基于单目视觉的高精度三维场景重建技术研究
《2024年单目多视角三维重建算法设计与实现》范文
《单目多视角三维重建算法设计与实现》篇一一、引言随着计算机视觉技术的不断发展，三维重建技术在众多领域中得到了广泛应用，如无人驾驶、虚拟现实、三维测量等。
其中，单目多视角三维重建算法是一种重要技术，通过对同一物体在不同角度的图像进行融合与分析，以获得更准确的深度信息，最终实现物体的三维重建。
本文旨在详细阐述单目多视角三维重建算法的设计与实现过程。
二、相关背景及研究现状近年来，随着计算机视觉技术的发展，三维重建技术在学术界和工业界都得到了广泛关注。
单目多视角三维重建算法作为其中的一种重要技术，其核心思想是利用多个不同角度的图像来恢复物体的三维结构信息。
目前，该领域的研究主要集中在算法的优化和实时性上，以提高重建的准确性和效率。
三、算法设计（一）图像获取单目多视角三维重建算法的第一步是获取同一物体的不同角度图像。
这可以通过多种方式实现，如利用相机阵列拍摄多个角度的图像，或使用单个相机在不同位置拍摄不同角度的图像。
（二）特征提取与匹配获取到不同角度的图像后，需要提取并匹配图像中的特征点。
这一步主要依赖于特征提取算法和特征匹配算法。
常用的特征提取算法包括SIFT、SURF等，而特征匹配则可以使用最近邻匹配等方法。
（三）深度估计与三维重建在完成特征提取与匹配后，需要利用这些信息来估计物体在不同角度的深度信息。
这一步通常采用立体视觉或运动恢复结构（SFM）等方法。
最后，根据深度信息和相机参数，利用三角测量法等原理进行三维重建。
四、算法实现（一）软件环境算法的实现需要一定的软件环境支持。
常用的编程语言包括C++、Python等，而计算机视觉库如OpenCV、PCL等则提供了丰富的函数和工具，有助于加速算法的实现。
（二）具体实现步骤1. 读取并预处理图像数据；2. 提取并匹配图像中的特征点；3. 根据特征匹配结果估计物体在不同角度的深度信息；4. 利用三角测量法等原理进行三维重建；5. 对重建结果进行优化和可视化处理。
《单目多视角三维重建算法设计与实现》范文
《单目多视角三维重建算法设计与实现》篇一一、引言随着计算机视觉技术的飞速发展，三维重建技术在众多领域中得到了广泛应用。
单目多视角三维重建技术作为其中的重要分支，通过从多个不同角度获取的二维图像来恢复出物体的三维结构信息，具有重要研究价值和应用前景。
本文将详细介绍单目多视角三维重建算法的设计与实现过程。
二、相关技术背景在三维重建领域，根据使用的技术不同，可分为立体视觉、结构光、TOF等方法。
而单目多视角三维重建技术则主要依赖于计算机视觉和图像处理技术。
该技术通过捕捉同一场景在不同视角下的图像信息，利用多视图几何、立体匹配等算法恢复出物体的三维结构。
三、算法设计1. 图像预处理在进行三维重建之前，需要对获取的图像进行预处理。
预处理包括去噪、校正畸变、归一化等操作，以提高后续处理的准确性和效率。
2. 特征提取与匹配特征提取与匹配是单目多视角三维重建的关键步骤。
通过提取图像中的特征点，并利用特征描述子进行特征匹配，建立不同图像间的对应关系。
常用的特征提取与匹配方法包括SIFT、SURF、ORB等算法。
3. 三维点云生成根据特征匹配结果，利用多视图几何原理和三角测量法，可以恢复出场景中物体的三维点云数据。
这一步骤是单目多视角三维重建的核心部分。
4. 三维模型构建与优化通过点云数据，可以构建出物体的初步三维模型。
为了进一步提高模型的精度和完整性，需要对模型进行优化处理，包括表面重建、平滑处理等操作。
四、算法实现1. 实现环境与工具本算法的实现采用了Python编程语言，并借助OpenCV、PCL（Point Cloud Library）等开源库进行开发。
这些工具为算法的实现提供了良好的环境和支持。
2. 具体实现步骤（1）图像预处理：使用OpenCV库对图像进行去噪、校正畸变和归一化等操作。
（2）特征提取与匹配：利用SIFT、SURF等算法提取图像中的特征点，并采用特征描述子进行特征匹配。
（3）三维点云生成：根据特征匹配结果，利用多视图几何原理和三角测量法恢复出三维点云数据。
单相机三维视觉成像技术研究进展
随着科技的不断进步和应用场景的不断扩大，三维视觉成像技术的研究也变得越来越重要。
单相机三维视觉成像技术是一种基于单一相机图像信息的立体视觉成像技术，具有成本低、安装简便、适用于不同尺度和场景、重建精度高等优点。
本文将从单相机三维视觉成像技术的概念、特点、优点等方面进行详细阐述，并对其研究进展进行概述。
一、概念单相机三维视觉成像技术，顾名思义，是通过单个摄像机获取物体的二维图像，并将其转化为三维视图。
在三维视觉成像的过程中，主要考虑到光影、颜色、形状等因素，通过计算实现对目标物体的三维重建。
这一技术已广泛应用于自动驾驶、机器人视觉导航、虚拟现实等领域。
二、特点1. 成本低廉：相比于其他三维视觉成像技术，单相机三维视觉成像技术成本相对较低，易于普及和推广。
2. 安装便捷：不需要进行多个相机的安装和调试，只需要一个摄像头即可，大大减少安装和维护成本。
3. 适用于不同尺度和场景：无论是室内、室外、近距离、远距离都可以适用，能够适应不同环境下的数据需求。
4. 重建精度高：功能强大的算法可以实现对目标物体的高精度重建，达到实时监控和数据识别的目的。
三、优点1. 可以实时获取数据：传统的三维成像技术需要几秒钟至几分钟不等的时间来实现数据获取，而单相机三维视觉成像技术可以实时获取目标物体的三维数据。
2. 可以实现远程控制：利用单相机三维视觉成像技术，可以通过网络进行远程控制，获取目标物体的数据和信息，实现实时监控和操作。
3. 可以实现多种功能：通过利用单相机三维视觉成像技术，可以实现多种功能，如人脸识别、虚拟现实、机器视觉导航等。
四、研究进展近年来，单相机三维视觉成像技术在自动驾驶、机器视觉、虚拟现实等领域得到了广泛的应用。
相应地，也有很多研究者对其进行了深入的研究和探索，旨在提高其重建精度和应用范围。
以下是其中的一些研究进展：1. 针对研究者对单相机3D 重建的需求和后期操作的需要，基于深度学习和场景几何基础进行研究，提出了基于单张RGB 图像的高精度3D 重建方法。
单目视觉的同时三维场景构建和定位算法解析
单目视觉的同时三维场景构建和定位算法解析
1、简介
单目视觉三维场景构建和定位算法，是一种利用单个相机探测和重建环境的三维场景构建和定位技术。
这种技术利用单个相机经过加工处理，可以在特定的环境条件下重建三维环境场景，并支持定位和导航。
通过精确的跟踪追踪，在自动驾驶场景中确定自身在三维空间中的位置和行进路径，支持实时路径规划，实现自动驾驶车辆的安全行驶。
2、单目视觉三维场景构建和定位算法的原理
单目视觉三维场景构建和定位技术的核心原理是利用相机中自然界中反射光线的空间变化特点，解析其产生的运动特征。
由于物体的位置是一个静态的，但在一定的视角下，会产生光线的变化。
这种变化可以被视觉系统捕捉到，然后解析出相机本身的动态路线。
在这种情况下，相机就可以利用这种变化来重建出属于自身的三维场景，从而实现精确的定位和导航。
一般而言，重建三维场景和实现定位功能的最核心的算法是三维重建和特征检测算法。
三维重建算法主要是利用图像中反射光线的空间分布特点，经深度学习将其映射成三维物体的模型，从而实现三维场景的重建。
单目视觉的同时三维场景构建和定位算法解析
单目视觉的同时三维场景构建和定位算法解析单目视觉是一种只使用单个摄像机进行视觉感知和处理的方法。
在单目视觉中，构建和定位三维场景是一个重要的任务，即通过对单个图像进行分析和处理，推测出场景中的物体结构和位置信息。
传统的单目视觉场景构建和定位算法主要基于几何和几何约束。
