计算机三维重建技术发展与应用

计算机三维重建技术发展与应用

[摘要] 叙述了三维重建的社会背景及三维重建研究的重要意义。提出了利用三维重建技术建立专家系统,对工程图二个视图的识别与匹配实现智能识图,重建三维模型,通过判断反馈系统,实现人机交互,是一种比较理想的ICAI系统。

[关键词] 计算机；三维重建技术；发展；应用

一、三维重建的发展现状

三维重建长久以来一直是计算机视觉中的一个热门研究领域，它的目标是构建出真实世界对象的数字化表示，并将其在屏幕上显示出来，并给人以真实的感觉。西方的发达国家在三维建模方面的研究起步更是远远早于我们中国，而且他们研究得也比我们深入。日本，美国和英国、法国、德国等国在该方面研究较多

国外在三维重建方面研究最多的国家属日本,近年来，我国在该研究领域逐渐加强了重视程度，真实感的模型三维重建的研究一直关注在如何利用图序列恢复真实物体的三维几何信息和纹理信息，而具有照片级真实感的(Photo一Reallstic)三维模型重建更加人关注。因为照片级真实感的三维模型可以广泛应用在文化遗产保护、文物研究以及动画电影制作等数字娱乐领域，并拥有很乐观的应用前景。

二、计算机三维重建的时代意义

计算机三维重建是计算机辅助设计与计算机图形学中一个重要的研究领域，实现了物体的三维空间点云稀疏重建与稠密重建，并对点云后处理以及基于多幅图像的三维重建。图像的三维重建是综合计算机视觉、图像处理和计算机图形学等学科知识的新兴技术，它具有二维图形所不可比拟的特质，其模型可以从多个不同的角度进行直观的观测、并且具有逼真的效果、达到实时虚拟、实时互动等。使用相机等工具获取景物的多角度图像，通过图像处理、空间几何等知识估计物体几何结构，通过物体的两个以上二维投影图的输入后,计算机进行了自动检索,获取物体的二维几何信息和拓扑信息,并建立起三维立体模型。

面对现代化生产的快速发展和需求，三维建模能够应用在减少设计费用和缩短设计周期等方面，并且能够为社会生活创造出巨大的经济效益。因此，三维建模是一项前景十分有趣又诱人，可以应用到很多领域，有着很高的研究和利用价值。

三、三维建模方法及分类

基于图像的三维真实感模型的重建主要有两个工作，首先要从图像中提取物体的几何特征，建立起物体的几何拓扑结构，然后再从图像中提取物体的纹理信

息并把这些信息与相应的几何结构进行映射，从而生成一个包含完整几何和纹理信息的模型。图像的三维建模主要涉及到计算机视觉、计算机图形学、图像处理、虚拟现实等研究领域，根据其研究方式的不同，可以把它划分为基于图像的绘制和建模方法、基于几何的建模方法及它们的混合建模方法等。

1、几何元素分层重建方法

几何建模方法就是对物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理基础上的。其思想主要来源于实体模型,对于实体模型,我们先研究它的基础模型，如线框模型和表面模型。线框模型像借用金属丝框架来描述几何形状那样,将棱线、轮廓线、交线等表示立体形状特征的线作为形状参数表示三维立体。这种模型称为线框模型。线框模型的数据结构简单,所以具有计算机处理速度快的特点。但是用线框模型表示的立体在计算机内是用线相关的信息来表示的,表示形状特征的信息不够充分。而且用这种模型来求体积,重量等质量参数或者进行隐线消除,都是无法实现的。基于几何建模的方法通常利用成熟的三维造型软件(如Auto CAD, ads max)手工搭建模型，以ads max为例，它除了一些基本的建模、材质、动画、渲染外，还有几百个外挂的特技效果模块，其中的NUBRS 建模工具可以建立各种各样复杂的空间曲面，而且可以实时显示，并能够导入到OpenGL 环境中。由三维软件建模工具进行建模可操作性强，简单直观，视点自由，但是这种方法要求使用者有较强的先验知识，在进行大规模场景建造时，工作量大，结果也不够精确。因此，人们开始对建模技术进行进一步的探索。几何建模可以进一步划分为层次建模法和面向对象建模法。

2、模型引导识别重建方法

基于图像的建模与绘制方法(IBMR，Image-Based Modeling and Rendering)，是近年来的发展热点。IBMR 不是使用传统的基于几何建模所使用的几何图元来进行建模的，它而是利用一组采样的图像来建立虚拟现实模型的。基于图像绘制的方法一般做法是首先需要采集场景的大量照片，并将这些照片拼接成球面或柱面全景图，再根据视点来确定使用什么样的具体全景图，并且还要根据该视点的视线方向绘制出最终的图像。这种方法具有真实的场景效果，由于其使用了真实场景的照片，因此绘制的虚拟场景具有较强的沉浸感。IBM 就是利用图像来建立景物的几何模型，IBM 使用的图像包括照片、视频序列、计算机生成的图形甚至是绘画。基于图像的建模与绘制方法主要目的是重构三维几何结构，并且由二维图像恢复景物的三维几何结构。

3、基于体切削重建方法

基于图像的建模与绘制方法本来主要是用于计算机视觉的研究内容，现在由于它的广阔应用前景，计算机图形学和计算机视觉方面的学者和专家转向该研究领域。一般包括图像获取，相机标定，图像匹配，三维重建等几个重要步骤Markowsky[2]和Wesley[2]提出了一个适合任意多面体的重建算法。这一算法可生成满足输入三视图的多个解。Gu[3]部分地解决了平面体和柱面体的重建问题。将柱面体轴的自由度放宽到与某一坐标面平行。在三维重建中，由于场景的复杂

性和人们不断苛刻的视觉效果要求，需要得到稠密的景物表面深度信息，基于点的欧氏三维重建在速度和效果方面都显得较差，若想得到稠密的、高精度的图像信息的同时又具有很快的速度，稠密匹配算法在这方面显示了其优越性。

近年来，真实感的模型三维重建的研究一直关注在如何利用图片序列恢复真实物体的三维几何信息和纹理信息。因此，基于图像的三维真实感模型的重建主要有两个工作，首先要从图像中提取物体的几何特征，建立起物体的几何拓扑结构，然后再从图像中提取物体的纹理信息并把这些信息与相应的几何结构进行映射，从而生成一个包含完整几何和纹理信息的模型。本文首先详尽研究了第一项工作的目前一些进展和研究成果，综合了一些效果较好的方法完成了物体几何信息的重建，如何更好的恢复物体纹理信息，使重建模型更具真实感，在以后的研究中我们再详细探讨。