3D圖像的獲取及其復原

3D圖像的獲取及其復原

2017-01-31 劉佳紅長春理工光學測量

一 什麼是3D圖像

3D是three-dimensional的縮寫，在計算機里顯示3D圖形，就是說在平面里顯示三維圖形。不像現實世界裡，真實的三維空間，有真實的距離空間。計算機里只是看起來很像真實世界，因此在計算機顯示的3D圖形，就是讓人眼看上就像真的一樣。人眼有一個特性就是近大遠小，就會形成立體感。 計算機屏幕是平面二維的，我們之所以能欣賞到真如實物般的三維圖像，是因為顯示在計算機屏幕上時色彩灰度的不同而使人眼產生視覺上的錯覺，而將二維的計算機屏幕感知為三維圖像。基於色彩學的有關知識，三維物體邊緣的凸出部分一般顯高亮度色，而凹下去的部分由於受光線的遮擋而顯暗色。這一認識被廣泛應用於網頁或其他應用中對按鈕、3D線條的繪製。

二 如何獲取3D圖像

獲取真實對象的3D圖像關鍵在於獲取物體表面採樣點的立體坐標，尤其是深度數據，相對於傳統的鏡頭＋相機裝置，需要一些特殊的技術。實現這類功能的設備，有三維掃描儀（3D Scanner）、三維數字化儀（3D Digitizer）、深度感測器（Range Sensor）、自動抄數機、三維測量儀等多種名稱。

3D圖像獲取技術多種多樣，從應用目的來說，有單點三維坐標測量（測距）、面形測量（點雲－3D 數字模型－CAD模型）、外表面完全測量（點雲－3D 數字模型－CAD模型）、內部結構測量、大視場三維測量等。從技術實現模式上來說，又可以分為主動式、被動式，也可分為接觸式、非接觸式。

目前，在3D圖像獲取領域，基於計算機視覺的方法是主流技術，主要包括結構光（編碼光）方法和立體視覺兩大類。

(1) 基於計算機視覺的方法

立體視覺法

立體視覺法原理

立體視覺直接模擬人類雙眼處理景物的方式，能一次獲得視野範圍內的深度信息，受物體表面反射特性影響小，不接觸物體，不需要附加光源，成本較低，且對於使用環境要求較寬鬆，測量範圍寬，既可獲取小範圍的三維信息，也可用於大範圍的測量，可靠簡便，在許多領域均極具應用價值，如機器人視覺感知系統、物體表面三維坐標測量、系統的位姿檢測與控制、導航、航測、三維測量學等。除雙目立體視覺外，發展了三目甚至多目立體視覺系統。這種方法存在遮擋等問題，最困難的是當物體表面圖案單一時，很難找到足夠緻密的對應點。

結構光和編碼光方法

結構光方法((Structured Light)是一種主動式光學測量技術，其基本原理是由結構光投射器向被測物體表面投射可控制的光點、光條或光面結構，並由圖像感測器(如攝像機)獲得圖像，通過系統幾何關係，利用三角原理計算得到物體的三維坐標。結構光從光源的幾何形狀上說有點狀、條狀、網狀等許多種，可以採用激光或白光。結構光測量方法具有計算簡單、體積小、價格低、大盆程、便於安裝和維護的特點，在實際三維輪廓測量中被廣泛使用，但是測量精度受物理光學的限制，存在遮擋問題，測量精度 與速度相互矛盾，難以同時得到提高

結構光示意

結構光方法還有一類測量方法，原理是將光柵圖案投射到被測物表面，受物體高度的調製，光柵條紋發生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調製的空間載波信號。採集變形條紋並且對其進行解調可以得到包含高度信息的相位變化，最後根據三角法原理計算出高度，這類方法又稱為相位法。基於相位測量的三維輪廓測量技術的理論依據也是光學三角法，但與光學三角法的輪廓術有所不同，它不直接去尋找和判斷由於物體高度變動後的像點，而是通過相位測量間接地實現，由於相位信息的參與，使得這類方法與單純光學三角法有很大區別