这些算法通常包括以下步骤：1.特征提取：从图像中提取出一些具有独特性质的局部特征点，如角点、SIFT特征等。
这些特征点可以在不同图像之间进行匹配，从而推测出相机的运动以及物体的三维位置。
2.特征匹配：将特征点进行匹配，通常使用如RANSAC等算法来剔除错误的匹配，得到可靠的特征点对。
3.姿态估计：基于特征点对的几何约束，推测出相机的姿态，即相机的旋转矩阵和平移向量。
这可以通过求解一个最小化重投影误差的优化问题来实现。
4.三维重建：根据相机姿态和匹配的特征点，利用三角测量或非线性优化方法推测物体的三维位置。
通过多个图像的特征点三角化，可以获得对应物体的三维点云模型。
5.场景定位：通过比对三维点云模型和已知的场景模型，可以估计相机在场景中的位置。
这可以使用场景匹配、模型对齐、滤波等方法来达到。
然而，这种传统的单目视觉场景构建和定位算法存在一些问题。
首先，由于只有一个相机，无法直接获得物体的尺度信息。
其次，受限于图像信息的有限性，算法对特征点的提取和匹配具有一定的局限性，往往只能在有纹理的区域有效。
最后，由于只有一个视角，算法对于遮挡和对视点的限制较为敏感。
为了解决这些问题，近年来出现了许多基于深度学习的单目视觉场景构建和定位方法。
这些方法利用深度卷积神经网络（CNN）从单个图像中直接预测深度图或点云数据。
同时，一些方法还可以预测相机的姿态和场景中物体的位置。
这些方法利用大量的标注数据进行训练，可以更好地利用图像信息，提高场景构建和定位的精度和鲁棒性。
综上所述，单目视觉的场景构建和定位算法是一个复杂的问题，传统方法主要基于几何约束，而近年来的深度学习方法则通过直接从图像中预测深度和位置信息来提高性能。
单目立体相机三维重建算法研究
单目立体相机三维重建算法研究随着科技的不断进步，计算机视觉技术也得到了飞速发展。
其中，三维重建技术是计算机视觉领域中的一个热门主题。
单目立体相机是一种常用的三维重建设备，它能够对物体进行拍摄，并利用计算机视觉技术将物体的三维信息重建出来。
本文将从单目立体相机三维重建算法的原理、方法、应用等方面进行探讨。
一、算法原理单目立体相机三维重建算法主要是依靠对图像的特征点进行匹配，通过对特征点在图像中的位置差异，确定物体实际三维坐标位置和深度信息。
算法的原理是将相机拍摄到的图像分解成三个部分：图像的内参、图像的外参和特征点位置。
其中，图像的内参指的是相机的参数信息，如焦距、畸变等；图像的外参指的是拍摄图像的相机在实际空间中的位置和方向；特征点是指图像中被选定用于匹配的关键点，如角点、边缘等。
通过解算这三个部分的参数，就能够得到一个物体的三维信息。
二、算法方法单目立体相机三维重建算法的主要实现方法包括三种：立体三角测量法、基于双目形态的三维重建法和结构光三维重建法。
其中，立体三角测量法是最常用的方法之一。
该方法依靠对特征点的匹配，通过计算两个相机的视线与特征点间的位置关系，可构成一个三角形，从而得到特征点的三维坐标。
基于双目形态的三维重建法则需要配备两个相机来进行三维重建，该方法依靠不同角度下的拍摄图像得到横向视差和纵向视差的信息，再通过三角化计算得到物体的三维信息。
结构光三维重建法则需要借助激光扫描、三角测量等技术，通过对物体进行扫描和建模，构建出物体的三维模型。
三、算法应用单目立体相机三维重建技术有着广泛的应用领域。
在机器视觉领域中，该技术被广泛用于机器人视觉导航、自动驾驶车辆、工业三维重建等领域；在文化艺术领域中，利用该技术可以对文物、古建筑等进行三维扫描和保护工作；在医疗行业中，该技术可用于人体器官三维模型的重建和医学影像的处理。
可以预见，随着技术的不断发展和应用场景的不断拓展，单目立体相机三维重建技术的应用领域也将不断扩展。
《单目多视角三维重建算法设计与实现》范文
《单目多视角三维重建算法设计与实现》篇一一、引言随着计算机视觉技术的不断发展，三维重建技术在许多领域得到了广泛的应用，如无人驾驶、虚拟现实、医疗影像等。
单目多视角三维重建技术是其中一种重要的技术手段，其通过对多个视角下的图像进行重建，获得高精度的三维模型。
本文将介绍单目多视角三维重建算法的设计与实现，以期为相关领域的研究提供一定的参考。
二、算法设计1. 算法概述单目多视角三维重建算法是一种基于计算机视觉的算法，其基本思想是通过多个视角下的图像信息，结合几何变换和立体匹配等技术，实现三维模型的重建。
该算法主要包括图像预处理、特征提取、立体匹配、三维重建等步骤。
2. 图像预处理图像预处理是三维重建的前提，其主要目的是消除图像中的噪声、畸变等干扰因素，提高图像的质量。
预处理过程包括去噪、校正畸变、归一化等步骤。
其中，去噪可以通过滤波、阈值处理等方法实现；校正畸变则需要利用相机内参和畸变系数进行校正；归一化则是将图像的尺寸、亮度等参数调整到统一的标准。
3. 特征提取特征提取是三维重建的关键步骤之一，其主要目的是从图像中提取出有用的信息，如角点、边缘等。
常用的特征提取方法包括SIFT、SURF、ORB等。
在单目多视角三维重建中，需要提取多个视角下图像中的相同特征，以便进行立体匹配。
4. 立体匹配立体匹配是三维重建的核心步骤，其主要目的是根据提取的特征，在不同视角的图像之间建立对应关系。
立体匹配的精度直接影响到三维重建的精度。
常用的立体匹配方法包括基于区域的方法、基于特征的方法等。
在单目多视角三维重建中，需要采用高效的立体匹配算法，如基于视差空间的立体匹配算法等。
5. 三维重建三维重建是根据立体匹配的结果，通过几何变换和三角测量等技术，将二维图像信息转换为三维模型的过程。
在单目多视角三维重建中，需要根据多个视角下的图像信息和立体匹配结果，利用三角测量的原理计算每个像素点的深度信息，进而得到三维模型的几何形状。
一种基于单目相机的三维目标定位方法及系统与流程
一种基于单目相机的三维目标定位方法及系统与流程现代计算机视觉技术的快速发展为实现三维目标定位提供了更多可能。
本文介绍了一种基于单目相机的三维目标定位方法及系统与流程，该方法可以精确测量物体的位置和姿态。
下面将详细介绍该方法的原理及工作流程。
首先，该系统使用一台单目相机作为输入设备。
单目相机是最常见和易获得的成像设备之一，其能够通过图像采集和处理获得场景的二维投影信息。
为了实现三维目标定位，需要进行相机标定。
相机标定是确定相机内外参数的过程，确保图像准确地映射到真实世界坐标。
标定过程会采用特殊的标定板进行，通过不同视角下的标定板图像可以计算出相机的内外参数，如焦距、畸变参数、旋转和平移矩阵等。
接下来，系统通过单目相机采集现实世界中的目标图像。
目标图像中的目标物体通过边缘检测、特征点提取等算法进行特征描述。
常用的算法包括SIFT、SURF 等。
这些特征描述子可以在不同的图像中进行匹配和跟踪。
然后，系统使用已标定的相机参数以及带有特征描述子的目标图像进行目标匹配。
通过将目标图像与实时摄像帧中的图像进行特征匹配，可以确定目标在图像中的位置和姿态。
最后，系统利用三维几何学原理将图像中的目标位置映射到真实世界坐标系中。
通过已知的相机参数以及匹配到的图像特征，可以计算出目标在真实世界坐标系中的位置和姿态。
综上所述，基于单目相机的三维目标定位方法及系统与流程主要包括相机标定、目标图像采集、特征匹配以及三维坐标映射。
这种方法可以在不需要复杂设备和成本的情况下实现对目标物体的精确定位，广泛应用于机器人导航、增强现实等领域。
基于单目视觉的水下目标识别与三维定位技术研究的开题报告
基于单目视觉的水下目标识别与三维定位技术研究的开题报告一、研究背景水下目标识别与三维定位技术是水下机器人等无人机器设备的重要研究领域。
针对不同深度、光照、水质等复杂环境，通过单目视觉技术识别和定位水下目标，可以在海洋勘探、深海探索、水下资源开发等领域发挥重要作用。
