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1、三維重構(gòu)

1.1、三維重構(gòu)到底是什么？

? 首先要了解立體匹配算法，首先要知道立體匹配算法主要具體應(yīng)用于什么方向。

三維重構(gòu)又被稱為三維重建，百度百科中對它的定義為：指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數(shù)學(xué)模型,是在計算機環(huán)境下對其進(jìn)行處理、操作和分析其性質(zhì)的基礎(chǔ),也是在計算機中建立表達(dá)客觀世界的虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。?

? 在計算機視覺中, 三維重建是指根據(jù)單視圖或者多視圖的圖像重建三維信息的過程. 由于單視頻的信息不完全,因此三維重建需要利用經(jīng)驗知識. 而多視圖的三維重建(類似人的雙目定位)相對比較容易, 其方法是先對攝像機進(jìn)行標(biāo)定, 即計算出攝像機的圖象坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的關(guān)系.然后利用多個二維圖象中的信息重建出三維信息。

? 個人認(rèn)為，三維重構(gòu)就是通過計算機視覺技術(shù)，將現(xiàn)實世界中物體的三維信息獲取到計算機中的過程，使物體的三維信息能夠通過點云、網(wǎng)格等形式，顯示或是儲存在計算機中。(如點云的pcd格式文件保存形式、以及利用Gemagic等軟件進(jìn)行點云的可視化處理等。)

三維數(shù)據(jù)需要通過三維重建技術(shù)獲得。廣義三維重建是指通過測量工具與解算方法，獲取目標(biāo)局部點、三維坐標(biāo)、面三維結(jié)構(gòu)乃至整體三維模型；狹義三維重建指通過重建技術(shù)，獲取包括結(jié)構(gòu)、紋理、尺度等的目標(biāo)完整三維信息。

1.2、三維重構(gòu)具體有什么用？

? 在閱讀文獻(xiàn)的過程中，文獻(xiàn)提到了三維重構(gòu)被廣泛應(yīng)用于無人駕駛、物體導(dǎo)航、無人機避障、醫(yī)學(xué)診斷、逆向工程、文物保護(hù)、精密儀器測量等方面。提到的這些方面的應(yīng)用雖然能夠給人一種模糊的印象，但是還是不夠具體。因此在此，我想嘗試揭開他的神秘面紗。

1.2.1、無人機避障與無人駕駛

? 三維重構(gòu)在這兩種領(lǐng)域的應(yīng)用主要在于三維地圖的構(gòu)建，具有代表性的是SLAM中的建圖、以及視覺測距等。(SLAM，即定位與地圖構(gòu)建。問題可描述為：將一個機器人放入未知環(huán)境中的未知位置，是否有辦法讓機器人一邊移動一邊逐步繪制出此環(huán)境完全的地圖，所謂完全的地圖(a consistent map)是指不受障礙行進(jìn)到房間可進(jìn)入的每個角落。)其中機器人的主體由無人機、無人汽車、移動機器人等替換。

? 其中一種解決無人機避障問題的方法是對無人機到障礙物的距離進(jìn)行測量。?其中可運用視覺避障方法從二維的圖像中獲取三維信息，獲得障礙物的深度圖像。在避障的過程中，利用SLAM獲得了場景模型，在機載計算機里用算法去搜索優(yōu)化的避障路徑。

三維重建在SLAM中主要是視覺SLAM應(yīng)用，主要利用外部傳感器獲知環(huán)境信息。其中相機是常用的傳感器之一，相機又分為三種，分別為：單目相機、雙目相機、RGB-D相機等。

單目相機對于三維信息的提取效果較差，因此主要使用雙目相機與RGB-D相機。其中雙目相機則是通過左右眼圖像的差異來判斷場景中物體的遠(yuǎn)近，能直接提取完整的特征數(shù)據(jù)，但是計算量復(fù)雜。而RGB-D相機，可同時獲取圖像彩色信息和深度信息，是一種實用的獲取三維信息的工具。視覺傳感器很好地利用了豐富的環(huán)境信息，實現(xiàn)了從早期二維地圖到三維地圖的轉(zhuǎn)化，豐富了地圖信息，但是在現(xiàn)實環(huán)境下還存在很大的魯棒性和高適應(yīng)能力技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2.2、醫(yī)學(xué)診斷

醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)主要應(yīng)用于面繪制、體繪制、醫(yī)學(xué)三維可視化系統(tǒng)等方面。主要是計算機斷層掃描(CT)、核磁共振(MRI)、超聲波等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，使得感興趣區(qū)域CT、MRI圖像的三維重建成為可能。

