隐式表达三维模型流水线的关键技术研究

【摘要】： 作为国家自然科学基金项目(项目号:60275012),广东省普通高校自然科学研究重点项目(项目号:04Z010),以及深圳市科技计划项目(项目号:200341)的重要研究内容之一,本论文旨在隐式表达的框架下,围绕三维数字成像及造型流水线中涉及的三个核心技术,即三维系统标定、多视点深度图像的匹配以及多视点深度图像的合成,从理论上和实践上进行深入系统的研究与探讨。 论文的主要研究内容和取得的主要研究进展有: 1.分析并论证了根据径向基函数插值构造变分隐式曲面进行曲面重建的优缺点,并在此基础上确定了基于隐式表达的匹配和合成多视点深度图像的研究方案。以实验室搭建的三维扫描器为工具实现三维建模流水线的标定、匹配和合成三个过程。 2.设计点阵图案,利用位错点阵成像原理和基准传递概念标定三维扫描器,为重建三维模型提供精确数据。实验结果表明,经过标定的三维扫描器,对300×300×80mm~3的测量体积内,可以获得X方向的标准差为0.288mm,Y方向的标准差为0.238mm和Z方向的标准差为0.292mm的测量精度。 3.估计三维扫描器在多个视点的位置姿态,以此作为多视点深度图像匹配的初值。将数字投影仪的投射过程,当作摄像机成像的逆过程。提出了“相位-坐标”的变换方法,利用投射正交的条纹图,快速寻找成像平面和投影平面上的对应点。将极线几何约束原理应用于主动三维视觉系统,并在考虑到采样数据受噪声影响的条件下建立了优化多视点位姿估计的数学模型。通过求解所建立的数学模型可以获得三维扫描器在多视点的位置姿态的优化估计。同时,此模型还可以应用于同步自标定三维扫描器的设备参数。这种方法不需要任何已知三维坐标的标定参照物,改善和提高了三维扫描器的实用性。 4.针对同类合成方法中经常用到的符号距离函数,在向量空间进行了严格和系统的数学公式化证明和明确的几何解释,并在此基础上利用“最小二乘逼近深度曲面上的点到等值面上的对应点的距离”和“空间向量图解”的方法建立一个广义且规范的隐式曲面方程。重新解释设置“权函数”的标准以及隐式曲面造型中的其他一些几何关系,将相邻视点间的关系和深度图像采样点的可靠性考虑到权函数里,合成多个视点生成的变分隐式曲面。