三维技术基础与艺术欣赏第4章三维重建技术(陈永强)

1、三维技术基础与艺术欣赏陈永强 教授数学与计算机学院1第一页，共二十五页。教学内容主要讲解三维测量、三维静态建模、三维动态仿真、三维重建、三维显示、三维打印、三维动画、三维游戏、三维影视等基本原理和技术；引导学生科学鉴赏三维图形图象、三维动画游戏和三维电影艺术；了解和熟悉三维领域涉及的基本概念和思维方式，了解三维技术最新发展和动态，能更好适应现代三维科技时代的学习工作生活。2第二页，共二十五页。教学内容第1章三维技术概述第2章三维测量技术第3章三维建模技术第4章三维重建技术第5章三维显示技术第6章三维打印技术第7章三维动画技术第8章三维游戏技术第9章三维影视技术3第三页，共二十五页。第4章三维重

2、建技术三维重建3D Reconstruction三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型，是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础，也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。4第四页，共二十五页。第4章三维重建技术三维重建物体三维重建是计算机图形学(CG)、计算机辅助几何设计(CAGD)、计算机动画、计算机视觉、医学图象处理、科学计算和虚拟现实、数字媒体创作等领域的共性科学问题和核心技术。在计算机内生成物体三维表示主要有两类方法：一类是使用几何建模软件通过人机交互生成人为控制下的物体三维几何模型。实现技术已经十分成熟，现有若干软件支持，比如:3DMax、M

3、aya、AutoCAD、UG等等，它们一般使用具有数学表达式的曲线曲面表示几何形状。另一类是通过一定的手段获取真实物体的几何形状，一般称为三维重建过程。三维重建是指利用二维投影恢复物体三维信息(形状等)的数学过程和计算机技术，包括数据获取、预处理、点云拼接和特征分析等步骤。5第五页，共二十五页。第4章三维重建技术三维重建主要方式1）基于图象2）使用探针或激光读数器逐点获取数据3）三维物体的断层扫面4）光学三维扫描仪6第六页，共二十五页。第4章三维重建技术三维重建主要方式7基于图象的重建方式，应用范围广泛，精度比较低。第七页，共二十五页。第4章三维重建技术三维重建主要方式8使用探针或激光读数器逐

4、点获取数据，进行整体三角化，此类方法测量精确，但速度很慢，难以在短时间内获得大量数据。第八页，共二十五页。第4章三维重建技术三维重建主要方式9根据三维物体的断层扫面，得到二维图象轮廓，进行相邻轮廓的连接和三角化，得到物体表面形状。第九页，共二十五页。第4章三维重建技术三维重建主要方式10应用硬件光学三维扫描仪获得物体的点云数据，进行重建获得物体的整体表面信息。 第十页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建在计算机视觉中，三维重建是指根据单视图或者多视图的图象重建三维信息的过程。由于单视图的信息不完全，因此三维重建需要利用经验知识。多视图的三维重建（类似人的双目定位）相对比较容易，其

5、方法是先对摄像机进行标定， 即计算出摄像机的图象坐标系与世界坐标系的关系。然后利用多个二维图象中的信息重建出三维信息。11第十一页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建步骤（1） 图象获取：在进行图象处理之前，先要用摄像机获取三维物体的二维图象。光照条件、相机的几何特性等对后续的图象处理造成很大的影响。（2）摄像机标定：通过摄像机标定来建立有效的成像模型，求解出摄像机的内外参数，这样就可以结合图象的匹配结果得到空间中的三维点坐标，从而达到进行三维重建的目的。（3）特征提取：特征主要包括特征点、特征线和区域。大多数情况下都是以特征点为匹配基元，特征点以何种形式提取与用何种匹配策略紧密

6、联系。因此在进行特征点的提取时需要先确定用哪种匹配方法。特征点提取算法可以总结为：基于方向导数的方法，基于图象亮度对比关系的方法，基于数学形态学的方法三种。12第十二页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建步骤（4）立体匹配：立体匹配是指根据所提取的特征来建立图象对之间的一种对应关系，也就是将同一物理空间点在两幅不同图象中的成像点进行一一对应起来。在进行匹配时要注意场景中一些因素的干扰，比如光照条件、噪声干扰、景物几何形状畸变、表面物理特性以及摄像机机特性等诸多变化因素。（5）三维重建：有了比较精确的匹配结果，结合摄像机标定的内外参数，就可以恢复出三维场景信息。由于三维重建精度受匹

7、配精度，摄像机的内外参数误差等因素的影响，因此首先需要做好前面几个步骤的工作，使得各个环节的精度高，误差小，这样才能设计出一个比较精确的立体视觉系统。13第十三页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建软件 3DmeNow14第十四页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建软件 Canoma15第十五页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建软件 PhotoModeler和PhotoModeler Scanner16第十六页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建软件 ImageModeler17第十七页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建

8、应用制造业与逆向工程18第十八页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建应用影视与娱乐：数字化三维模型，能够给电影和视频游戏提供丰富素材。19第十九页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建应用20第二十页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建应用2122届国际体博会上，由深圳泰山在线科技公司研发的首款三维体感互动游戏i-dong地鼠第二十一页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建应用22 1997年，Paul Debevec利用图像重建技术，成功地出品了电影短片the Campanile。第二十二页，共二十五页。第4章三维重建技术基于图象的三维重建应