该技术可以有效提高水下机器人的自主性能，为深海探索与资源开发提供技术支持。
二、研究目的本课题旨在基于单目视觉技术研究水下目标识别与三维定位技术。
具体研究内容包括：水下目标识别算法、水下目标的三维位置估计算法、系统硬件设计等方面的研究与探索。
三、研究内容1、水下目标识别算法研究水下目标通常受光照、水质等影响，影响图像清晰度，识别正确率。
因此，需要针对不同光照、环境的特点，通过一定的滤波、降噪等方式提取图像特征，采用适当的算法提高水下目标的识别准确性。
2、水下目标的三维位置估计算法研究水下目标的位置测量受到水中的折射率、摄像机与目标之间的距离等因素的影响，因此需要采用定位算法估计目标的三维位置信息。
传统的定位算法包括三角测量、基于航迹重建的方法等，这些方法存在因测量数据精度等因素带来的误差，因此需要改进算法提高系统精度。
3、系统硬件设计系统硬件设计是水下目标识别与三维定位技术研究的重要组成部分，需要选择合适的硬件设备和材料，以确保系统的可靠性和稳定性。
系统硬件设计方案需要考虑水下操作环境、传感器选型、数据传输等多方面因素，并根据研究需求进行优化设计。
四、研究方法本课题采用实验与理论相结合的方法进行研究，具体研究方法包括：1、通过采集多组水下目标图像，建立水下目标识别数据集，采用机器学习等方法提高算法准确性。
2、以实验数据为基础，探究水下目标三维位置估计算法的优化方案。
3、设计水下目标识别与三维定位系统，并进行实际测试和应用。
五、预期成果1、完成水下目标识别算法研究，提高水下目标识别准确性。
2、完成水下目标的三维位置估计算法研究，提高定位精度。
基于视觉的三维重建技术综述_佟帅
1. 3 纹理法
人类可以通过物体表面纹理在视网膜上投影感知物体的 三维形状，因此视觉图像中纹理的梯度信息可以作为恢复物体 形状及深度信息的线索。依据这一理论，可以通过分析图像中 物体表面重复纹理单元的大小、形状，恢复出物体法向、深度等 信息，得到 物 体 的 三 维 几 何 模 型，即 纹 理 恢 复 形 状 法 （ shape from texture，SFT） ，也就是纹理法。
TONG Shuai，XU Xiao-gang，YI Cheng-tao，SHAO Cheng-yong
（ Dept． of Equipment System ＆ Automatization，Dalian Naval Academy，Dalian Liaoning 116018，China）
Abstract： As an developing technology，vision-based 3D reconstruction still got limitations in many aspects． Overviewed the main methods and relative study status of vision-based 3D reconstruction，and analyzed the advantages and disadvantages of these methods，hope to get a general understanding of this field and future indicate the study orientations in the future． Key words： vision-based 3D reconstruction； monocular vision； binocular vision； trinocular vision； overview
高精度三维重建技术研究
高精度三维重建技术研究随着计算机技术、传感器技术、图像处理技术的不断发展，三维重建技术已经有了很大的进步和发展。
三维重建技术是将现实世界的三维场景数字化，使之成为电脑模型，在虚拟空间中进行分析、设计和交互。
高精度三维重建技术是实现这一目标的重要手段之一。
一、高精度三维重建技术是什么？高精度三维重建技术是指利用高精度的设备和技术，对目标场景进行三维数据采集、处理和重建，以获取尽可能真实、精确的三维模型。
这种技术可以广泛应用于建筑、城市规划、文化遗产保护、汽车、机器人、医学等领域。
二、高精度三维重建技术的主要技术手段高精度三维重建技术包含三个主要技术手段：三维数据采集、三维数据处理、三维模型重建。
其中，三维数据采集是获取第一手数据，包括光学测量、激光测量、重力测量等技术；三维数据处理是将数据进行清洗、分类、配准、纠正等处理，保证数据质量；而三维模型重建是将处理后的数据进行拼接、填补、光照、纹理等处理，以获得高质量的三维模型。
三、高精度三维重建技术的发展现状高精度三维重建技术已经具有广泛的应用前景和市场潜力，因此各国的研究机构、大学和企业都在进行相关的研究和开发。
目前，全球的三维重建技术正在向数码化、高精度化和自动化方向发展。
在三维数据采集方面，激光雷达、立体摄像头、结构光等设备正逐渐取代传统的测量设备，实现了更高效、更高精度的三维数据采集。
在三维数据处理方面，计算机算法的进步使得数据的自动化处理变得更加容易和高效。
在三维模型重建方面，逐渐采用了深度学习等技术，使得三维模型的质量得到了进一步的提升。
四、高精度三维重建技术的应用高精度三维重建技术在建筑、文化遗产保护、机器人、汽车、医学等领域都有广泛的应用。
在建筑领域，可以利用三维重建技术实现建筑模型的精细化设计、制造和施工管理。
在文化遗产保护领域，可以对文物、古建筑等进行精确的三维数据采集和模型重建，从而做到保存和传承的一体化管理。
在机器人和汽车领域，可以利用三维重建技术进行自动导航和避障。
《2024年复杂环境下单目3D目标检测研究》范文
《复杂环境下单目3D目标检测研究》篇一摘要：本文针对复杂环境下的单目3D目标检测问题进行了深入研究。
首先，介绍了研究背景与意义，接着概述了相关领域的研究现状。
随后，详细阐述了所采用的方法、实验设计及结果分析。
最后，总结了研究成果，并指出了未来研究方向。
一、引言随着自动驾驶、机器人视觉等领域的快速发展，3D目标检测技术逐渐成为研究的热点。
单目3D目标检测技术能够利用单个摄像头捕捉环境信息，实现对目标物体的三维空间定位。
然而，在复杂环境下，如光线变化、遮挡、动态背景等条件下，单目3D 目标检测面临诸多挑战。
因此，本文旨在研究复杂环境下单目3D 目标检测的关键技术与方法。
二、研究现状及背景近年来，多传感器融合的3D目标检测技术在复杂环境下表现出较好的性能。
然而，单一摄像头具有成本低、结构简单、易于集成等优势，因此单目3D目标检测技术仍具有重要研究价值。
目前，该领域的研究主要集中在如何提高算法的鲁棒性、准确性以及处理速度等方面。
三、方法与技术本研究采用基于深度学习的单目3D目标检测方法。
首先，通过卷积神经网络（CNN）提取图像特征。
其次，利用几何约束和深度学习模型预测目标物体的三维空间位置。
此外，为提高算法在复杂环境下的鲁棒性，本文还采用了数据增强技术和多尺度特征融合方法。
四、实验设计与结果分析1. 数据集与实验环境实验采用公开的3D目标检测数据集，包括不同环境、光照条件下的图像数据。
实验环境为高性能计算机，搭载深度学习框架进行模型训练与测试。
2. 实验设计为了验证本文提出方法的性能，设计了一系列对比实验。
首先，与经典的单目3D目标检测算法进行比较；其次，在不同环境条件下进行实验，以验证算法的鲁棒性；最后，分析不同参数对算法性能的影响。
3. 结果分析实验结果表明，本文提出的单目3D目标检测方法在复杂环境下表现出较好的性能。
与经典算法相比，本文方法在准确率和处理速度上均有明显提升。
在不同环境条件下进行实验，本文方法仍能保持较高的检测性能，体现了较好的鲁棒性。
基于单目视觉系统的三维重建方法
