SIGGRAPH2017：山東大學陳寶權團隊等用水做3D重建

超越 3D 激光掃描，用水「看見」光看不見的部分，將 3D 形狀建模轉換為體積問題

新智元報道

來源：rc.cs.sdu.edu.cn/3dshape/

報道：聞菲

【新智元導讀】中國山東大學陳寶權教授率領北京電影學院未來影像高精尖創新中心和山東大學研究團隊，聯合以色列、加拿大的研究人員，提出了一種新穎的 3D 物體形狀重建法，將液體（水）作為獲取物體形狀的介質，巧妙地把 3D 形狀獲取轉化為體積問題，類似用水對物體做 CT。新的方法比常用的激光掃描更先進，能夠準確重建物體隱藏部分，應用範圍廣，性價比高。

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說起 3D 物體形狀重建，你可能首先想到了先進的激光掃描儀。但是，最近一項在 SIGGRAPH 2017 發表的研究卻另闢蹊徑，用水（而非光）這一介質來獲取物體表面，將 3D 物體表面建模的任務轉化為體積問題，成功將目前的 3D 形狀建模技術向前推進了一步。這種新的方法可以準確重建物體中的隱藏部分，比常見的 3D 激光掃描先進很多。

相關論文《基於浸入轉換 3D 形狀重建》（Dip Transform for 3D Shape Reconstruction） 由陳寶權教授率領北京電影學院未來影像高精尖創新中心和山東大學研究團隊，聯合以色列特拉維夫大學、內蓋夫本·古里安大學（Ben-Gurion University），還有加拿大英屬哥倫比亞大學的研究人員合作完成，成果獲得了包括 Science Daily、phys.org 在內的多家國外科技媒體的報道。

論文：基於浸入轉換的 3D 重建

作者：

Kfir Aberman*, 北京電影學院未來影像高精尖創新中心（AICFVE），特拉維夫大學

Oren Katzir*, AICFVE，特拉維夫大學

周強，山東大學

羅澤剛，山東大學

Andrei Sharf，內蓋夫本·古里安大學，AICFVE

Chen Greif，英屬哥倫比亞大學

陳寶權，山東大學

Daniel Cohen-Or，特拉維夫大學

全新的數據獲取方法：將 3D 物體形狀建模轉化為體積問題

這項研究最大的突破就在於能夠方便地測量物體看不見的部分，研究負責人山東大學計算機學院院長、北京電影學院未來影像高精尖創新中心首席科學家陳寶權教授在接受新智元採訪時說。

傳統 3D 掃描和形狀建模方法基於光學設備，最常見的是使用激光掃描儀和攝像頭對物體表面進行掃描。但是，這樣做有一定的局限，比如光線照不到的地方無法取樣，縫隙、微小突起等結構取樣不完整，還有透明等特殊的材料難以處理。

為了解決這些問題，研究人員將液體作為獲取物體形狀的介質，將物體浸入水中，測量物體的排水量，然後利用這種體積上的信息重建物體的表面形狀。這時，使用液體（水）的優勢就體現了出來，水能很好地貼合複雜的表面，還能滲透到空腔里，計算排水量也不需要考慮光線的折射率和偏振等問題，輕鬆繞過了光學設備面臨的種種限制。

實驗中，研究人員製作了一套簡便的「3D 浸入裝置」——用機械臂夾住物體，將物體浸入水槽，然後測量水位上升變化的曲線，得出沿當前角度浸入水中的物體的橫截面。這樣，通過多次將物體以不同角度浸入水中，研究人員就能得出物體多個橫截面的信息，進而精確地計算出物體的幾何形狀，包括平時激光掃描儀很難捕捉到的部分。

以不同角度將 3D 大象浸入水槽，記錄排水信號，得到不同橫截面的信息：左邊代表 20°、50°、90°和 130°浸入的正弦值，右邊代表形狀重建的結果。來源：irc.cs.sdu.edu.cn

以不同角度浸入物體，浸入次數越多，浸入轉換重建的結果也越精確：（從左到右）浸入 100 次、500 次和1000 次的結果。來源：irc.cs.sdu.edu.cn

用水做 CT：結果精確，應用範圍廣

這種方法讓人想起了計算機斷層成像（Computed Tomography），也即平時說的 CT。不過，CT 設備體積龐大，而且只能在特定的環境中使用，成本也很高。相比之下，研究人員提出的浸入轉換法以較低的計算成本生成完整的形狀，性價比高，而且應用範圍更廣。

「只要是能浸入水槽的物體，不論多大，都能進行重建。」陳寶權教授告訴新智元。此外，浸入轉換裝置搭建起來也很簡單。

論文中，研究人員還展示了其他複雜 3D 形狀重建的示例。實驗表明，浸入重建的結果與幾乎與原始的 3D 模型一樣。

3D 浸入重建比較：（a）浸入期間的物體，（b）3D 列印的物體，（c）結構化光掃描重建的結果，（d）使用浸入機器進行 3D 重建的結果。可以發現，在隱蔽和複雜部分的重建上，3D 浸入是優於結構化光掃描的。來源：irc.cs.sdu.edu.cn

不僅如此，為了改善浸入轉化法數據採集速度較慢的問題——機械臂一步一步垂直浸入物體，而且必須每一步都讀數，研究團隊正在開發新的方法，比如連續浸入和讀取，或者基於壓縮感測的稀疏恢復技術。

研究人員表示，利用多模式的形狀獲取，比如結合激光掃描和浸入變換，我們能夠進行更加精確的 3D 形狀重建。

了解更多：http://irc.cs.sdu.edu.cn/3dshape/

英文報道

3-D scanning with water

https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170721131954.htm

相關論文

K?r Aberman, Oren Katzir*, Qiang Zhou, Zegang Luo, Andrei Sharf, Chen Greif, Baoquan Chen, and Daniel Cohen-Or. 2017. Dip Transform for 3D Shape Reconstruction. ACM Trans. Graph. 36, 4, Article 79 (July 2017), 11 pages. DOI: http://dx.doi.org/10.1145/3072959.3073693

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