基于彩色光度立体法的非刚性体三维数字化研究

摘要

随着多媒体技术的发展，非刚性体的三维重建技术在电影特效、三维游戏、人机交互等越来越多的领域被得以关注，其研究意义与商业价值逐渐凸显出来。但因非刚性体具有物理特性复杂，容易形变等特点，传统的三维重建方法对其表面的恢复是非常困难的。本文从传统光度立体法着手，通过对光度模型与相机模型的深入分析，提出一种基于彩色光度立体法的非刚性体三维重建方法，实现了对单色以及彩色花纹的非刚性体的三维重建。此外，为得到完整的三维数字化模型，本文对三维点云的拼接技术也做出了一定的研究。主要工作总结如下：
　　（1）单色非刚性体三维数字化。传统光度立体法在三维重建的过程中需要分时采集至少三幅图像，因此不能用于随时都可能发生形变的非刚性体。为了解决这个问题，首先建立了由三基色(R、G、B)组成的彩色光度立体系统，由于单色物体上被彩光投射的颜色都可以被线性的分解到三基色上，所以在此环境中只需一幅图像就可以实现重建，从而可实现对非刚性体视频序列中每帧图像的三维重建。其次，利用采样球实例驱动的方法建立起亮度与法向量的对应关系，并以此计算出每一点所对应的法向量。最后通过几何约束实现从法向量到深度值的求解，最终得到被测物体的2.5维点云数据。
　　（2）彩色花纹非刚性体三维数字化。针对光度立体法的研究大多只停留在单色物体上这一缺点。本文对上述方法做了改进以适用于彩色花纹的非刚性三维重建。首先，对于双色花纹物体，通过区域分割的方法将被测物体和采样球都分割成两个不同区域，根据采样球建立具有不同区域的两种关系，并把这种关系运用在相对应的被测物体区域上。其次，对于多色花纹物体，通过不同颜色花纹在白光下的反射系数比将彩色区域替换成与纯色采样球颜色一致时的对应亮度，实现了对其三维数字化。
　　（3）全局点云拼接。为得到完整的重建模型，本文对全局图像的采集以及点云拼接技术做了一定的研究。首先采用四个不同视角的相机对被测物进行分时轮转采集，并根据上述方法求解出对应2.5维点云数据。然后对得到的四组点云数据采用相邻轮廓之间约束进行粗拼接。最后对粗拼接的结果采用ICP算法进行精确拼接，最终得到一个全局的三维点云数据。
　　本文以非刚性体中最典型的布料作为实验对象。仿真和实验结果表明，彩色光度立体法可以实现非刚性体视频序列的三维重建，不仅速度快，而且精度较好。由于采样球求解亮度与法向量之间对应关系的方法考虑到更多的反射面信息，所以求解出的关系矩阵更加准确。相比单色非刚性体，彩色花纹非刚形体的重建结果精度稍差，尤其在真实环境下区域边界处的噪点较多，但整体效果较为理想。总之，本文以较为简单的方法实现了具有彩色花纹的非刚性体动态三维数字化重建，具有较好的使用范围和运用前景。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1 研究目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作及章节安排

2摄像机模型及光度立体法理论

2.1摄像机成像几何模型

2.2光度反射理论及模型

2.3本章总结

3单色非刚性体三维重建

3.1传统光度立体法

3.2彩色光度立体法

3.3通过采样球求解法向量

3.4通过法向量求解深度值

3.5 系统搭建与测量环境优化

3.6 实验研究

3.7本章总结

4彩色非刚性体三维重建

4.1双色花纹

4.2多色花纹

4.3实验研究

4.3本章总结

5全局三维重建

5.1全局重建系统设计

5.2粗拼接

5.3精确拼接

5.4 实验研究

5.5本章总结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明