基于单目视觉系统的三维重建方法吴福培;方信佳;阳春;李昇平;叶玮琳【摘要】A 3-D reconstruction method was proposed based on the single color image acquired from single camera in this paper.A multi-color LED ring structure illumination developed by authors ,and LEDs'mounted altitude,incidence angles and distribution density of the LED ring structure illumination was calibrated,then,the position information of incidence lights would be obtained by analyzing the ac-quired color image.A 3-D reconstruction model was built based on the position information of incidence lights,color information,imaging model of camera and the gray information of image,and the 3-D re-construction method was proposed for micro-devices.The proposed method solves the problem of the uncertainty and the slow convergence arising in the traditional SFS method when reconstructing the 3-D surface topography.Experimental results show that the reconstruction relative errors of circular washers and six-corner prismatic nut is -2.2%,-4.43% respectively by the proposed method,which illus-trates the validity of reconstructing the surface 3-D topography based on one camera and a ring illumina-tion.%以单相机采集的单幅彩色图像为基础，提出了基于单目视觉系统的表面三维形貌重建方法.该方法采用课题组针对该问题设计的多色 LED环形结构光源，通过标定光源内各色 LED 的安装高度、入射角度、分布密度，使采集到的彩色图像包含入射光的位置信息.基于视觉系统中提取的入射光信息、图像色彩信息、相机成像模型和图像的灰度信息，建立了三维重建模型，提出了面向微小器件的表面三维重建方法.该方法解决了传统 SFS法反向重建表面形貌的不确定性和慢收敛性问题.实验研究结果表明：采用本文所提方法重建圆形垫圈和六角棱柱型螺母，其重建相对误差分别为-2.2%和-4.43%，证实了采用单相机结合环形光源重建微小物体的表面三维形貌是有效的.【期刊名称】《测试技术学报》【年(卷),期】2016(030)005【总页数】6页(P369-374)【关键词】机器视觉;三维重建;单相机;表面形貌;单幅图像【作者】吴福培;方信佳;阳春;李昇平;叶玮琳【作者单位】汕头大学机械电子工程系，广东汕头 515063;汕头大学机械电子工程系，广东汕头 515063;汕头大学机械电子工程系，广东汕头 515063;汕头大学机械电子工程系，广东汕头 515063;汕头大学机械电子工程系，广东汕头515063【正文语种】中文【中图分类】TH741;TG580.23通过重建表面三维形貌可给出产品表面质量的量化评估信息，有助于细分产品制造过程的缺陷，有利于分析其缺陷的分布规律、导致缺陷的原因和预测其缺陷发展趋势，便于产生过程产品质量信息的收集与反馈，也有利于优化生产工艺参数，预防后续缺陷的发生，提升全生产过程产品的品质[1-2].随着自动化生产技术的迅速发展，亟需发展高速高可靠性的表面三维形貌重建理论与方法，为生产过程提供快速可靠的服务.因此，研究物体的表面三维形貌快速重建理论与方法具有重要的意义.近年来，研究三维重建的成果主要分为接触式和非接触式两类.传统的接触式测量方法以三坐标测量仪为代表，这种方法的测量精度较高，但速度慢，使用成本高，难以实现高速在线检测.在非接触式测量方面，又分为非光学测量法和光学测量法.非光学测量法有声学检测法、飞行时间法等.相比之下，光学测量法具有非接触、无损伤、高分辨率、速度快等优点，目前获得了越来越广泛的应用.根据照明光源的不同类型它可分为被动式和主动式.被动式光学测量有多目视觉法和单目视觉法，多目视觉法也称为立体视觉法，目前应用较多[3-5].立体视觉法的难点在于立体匹配，在重建表面三维形貌过程中需要进行大量的匹配运算且易受环境光照条件影响，计算成本高，测量精度、速度受限.单目视觉法[6-7]在自然光照明下采用一个摄像机获取被测物体的表面三维信息，常用基于明暗重建(Shape From Shading-SFS)方法重建物体表面三维形貌，事实上，基于Lambertian光照反射模型的SFS问题是病态的，没有唯一解[8]；现有算法通常假设研究对象为表面光滑的物体，即认为物体表面高度函数的二阶偏导数是连续的，然后依据相关条件建立SFS问题的正则化模型进行求解，主要有最小化法、传播法、局部法和线性化法[9]，然而通过正则化过程获得问题的解会带来误差，由此得到的三维形貌易出现不确定现象，并且求解效率需要提高，离在线检测要求仍有差距.主动式光学测量法基于辅助光源照射进行三维测量，主要有干涉法、相位测量法和三角法等，其中光学干涉法主要有全息干涉法[10]、莫尔条纹法[11]等，干涉法具有较高的精度，但其测量范围小，对环境的要求高，因此微制造和组装过程中应用较少；相位测量法主要有相移法[12]、傅里叶变换法[13]、光栅投影法[14,15]等，然而受解相精度的影响，相位测量法对于复杂表面形貌的测量精度、速度和可靠性还有待提高；三角法通过投射光源、被测物体和CCD图像传感器之间三角几何关系来重建物体三维形貌，主要有激光三角法、光切法、结构光源法等，其中激光三角法[16,17]测量精度高、适用范围广，该方法的测量稳定性易受焦深、散斑、被测表面等因素影响.光切法[18,19]以其适用范围广、测量范围大、精度较高、可控性强等特点，在快速成型和三维面形测量等领域得到了广泛的应用，但是光切法的光条中心位置不易精确提取，难以重建出具有高排列的微器件表面形貌.从现有参考文献的结果分析中可知：研究高速高可靠性的表面三维形貌在线检测课题是大势所趋，而已有的表面三维形貌重建方法尚难满足高速制造和组装过程产品的表面三维质量在线检测要求.如果以主动式光学测量法为基础，研究高速高可靠性的表面三维形貌在线检测课题，就要设计一个合适的光源，即该光源利于将被测表面三维形貌信息投射到尽可能少幅的图像中，并使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，从而降低特征提取过程图像处理的算法难度，同时提高系统的精度和可靠性；在此基础上，基于单目视觉系统研究表面三维形貌快速重建，将具有广阔的工业应用前景.如图1所示，文中所提的单目视觉系统由一个3CCD彩色相机和一个红绿蓝3色LED环形结构光源组成.3色光照射视场内同一点时，在彩色图像的同一像素位置将产生代表3种颜色光强度的灰度值.