數(shù)F (X，y)，得到:
R (P, q, -1) = IF (x, y) | /dScos θ
R (p, q, -1) = [R2 (χ, y) +I2 (χ, y) ]1/2/dScos θ ； 得出曲面反射圖函數(shù)R (p(x, y, z), q(x, y, z), -1)； 建立初始種子點，具體包括:該初始種子點滿足:在XYZ的三維正交系中，設(shè)過初始種子點的微面元的z軸與像平面的法矢量方向一致，該微面元過原點，且與y軸的夾角為Q1，與z軸的夾角為Θ 2，法矢量n= (P，q，-1)與y軸的夾角與Q1互余； 建立初始朗伯體，具體包括:把待處理物體曲面的微面元作為朗伯體球面的切平面，該微面元在三維正交系中且通過原點`，該微面元的平面方程為:
Adx0+Bdy0+Cdz0=0 過原點且與該微面元相切的初始朗伯體球面方程為:
(X。- Xq)2 + (y0 - Yo)2 + (Z0 - Zo0)2 = 其中，Zft)為圓心，R0為半徑； 其中，微面元的法矢量為:n=(A，B, C)，且待處理物體的曲面函數(shù)為z=f(x，y)，且f (x, y)是有界閉區(qū)域Ω上的有界函數(shù)，f (x, y)在任一點的一階偏導(dǎo)數(shù)fx, fy均連續(xù)，微面元的法矢量用一階導(dǎo)數(shù)表示為d,_i)，令P =蓋，q = I,則微面元的法矢量表示為:n=(p，q，-l);對于待處理物體的曲面的任意微面元,其過與朗伯體相切的切平面方程為:dz = —.dx _ -dy + I,則有其待處理物體的曲面表面梯度值為:


E 一^p = q =―竺；初始微面元向量模長為dZ() = °:【in，Etl為任一初始像素點的 CCmax min灰度值，Emin為二維圖像的灰度最小值，Emax為二維圖像灰度的最大值；微面元高度dz的確定是根據(jù)各微面元的朗伯體模型幾何迭代關(guān)系得到的相對高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括: 利用雙角度方向的云臺和成像儀器獲取待處理物體的灰度值f和角度(Q1, θ2)關(guān)系的數(shù)據(jù)，對不同(θ” θ2)角度時待處理物體表面灰度值進(jìn)行測定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對二維圖像中的待處理物體構(gòu)建曲面方程，具體包括: 將待處理物體曲面的初值、邊界、梯度方向和連續(xù)性作為待處理物體曲面的約束條件； 根據(jù)微面元的朗伯球迭代關(guān)系構(gòu)建曲面方程。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，根據(jù)微面元的朗伯球迭代關(guān)系構(gòu)建曲面方程，具體包括: 初始微面兀方程為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述確立迭代關(guān)系，包括: 與初始種子點建立的朗伯體相切的微面元的法矢量垂直于像平面，與初始種子點(Xtl, Y0, Z0)鄰域的微面元(X1, Y1, Z1)構(gòu)造的朗伯球體,經(jīng)過初始種子點的微面元與其朗伯體的切點(Xo, yo, Zci),其半徑為該朗伯球圓心
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)球面是光滑的連續(xù)曲面和連續(xù)的關(guān)系求出鄰域點(xn，yn)的球心坐標(biāo)，球面坐標(biāo)以及球面方程，包括: 當(dāng)前種子點為(χη，yn)，四鄰域為(χη±1，yn±1)，該點的球心坐標(biāo)為(xn, yn )，球面坐
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)球心坐標(biāo)("x: yK")確立迭代 關(guān)系，包括: 通過微平面與朗伯體球面切點的半徑，其法矢方向與微面元的法矢方向一致，則有:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括: 對待處理物體的所有種子點進(jìn)行朗伯體球的建立，并對該種子點四領(lǐng)域點進(jìn)行遍歷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對構(gòu)建的曲面方程進(jìn)行三角形插值包括: 由不同一邊的點組向灰度值跳躍最大的邊上的分割點組順序插值； 再由灰度值跳躍最大邊上的分割點組向不同一邊上的分割點組順序插值； 其中，三點同一個邊的點不進(jìn)行插值，插值為單循環(huán)，被插值點組遍歷，插入點組不遍歷，被插入點組結(jié)束即停止，插入點組最后一點可重復(fù)使用。
【文檔編號】G06T17/00GK103824323SQ201410067316
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】王建侖, 韓彧, 何建磊, 歐陽常奇, 王永彬, 劉昊, 崔曉瑩, 徐東波 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)