相位法示意

編碼光方法

所用的計算模型與結構光類似，但通過時間、空間、彩色編碼的光源幫助來確定物體表面的空間位置。光纖CDMA通信所使用的擴頻序列稱為光正交碼，屬於光編碼技術的一種

編碼光方法

其它方法

接觸法這種方法用可以精確定位的探針去逐點接觸物體表面，測得被接觸點的空間坐標。探針在物體表面掃描一遍，可以得到物體表面各點的坐標。傳統的三坐標測量機就是基於這一原理。這種方法原理簡單，量測精度高，但裝置複雜，量測速度慢。FARO、Immersion等公司將探針的伺服機構改為可以精確定位的隨動式機械臂，由人牽引著裝有探頭的機械臂在物體表面滑動掃描，其基本原理雖然不變，但裝置簡化，速度和靈活性得到很大的提高，成為很有吸引力的新產品。 基於這一原理的設備一般難於獲得物體表面的顏色。將結構光模組安裝在機械臂上，可實現多方位掃描測量，解決物體表面形狀複雜帶來的遮擋問題，這種模式是當前在技術原理上最為成功和實用的三維圖像獲取方法。 ?

雷達法 又稱為飛點法（Flying Spot）或飛行時間法（Time of Flight，簡稱TOF）。這類方法由測距器主動向被測物體表面發射探測信號，信號遇到物體表面反射回來，測量信號的飛行時間或相位變化，可以推算出信號飛行距離，從而得到物體表面的空間位置信息。一次測量一個點，通過掃描運動活動獲得物體面形的完整數據。這種方法不涉及圖象處理問題，且受遮擋的影響小，但對裝置中的脈衝探測和時間測量設備精度要求高，掃描速度慢。且較難獲得物體表面顏色和紋理信息。 ?

共焦法 根據高斯薄透鏡公式，已知焦距和像距，可以計算出物體到透鏡的距離，移動透鏡，通過判斷聚焦情況，可以得到曲面表面形貌的信息。

作為共焦法的改進，近年發展了光譜共焦式深度感測器。探頭由光源和特殊的光學透鏡組構成。透鏡組將光源發出的多色平行光（白光）進行光譜分光，形成一系列波長不同的單色光，同時再將其同軸聚焦。由此在有效量程範圍內形成了一個焦點組：每一個單色光波長的焦點都對應一個軸向位置。在被測物體表面上聚焦的單色光又被反射回到感測器的控制器，利用控制器內的光譜分析儀確定該反射光的波長，從而確定被測表面的相對高程位置。這種方法理論上對深度測量的精度可以達到的光波長量級。

三 如何復原3D圖像

3D圖像的復原就是由2D圖像恢復場景目標即3D信息，2D轉3D立體有不同的方案可以實現，最終效果當然也是參差不齊，目前的2D轉3D立體效果最好的當屬模型重建技術。所謂模型重建技術，就是還原拍攝畫面的場景後，將畫面中的元素進行建模處理，類似maya、max之類的三維軟體建模，形成真正具有Z軸縱深的三維圖像，而不是在二維的平面圖上處理。這樣轉換的優勢非常明顯，還原成模型之後可以隨意的進行調整，靈活度較大而且效果最為逼真。簡單來講，還原成模型之後，等同於在現場進行實拍，甚至是超越實拍所受限制，形成較為出色的3D立體效果。

（1）基於深度圖的3D合成

由於人具有視覺經驗和視覺記憶，這些因素構成了人眼的心理立體視覺。當人眼在觀看一幅平面彩色立體圖片的時候，可以根據圖片上的內容判斷其中物體、人物之間的距離關係,而這種判斷通常十分準確，這說明平面圖像中儘管不存在能用人的雙眼視差異等生理立體視覺識別的深度信息,卻存在著其它的深度暗示，如運動視差、聚焦/散焦、線性透視、大氣散射、陰影、遮擋、相對高度以及相對大小等，這些暗示信息是人類對自然景物長期觀察而得到的一種立體視覺記憶和立體視覺經驗,依靠這種視覺記憶和經驗,觀察者能夠從平面圖像中準確地提取出物體間的相對位置和相對深度,人眼的這種立體視覺被稱為心理立體視覺。根據人眼的這種特性，可以將平面圖像中的深度信息提取出來，再結合原始左視圖合成出右視圖，這樣，合成出的右視圖與原來的左視圖存在視差，將兩幅視圖合成後通過3D顯示設備即可得到具有3D效果的立體圖。

深度圖

（2）基於3D結構重建的3D合成

結構重建技術是計算機視覺中一個重要的研究方向，廣泛應用於古迹重建，電影製作，城市建模等領域。由於這種技術可以從靜止的場景、運動的攝像機拍攝的圖片集中獲取場景的深度線索，正好符合2D/3D轉換方法中的一類情況。所以我們對這種技術在2D/3D轉換中的應用做了深入的研究，提出了一種分段化結構重建框架，力求解決一部分場景視頻的轉換問題。

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