由于3色光的入射位置不同，故此可建立3个成像方程组，进而可求解出被测位置的高度.与基于明暗重建(Shape From Shading-SFS)方法重建物体表面三维形貌所采用的光不同，文中所提方法采用课题组设计的多色LED环形结构光源(见图1)，并对光源内各色LED的安装高度、入射角度、分布密度分别进行严格标定[20]，使采集到的彩色图像包含入射光的位置信息.并且，工作时环形光源各LED同时点亮.通过光源均匀性设计及标定后，可认为视场内单位面积(可看作单像素所对应面积)内接收同色光照的强度是均匀的. 为了便于阐述论文提出的三维重建方法，搭建如图2所示的图像采集系统，并在图中所示的剖切面AA中建立如图3所示的成像坐标系统.其中坐标系的原点建立在视场的中心处，Zw轴指向相机的方向，Xw轴沿切线AA方向.如前所述，通过光源均匀性设计及标定后，可认为视场内单位面积内接收同色光照的强度是均匀的.因此，建立如图3所示的成像系统对所有成像点均具有代表性.如图3所示，在Ow-Xw-Zw的二维坐标系中，Ow点为世界坐标系的原点，坐标为Ow(0,0)，Oc点为光心，其在世界坐标系的坐标为Oc(0,l)，l为物距.设光源位置处在世界坐标系中的坐标为e(xl,zl)，被测物体上某一点在世界坐标系中的坐标为s(xi,zi)，该点相机成像后，在图像坐标系中的坐标为p(u,v).直线es为入射光线，反射光线为直线sp.入射光线es与反射光线sp的交点s(xi,zi)对应的z坐标即为被测物体在点(xi,zi)处的高度，其对应的Z轴坐标为zi.如图3所示，定义入射光线es与水平线即Xw轴的夹角为α，反射线sp与水平线即Xw轴的夹角现象为η.根据光的反射原理，如图3所示的反射线sp的方程可表示为如图3所示的反射线与水平线的夹角式中：f为相机的焦距；l为物距；(u0,v0)为成像平面坐标系的原点，即相机的光轴与像平面的交点，以像素为单位；(u,v)为图像平面上任意点坐标，以像素为单位；dx,dy分别为每个像素在x,y方向上的物理尺寸，以毫米(mm)为单位.在此可推导出，入射线es的方程式为综上，联立式（1）,式（3）可求得入射线es和反射线sp的交点(xi,zi)式中：(xl,zl)为入射光源在世界坐标系中的坐标；α为入射光线es与水平线即X轴的夹角，单位：(°).由于入射光线与水平线即Xw轴的夹角α未知，无法计算入射线es的方程，即无法求解任意点的高度.为求解该问题，论文提出利用标定点的方法来计算夹角α值.图4为标定点和任意点的反射图.对于同性质材料(非高光材料)的同批次被测对象，在同一光源照射下，基于获取的单张图像，采用如图4所表达方式，可简化曲面朝向(即倾角)和图像亮度之间的关系表示，实验结果表明曲面朝向和图像亮度之间呈比例关系，设比例系数为k.则有式中：θi,θ0分别为微观表面Owi,Ow0处的倾角，单位：(°)；gl,g0 分别为从微观表面Owi,Ow0处获得的灰度值.在图4中，如已知标定点Ow0的参数(如入射线与水平线的夹角为α0、微观表面的倾角θ0、灰度值g0值等)，计算待求点Owi的入射线与水平线的夹角根据式（2）计算出η0和ηi，并代入式（6）中，得入射线与水平线的夹角式中：(ui,vi)为图像平面上任意点坐标，以像素为单位；)为图像平面上标定点坐标，以像素为单位.将式(7)代入式(4)，并且令可求得被测物体表面任意点的高度值该点为剖切线AA截面对应实测点的高度值.同理，根据被测物体的剖切线AA截面在所获彩色图像的像素值，可求出X轴方向各被实测点的Z轴坐标，将各计算点连线，即为被测物体在剖切线AA截面的剖切曲线.结合本文所提单目视觉成像系统的极对称性，以Z轴为旋转中心，将该剖切线AA截面分步长旋转，分别计算出各剖截面对应的被测物体表面高度值，直至旋转角至360°为止，即可求出目标物体所有的高度值.为检验所提出的三维重建方法是否可行，论文以实物为例，在所设计的环形光源照射下，拍摄单张图像，进行三维重建实验.实验前，采用文献[20]所提的标定法对相机进行标定实验，将标定结果用于后续实验中.实验中使用的参数：a) 光源：单层红色环形光源，第一颗LED灯在图3的坐标系统中的世界坐标系坐标为(-26.67，71)，单位：mm.b) 标定点：标定点设定为在图3中的坐标系统中的图像上坐标为(512，384)，单位：mm.入射线角度为69.148 8°，灰度值为255.图5(a) 的物体是圆形垫片，其测量高度0.978 mm，计算高度0.956 mm.相对误差-2.2%.图5(b) 是其重建出的三维效果.图6(a) 的物体是六角棱柱型螺母，其实测高度15.005 mm，计算高度14.341 mm.相对误差-4.43%.图6(b) 是其重建出的三维效果.实验结果表明：采用本文方法，其重建的相对误差小于5%，验证了所提方法的可行性.根据前面的分析可知，上述实验结果是基于结构光源均匀地照射视场的假设条件而得到的，因此，光源均匀地照射视场对减少三维重建的误差起重要作用.此外，实验是对同性质材料的对象进行三维重建，而对不同性质材料组成的物体、特别是含有高光材料物体的三维重建仍有待研究.① 针对微小器件的表面三维形貌重建问题，本文采用所设计的多色环形结构光源，建立了三维重建模型，提出了面向微小器件的表面三维重建方法.② 该方法依据光的反射原理，计算目标物体上某点入射线和反射线的交点，交点纵坐标即为该点的高度值，计算整个物体的高度值即可重建出目标物体.③ 该方法克服了传统SFS法反向重建表面形貌的不确定性和慢收敛性问题.④ 实验结果显示，采用本文所提方法重建圆形垫圈和六角棱柱型螺母，其相对误差分别为-2.2%和-4.43%，实验结果验证了所提方法的有效性.文中所提方法适用于漫反射材料，对非漫反射材料的适用情况仍需进一步研究.。
利用单目图像重建人体三维模型
算倣语咅信is与电ifiChina Computer&Communication2021年第5期利用单目图像重建人体三维模型钱融王勇王瑛(广东工业大学计算机学院，广东广州510006)摘要：人体三维模型在科幻电影、网上购物的模拟试衣等方面有广泛的应用场景，但是在单目图像重建中存在三维信息缺失、重建模型不具有贴合的三维表面等问题-为了解决上述的问题，笔者提出基于SMPL模型的人体三维模型重建算法。
该算法先预估人物的二维关节点，使用SMPL模型关节与预估的二维关节相匹配，最后利用人体三维模型数据库的姿势信息对重建的人体模型进行姿势先验，使得重建模型具有合理的姿态与形状.实验结果表明，该算法能有效预估人体关节的三维位置，且能重建与图像人物姿势、形态相似的人体三维模型.关键词：人体姿势估计；三维人体重建；单目图像重建；人体形状姿势；SMPL模型中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1003-9767(2021)05-060-05Reconstruction of a Three-dimensional Human Body Model Using Monocular ImagesQIAN Rong,WANG Yong,WANG Ying(School of Computer,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong510006,China) Abstract：The human body3D model are widely used in science fiction movies,online shopping simulation fittings,etc,but there is a lack of3D information in monocular image reconstruction,and the