曲面重建——基于轮廓线的旋转曲面三维重建

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1、第一章绪论随着虚拟现实技术、工业制造业、医疗辅助设备等各个领域的快速发展，对曲面重建技术应用的需求逐步增大。因此，如何快速的获得曲面模型成为计算机图形学及计算机视觉领域的研究人员长期以来努力的目标。目前，曲面重建技术在当前国内各项领域发展较为迅速。譬如，在医疗方面，较为典型的是多层螺旋CT曲面重建在肋骨不全骨折中的应用，由于多层螺旋CT在扫描速度、范围、图像分辨率及后处理等方面功能较优，并且CT轴位扫描具有不受部位厚薄、体位及投照条件的限制等特点，所以可提供的影像信息更加丰富、准确【l】；在工业应用方面，基于数字摄影测量理论，利用投影器和CCD相机，对工业领域中的小型工业零件，如钣金件

2、的三维曲面重建进行了深入的研究【21；此外，还有目前应用较为广泛的真实感人脸模型的细分曲面重建，提出一种利用两张正交照片和细分曲面进行真实感三维人脸建模的方法，并实现了不同模型间的三维变形。为了构造个性化的人脸几何模型，将网格简化、自由曲面变形和细分结合起来，得到多个层次细节下的人脸模型，再经过纹理融合和映射，完成个性化的真实感三维人脸建模，同时利用线性插值实现了同拓扑真实感模型间的光滑变形【3】。实验结果表明：该方法不仅可以进行有效的真实感三维人脸建模，而且变形简单流畅，具有广阔的应用前景。综上，所有关于曲面重建的相关技术都在不同的领域促进了经济的发展，所以，对于这一科研应用领域的进

3、一步探索是具有现实和长久意义的。目前，在工业、制造业中广泛涉及的曲面重建可以分为如下两类：一类是自由曲面的重建，这类曲面需要较多的几何参数去精确的表示其形态，其常用的重建方法是三角Bezier曲面拟合或直接利用三角网格离散曲面【41；另一类是特殊二次曲面的重建，譬如，常见的柱面，球面、锥面等旋转曲面。本文将立足于上述诸多领域中的旋转曲面的三维重建，进行深入的研究。1．2国内外研究的现状1．2．1三维重建技术综述客观世界在空间上是三维的，而现有图像采集装置所获取的图像是二维的。尽管图像中含有某些形式的三维空间，但要真正在计算机中使用这些信息进行进一步的应用处理，就必须采用三维重建技术从二

4、维图像中合理地提取并表达这些三维信息。三维重建技术能够从二维图像出发构造具有真实感的三维图形，为进一步的场景变化和组合运算奠定基础，从而促进图像和三维图形技术在航天、造船、考古、工业测量等领域的深入广泛的应用。三维信息获取的技术手段多种多样，通常，人们获取物体三维模型的方式有三种，江南大学硕士学位论文下面将对这三种方法及其优缺点进行分析【5J。第一种方法是利用建模软件构造三维模型。目前，在市场上比较知名的建模软件有3Dmax、Maya以及AutoCAD等等。它们的共同点在于利用一些基本的几何元素，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸以及布尔运算来构建复杂的几何场景。其优点是可以精确地

5、构建出许多人造物体的三维模型，生成一些奇异的渲染效果。缺点是对这些软件的操作比较复杂，建模周期较长，同时需要熟练的操作人员，从而提高了制作成本。第二种方法是通过仪器设备获取三维模型。如各种深度扫描仪(rangescanner)等等。这些设备利用激光、超声波或者红外线测距，能够获得比较精确的三维数据，且使用比较方便，建模所需时间较少。但是其缺点在于设备一般比较昂贵，且携带不便。第三种方法是利用图像或者视频来重建场景三维模型。图像是二维数据，但是在关于某一场景或物体的一幅或者多幅图像中可以找到许多线索，从中人们可以推知图像所记录的场景或者物体的几何信息。这些线索包括物体边与边之间的几何关系

6、、两幅图像的视差关系、两幅图像中特征点的对应关系以及物体轮廓信息等等。这些线索是场景中物体所具有的，称为“被动线索"。有时候根据需要还可以创造线索，如在物体表面上用光线打上条纹或者制造出阴影，这样的人造线索称之为“主动线索"。对于使用主动线索的方法而言，可分为以下两类：一类是利用场景中已知形状的物体或者某些简单几何元素之间的关系进行建模；另一类是使用物体的轮廓信息。被动法是在自然光照条件下获得三维信息的方法，其中包括：阴影恢复形状法、纹理恢复形状法、手动交互操作法；基于多幅图像的三维重建方法包括：立体视觉法16'7】、运动图像序列法、光度立体学方法15’8J等。以上所述如图1．1来表示

7、：图1-1三维重建技术Fig．1·13Dreconstructiontechnology2第一章绪论1．2．2基于图像的旋转曲面三维重建技术现实生活中，许多物体的形态都表现为旋转体。譬如，在古文物中有许多陶瓷制品的形态都表现为旋转体；在工业测量中，许多工业零件都是旋转体或者由旋转体组成的。目前，在计算机视觉领域已经存在一些旋转体重建方法，如基于传统摄影测量技术中的中心、像点、物点三点共线原理进行的旋转体三维测量和重建方法[9,10】，但是由于旋