reconstructed model does not have problems such as a fit 3D surface.In order to solve the above mentioned problems,a human body3D model reconstruction algorithm based on SMPL model is proposed.The algorithm first estimates the two-dimensional joint points of the character,and uses the SMPL model joints to match the estimated two-dimensional joints;finally,the posture information of the three-dimensional human body model database is used to perform posture prior to the reconstructed human body model,making the reconstructed model reasonable Posture and shape.The algorithm was tested on the PI-INF-3DHP data set.The experimental results show that the algorithm can effectively predict the3D position of human joints,and can reconstruct a3D model of the human body similar to the pose and shape of the image.Keywords：human pose estimation;3D human reconstruction;monocular image reconstruction;human shape and pose;SMPL0引言人体三维模型所承载的信息量远远大于人体二维图像，能满足高层的视觉任务需求，例如在网购中提供线上试衣体验，为科幻电影提供大量的人体三维数据。
《2024年复杂环境下单目3D目标检测研究》范文
《复杂环境下单目3D目标检测研究》篇一一、引言随着自动驾驶、机器人技术以及计算机视觉的快速发展，三维目标检测在复杂环境下的应用需求日益增加。
其中，单目3D 目标检测技术以其独特的优势和广泛的应用前景，成为当前研究的热点。
本文旨在探讨复杂环境下单目3D目标检测的相关技术，包括其应用场景、方法及技术挑战，以期为相关领域的研究者提供一定的参考。
二、复杂环境下的单目3D目标检测（一）应用场景单目3D目标检测在自动驾驶、机器人导航、无人机飞行等领域具有广泛的应用。
在自动驾驶中，通过单目3D目标检测技术，可以实时检测道路上的车辆、行人等目标，为自动驾驶系统提供决策支持。
在机器人导航中，该技术可用于实现机器人在复杂环境中的避障和路径规划。
此外，在无人机飞行中，通过单目3D目标检测技术，可以实现对地面的精确测量和识别。
（二）方法与技术单目3D目标检测主要通过深度学习算法实现。
具体而言，该技术首先通过相机捕获图像信息，然后利用深度学习算法对图像进行处理和分析，最终实现目标的检测和三维定位。
在处理过程中，关键的技术包括深度估计、特征提取、目标识别等。
其中，深度估计是单目3D目标检测的核心问题之一，通过深度估计可以获取目标与相机之间的距离信息。
此外，特征提取和目标识别也是实现准确检测的关键步骤。
（三）技术挑战尽管单目3D目标检测技术取得了一定的进展，但仍面临诸多挑战。
首先，复杂环境下的光照变化、阴影遮挡等问题会影响图像的质量和识别率。
其次，由于缺乏深度信息，单目3D目标检测在处理立体图像时存在一定的困难。
此外，目标的多样性和尺度变化也会对检测精度产生影响。
针对这些挑战，研究者们不断探索新的算法和技术，以提高单目3D目标检测的准确性和鲁棒性。
三、复杂环境下单目3D目标检测的关键技术与研究进展（一）深度估计技术的改进深度估计是单目3D目标检测的核心问题之一。
针对这一问题，研究者们提出了多种深度估计算法和技术。
其中，基于深度学习的深度估计方法具有较高的准确性和鲁棒性。
单目结构光高精度重建方法
单目结构光高精度重建方法
单目结构光高精度重建方法是指利用一台摄像机和一台结构光投射装置，通过对被测物体进行结构光投射，然后使用摄像机来捕捉被投射在物体上的结构光图像，并通过图像处理和计算方法来重建物体的三维几何形状。
下面是一种常用的单目结构光高精度重建方法的基本步骤：
1. 投射结构光：使用结构光投射装置在被测物体上投射结构化的光纹。
这些光纹可以是平行的條纹，格状、圆圈等不同形状。
2. 捕捉图像：使用摄像机捕捉被投射在物体上的结构光图像。
摄像机可以是普通的RGB相机或者专门的三维扫描相机。
3. 图像处理：对捕捉到的结构光图像进行预处理，主要包括去除图像噪声、去除背景干扰、对图像进行边缘检测和提取结构光的相位信息等。
4. 相位解包：通过对图像进行分析和计算，可以将结构光图像中的相位信息还原为三维物体表面的高程信息。
常见的相位解包算法包括格栅剪切法、多频次摄像法、相位移法等。
5. 三维重建：将通过相位解包得到的物体表面高程信息转化为三维坐标，从而获得物体的三维形状。
这可以通过相机标定和像素坐标转换等方法实现。
6. 数据处理和优化：在三维重建后，可以对数据进行进一步的
处理和优化，如去噪、滤波、网格化等，以提高重建结果的精度和质量。
需要注意的是，单目结构光高精度重建方法在实际应用中还面临一些挑战，如光照条件、表面反射率、杂散光干扰等因素的影响，这些因素可能会影响重建结果的精度和稳定性。
因此，在具体应用中需要根据实际情况选择合适的算法和技术来进行优化和改进。
单眼相机图像的三维重建研究
单眼相机图像的三维重建研究随着科技的进步，相机的种类越来越多，单眼相机逐渐开始被人们认识。
单眼相机又称为单目相机，是一种仅有一个透镜的相机设备，同时不像双目相机那样拥有两个透镜。
在过去的几年中，随着计算机视觉和机器视觉领域的发展，单眼相机不但在实际应用中表现更优秀，而且还能够被应用于3D重建领域。
这个时候，一个问题就出现了，如何利用单眼相机进行图像的三维重建研究呢？这一问题也是本文所要探讨的重点。
一、什么是单眼相机图像三维重建无论是我们自己眼睛看到了什么，还是通过相机拍摄下来的照片，实际上我们看到的都是二维的图像。
在三维重建领域中，我们需要从许多二维图像中获取三维模型。
而单眼相机图像的三维重建就是从单个图像中获得三维模型的技术。
二、优势相较于双目相机图像的三维重建，单眼相机图像的三维重建技术还是比较新的。
但是单眼相机图像的三维重建也有自身的优势。
具体表现在以下几个方面：1、操作简单单目相机只需要设定一组相机参数即可使用，不需要分别调整两个摄像头的位置和焦距，对于操作者而言，更加简单易懂，更容易采集到高质量的数据。
2、成本低廉相较于双目相机，使用单目相机进行三维重建的成本更低。
双目相机需要实时精确地计算相机之间的距离，需要更高的硬件配置和计算能力，这增加了双目相机的成本。
3、更广泛的应用场景单目相机可以在很多场景下进行三位重建，比如需要移动或需要抓住物体进行三维重建。
同时，单目相机也非常适合在学校和研究人员中进行学习和研究。
三、单眼相机图像的三维重建方法单眼相机图像的三维重建方法可以分为四个步骤：1、图像预处理对图像进行预处理，包括图像去噪、滤波和调整图像亮度、对比度等操作。
2、姿态估计姿态估计是指估计相机在现实空间中的位置和角度。
在姿态估计中，我们要估计相机的旋转矩阵和平移向量。
3、深度估计深度估计是指估计图像中每个像素点的深度。
深度估计有多种方法，例如斯特里奇（stratified）方法、形态学方法等。
基于视觉的三维重建关键技术研究综述
基于视觉的三维重建关键技术研究综述一、本文概述三维重建技术是指从二维图像中恢复出三维物体的几何形状和结构信息的技术。
随着科技的发展，基于视觉的三维重建技术在医疗、工业、安防、娱乐等领域得到了广泛应用。
本文旨在综述三维重建的关键技术，为相关领域的研究提供参考。
二、三维重建技术概述2、1随着计算机视觉和图形学技术的飞速发展，基于视觉的三维重建技术已成为当前研究的热点之一。
三维重建技术旨在从二维图像或视频序列中恢复出物体的三维形状和结构，具有广泛的应用前景。
在医疗、工业、虚拟现实、增强现实、文物保护、安防监控等领域，三维重建技术都发挥着重要的作用。
在医疗领域，三维重建技术可以用于辅助诊断和治疗，如通过CT或MRI等医学影像数据生成三维人体内部结构模型，帮助医生更准确地了解病情并制定治疗方案。
在工业领域，三维重建技术可以用于产品质量检测、逆向工程等，提高生产效率和产品质量。
在虚拟现实和增强现实领域，三维重建技术可以为用户提供更加真实、沉浸式的交互体验。
在文物保护领域，三维重建技术可以用于对文物进行数字化保护和展示，让更多人能够欣赏到珍贵的文化遗产。
在安防监控领域，三维重建技术可以用于实现更加智能的监控和预警，提高安全防范能力。
因此，研究基于视觉的三维重建关键技术对于推动相关领域的发展和应用具有重要意义。
本文将对基于视觉的三维重建关键技术进行综述，旨在为相关领域的研究人员和实践者提供参考和借鉴。
21、2近年来，深度学习在计算机视觉领域取得了巨大的成功，其强大的特征提取和学习能力为三维重建带来了新的机遇。
深度学习模型，如卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN），能够从大量的图像数据中学习到有效的特征表示，进而用于三维重建任务。
深度学习模型，尤其是卷积神经网络，已被广泛用于从单张或多张图像中预测三维形状。
这类方法通常利用大量的图像-三维模型对作为训练数据，通过监督学习的方式学习从二维图像到三维形状的映射关系。
《2024年复杂环境下单目3D目标检测研究》范文
《复杂环境下单目3D目标检测研究》篇一一、引言在现今的智能感知技术中，三维目标检测一直是计算机视觉领域的热门研究课题。
尤其是随着自动驾驶、机器人技术等领域的快速发展，单目3D目标检测技术在复杂环境下的应用显得尤为重要。
单目3D目标检测旨在通过单个摄像头捕捉到的图像信息，实现目标物体的三维位置、尺寸和方向等信息的准确检测。
然而，由于复杂环境下的光照变化、遮挡、动态背景等因素的影响，单目3D目标检测面临着诸多挑战。
本文将针对复杂环境下单目3D目标检测的研究进行深入探讨。
二、复杂环境下的单目3D目标检测技术概述单目3D目标检测技术主要通过图像处理和计算机视觉算法，从单个摄像头捕捉的图像中提取出目标物体的三维信息。
在复杂环境下，由于光照变化、遮挡、动态背景等因素的影响，单目3D 目标检测的准确性和稳定性会受到一定程度的挑战。
因此，如何提高单目3D目标检测的鲁棒性和准确性，成为当前研究的重点。
三、关键技术与算法研究1. 深度学习技术在单目3D目标检测中的应用：近年来，深度学习技术得到了广泛应用。
在单目3D目标检测中，深度学习模型可以从图像中提取丰富的特征信息，提高检测的准确性。
此外，通过大量的训练数据，深度学习模型可以适应复杂环境下的各种变化。
2. 多尺度特征融合：为了更好地处理不同大小的目标物体，多尺度特征融合技术被广泛应用于单目3D目标检测中。
该技术可以融合不同尺度的特征信息，提高对小目标的检测能力。
3. 上下文信息利用：在复杂环境下，上下文信息对于提高单目3D目标检测的准确性具有重要意义。
通过利用目标物体周围的上下文信息，可以更准确地判断目标物体的位置和尺寸。
4. 优化算法：针对复杂环境下的各种挑战，研究者们提出了多种优化算法，如基于深度学习的优化算法、基于几何约束的优化算法等。
这些算法可以进一步提高单目3D目标检测的准确性和稳定性。
四、实验与分析为了验证本文所提方法的有效性，我们进行了大量的实验。
基于单目视频图像序列的三维表面重建研究
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赵 文胜 尹 升 爱 ，
（． １ 河北科技 师范学院， 河北 秦皇岛 ０６ ０ ；． ６０ ４ ２ 中国运载 火箭技术研究院第十八研 究所 ， 北京 １０ ７ ００ ６）
摘要 ： 随着 计 算 机 技 术 以及 三 雏数 字 成 像软 硬 件 技 术 的 飞 速 发 展 ， 维 表 面 重 建 技 术 越 来越 受到 人 们 的 关 注 ， 用 也 越 三 应
（ ． ｅｅ Ｎ ｒ ｌ ｎｖｒｔ ｃ ｎ ｅ＆ Ｔ ｃ ｏｏｙ Ｑｎｕ ｎｄｏ０ ６０ ，Ｃ ｉａ １ Ｈ ｂ ｉ ｏ ｉ ｓ ｙｏ Ｓｉ ｃ ｍａ Ｕ ｅ ｉ ｆ ｅ ｅｈ ｌ ， ｉｈ ａｇａ ６０ ４ ｈ ； ｎ ｇ ｎ ２ １ ｔ Ｉｓｔ ｅｏ Ｃ ｉ ｃｄ ｍ ｆ ｕ ｃ ｅｉ ｅＴｃ ｎｌ ｙ Ｂ ｉｎ ００ ６ ｈ ａ ．８ｈ ｎｔｕ ｆ ｈｎ Ａ ａｅ ｙｏ ｎ ｈＶ ｈｃ ｅｈ ｏ ｇ ， ｅ ｉｇ１０ ７ ，Ｃ ｉ ） ｉｔ ａ Ｌ ｌ ｏ ｊ ｎ
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Keywords
Cumulative Diagram, Monocular Vision, Parallax Figure, 3D Scene Reconstruction, NCC Algorithm, Seed Pixels
基于单目视觉的高精度三维场景重建 技术研究
金家梁，朱孟飞，姚拓中*，宋加涛
High Precision 3D Scene Reconstruction Based on Monocular Vision
Jialiang Jin, Mengfei Zhu, Tuozhong Yao*, Jiatao Song
Ningbo University of Technology, Ningbo Zhejiang Received: Jul. 24 , 2018; accepted: Aug. 7 , 2018; published: Aug. 14 , 2018
关键词
累积图，单目视觉，视差图，三维场景重建，NCC匹配，种子像素
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
Artificial Intelligence and Robotics Research 人工智能与机器人研究, 2018, 7(3), 112-121 Published Online August 2018 in Hans. /journal/airr https:///10.12677/airr.2018.73013
3. 场景高精度三维模型重建算法
3.1. 算法概述
首先，获取同一个目标的两张图片。然后，计算两幅图对应的特征点，利用这些特征点计算获取两 幅图像位置关系。接着，利用位置关系通过图像校正使得极线和扫描线的位置一致。最后，用一种基于 种子像素点扩张技术的立体匹配算法：随机选择任意一个像素点，视为初始种子像素，运用初始种子像 素通过计算可获得两幅视差图，再从两幅视差图中各自选取两个尺寸相同的窗口，通过比较两个窗口内 相同位置的像素值就可以获得高置信度的种子像素，我们对这个高置信度的种子像素进行扩张，可以大 大降低视差错误区域出现的可能性。 同时提出一种基于累积图的快速 NCC 匹配代价计算方法从而高效地 获得两幅图像对应的视差图，这样我们能得到快速准确的视差图。最后利用视差图和摄像机参数信息就 可以得到目标场景的高精度三维模型重建结果。算法流程见图 1。
3.4. 图像间相对位置计算
通过计算图像对对应的 SIFT 特征点得到一个齐次坐标集合，结合摄像机内参数 K，通过 8 点算法以 及 RANSAC 技术[14]可得到本质矩阵 E。最终利用矩阵 E 可以获得旋转矩阵 R 和平移矢量 T。 上述方法计算旋转和平移运动基于对代数误差的最小化，虽然速度较快但是缺乏几何意义。因此估 计得到的运动参数精度不高，影响下一步的图像校正过程。所以需要对运动参数进行优化，这里可以采 取非线性优化算法。本章使用的非线性优化算法基于极线约束关系，也就是说通过最小化 SIFT 特征点到 其所在的极线的距离来获得优化的运动参数。
金家梁 等
摘
要
近年来，随着计算机硬件的不断快速更新，计算机的处理能力也不断变强。同时场景三维模型的获取技 术越来越成熟，我们获得场景的三维模型数据的方式更多也更加方便了。而目前在基于单目和双目的三 维重建技术中，单目技术较双目操作简单、而且取材方面更有利于推向市场。本文主要讲述基于单相机 的三维重建，然后通过基于累积图的快速NCC匹配的种子扩张算法来进行高精度的三维场景重建。本章 对经典的NCC相似度量函数进行优化，以此减少计算时间。而种子像素扩张算法即先选择初始的种子像 素，利用视差图进行窗口比较从而获得高置信度的种子像素，因此大大降低了视差图的误匹配点。试验 表明，该方法能够得到高质量的三维场景模型。
DOI: 10.12677/airr.2018.73013 113 人工智能与机器人研究
金家梁 等
双目立体视觉的实时三维重建方法，从而获得致密的三维重建结果，但是立体视觉系统结构比较复杂。 中国科学院自动化研究所机器视觉课题组致力于视觉重建的发展和研究，他们利用多视角的高分辨率的 建筑物图像就可以自动获取建筑物三维模型[10]， 并将该技术应用在建筑保护方面。 微软研究院(Microsoft Research)在 2013 年推出了 Kinect Fusion 项目[11]，Kinect Fusion 利用 Kinect 传感器(深度相机)可以直接 得到目标场景的深度图像数据，将传感器绕着目标物体或场景移动就可以获得不同角度下的多组深度图 像数据并实时地构建场景三维模型。但是一开始传感器获取的数据会有很大的误差从而导致开头的重建 模型很不精确。 本章针对现有三维重建算法的运算时间和精度两大研究热点提出了基于累积图和种子像素提取算法 的高精度的三维重建系统。通过基于累积图快速 NCC 匹配算法来降低图像匹配的算法复杂度，从而大大 降低了运算时间。利用种子像素提取算法获得的高置信度的种子像素，有效地减少了误配点，使得重建 结果更加精准和真实。
3.5. 图像校正
每幅图像都有极线和扫浙描线，为了使这两者对齐需要进行图像校正。当图像中的某一个像素点与 对应图像中对应的像素点在同一扫描行上时，就使得图像匹配的问题得到简化，将匹配的复杂度从二维 搜索降低到一维搜索。利用已知的相机内参和图像间的位置关系，我们设置两幅图使其相互平行，最后 分别投影成新的平面图像。 图 3 显示了原图中的两幅图像进行图像校正并且进行了 SIFT 特征匹配的结果。 从匹配结果可以看出，
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Abstract
In recent years, along with the rapid updating of computer hardware, the processing capability of computer is also increasing. At the same time, 3d scene reconstruction technique has become more and more mature and we can get 3d model data for scenarios more easily than ever before. Now, in the 3d reconstruction technology based on monocular and binocular, monocular technology is simpler to operate than binocular technology and more convenient to acquire materials and more favorable to the market. This paper focuses on monocular based 3D reconstruction, the algorithm is used to reconstruct the 3d scene with a fast NCC algorithm based on the cumulative diagram. This paper improves the classic NCC similarity measures to reduce the computation time. Seed pixel expansion algorithm is presented to choose the initial seed pixels, use parallax to make window comparisons to obtain high confidence seed pixels, therefore, the mismatches of the parallax figure are greatly reduced. Experiments show that the method can reconstruct precise and clear 3d scenarios.
3.2. 摄像机内参数标定
首先要获得单目摄像机的内参以及畸变系数， 然后利用平面模板方法[12]计算相机内参数矩阵和镜头 非线性畸变系数即通过摄像机标定过程计算未知的摄像机内部参数矩阵 K 和非线性畸变系数 kc1、kc2。该 方法利用了位于同一高度上的特征点通过计算可以获得摄像机内参的二个约束等式这个方法。通过拍摄 不同位置的同一块标定板即可实现。
Figure 1. Algorithm flow diagram 图 1. 算法流程框图 DOI: 10.12677/airr.2018.73013 114 人工智能与机器人研究
金家梁 等
3.3. 图像采集和特征匹配
首先用摄像机对目标区域拍摄一幅图像；然后要求摄像机向与光轴指向基本垂直的方向运动一段距 离，然后再次拍摄目标区域。两次拍摄只要求都能看到目标区域。 由于两幅图像之间视角相差较大，需要使用 SIFT 特征匹配算法[13]，对两幅图片进行特征匹配。然 而一般的 SIFT 匹配比较粗糙，存在不少误配点，需要利用诸如 RANSAC 技术以减少错误点。特征匹配 原图见图 2。
2. 相关工作
自多视觉几何被提出以来，基于视觉的三维重建发展快速。Pollefeys [7]等人的三维重建系统使用自 带的单目摄像机绕着目标拍摄一系列的连续图像，通过处理这些图像来重建出三维模型，获取的图片越 多重建出效果就越真实。但是该算法比较复杂，耗时较长。Snavely [8]等人提出了一种基于无序互联网图 像序列的视觉重建方法，但是其并不能获得一个致密的三维重建结果。A Geiger [9]等人发明了一种录用日期：2018年8月7日；发布日期：2018年8月14日