利用重建軟件，如中國科學(xué)院開發(fā)的一款用于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)的分析和處理的軟件3DMed，可以處理各種醫(yī)學(xué)圖像，包括計算機斷層掃描圖像，磁共振成像和原始格式圖像。以MRI為例，如可以通過研究對獲取的MRI圖像進(jìn)行分割、三維建模和顯示，可以輔助醫(yī)生對疾病的判斷和制定治療的方案。與雙目視覺重構(gòu)相比，獲取圖像的方式較為不同。

1.2.3、三維測量

運用在測量的三維重構(gòu)方法屬于非接觸式測量方法，比起三坐標(biāo)測量機等接觸式測量方法更能滿足各類不同的測量需求。其中三維重構(gòu)方法又分為主動式測量與被動式測量方法。主動式測量是利用投射結(jié)構(gòu)光等(如編碼結(jié)構(gòu)光、散斑等)，運用直接三角法進(jìn)行重構(gòu)測量。而被動式測量法可基于不同視角的測量法，通過不同角度獲取圖像，根據(jù)視差恢復(fù)待測物體的三維信息，其基本原理是雙目交會測量。

雙目交會測量使用兩臺相機從不同角度對待測目標(biāo)進(jìn)行拍攝，在相機內(nèi)、外參數(shù)標(biāo)定基礎(chǔ)上，通過對匹配點對進(jìn)行空間立體交會，獲得目標(biāo)點云，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)測量。目前圖像匹配方法發(fā)展成熟，因此雙目交會對材質(zhì)、顏色等物面性質(zhì)及背景光等環(huán)境因素要求較低，適合對大型三維物體如建筑物等的測量。雙目交會測量精度主要受匹配精度、基高比、相機標(biāo)定精度等因素制約，因此測量精度較低，同時難以實現(xiàn)實時測量，重建與測量范圍不能覆蓋整個待測物體，目前只有在一些特定場合得到應(yīng)用。

1.3、三維重構(gòu)的步驟

三維重構(gòu)的步驟主要分為：圖像獲取、攝像機標(biāo)定、特征提取、立體匹配、三維重構(gòu)等方面。

(1)圖像獲取

在進(jìn)行圖像處理之前，要使用攝像機獲取三維物體的二維圖形。光照條件、相機的幾何特性等對后續(xù)的圖像處理造成很大的影響。其中，攝像機的傳感器又分為CMOS與CCD，CCD傳感器的成像質(zhì)量比CMOS的更好，但是成本更高。

首先要對相機進(jìn)行二次開發(fā)，而后搭建出雙目視覺平臺，而雙目相機的關(guān)系又主要分為平行光軸與相交光軸兩種，將在之后對它們進(jìn)行討論。

(2)攝像機標(biāo)定

通過攝像機標(biāo)定來建立有效的成像模型，求解出攝像機的內(nèi)外參數(shù)，這樣就可以結(jié)合圖像的匹配結(jié)果得到空間中的三維點坐標(biāo)，從而達(dá)到進(jìn)行三維重建的目的。目前最常使用棋盤格，利用張氏標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)定。

(3)特征提取

特征主要包括特征點、特征線和區(qū)域。大多數(shù)情況下都是以特征點為匹配基元，特征點以何種形式提取與用何種匹配策略緊密聯(lián)系。因此在進(jìn)行特征點的提取時需要先確定用哪種匹配方法。匹配算法又包括全局立體匹配算法與局部立體匹配算法。之后會進(jìn)行討論。

(4)立體匹配

立體匹配是指根據(jù)所提取的特征來建立圖像對之間的一種對應(yīng)關(guān)系，也就是將同一物理空間點在兩幅不同圖像中的成像點進(jìn)行一一對應(yīng)起來。在進(jìn)行匹配時要注意場景中一些因素的干擾，比如光照條件、噪聲干擾、景物幾何形狀畸變、表面物理特性以及攝像機機特性等諸多變化因素。

(5)三維重建

有了比較精確的匹配結(jié)果，結(jié)合攝像機標(biāo)定的內(nèi)外參數(shù)，就可以恢復(fù)出三維場景信息。由于三維重建精度受匹配精度，攝像機的內(nèi)外參數(shù)誤差等因素的影響，因此首先需要做好前面幾個步驟的工作，使得各個環(huán)節(jié)的精度高，誤差小，這樣才能設(shè)計出一個比較精確的立體視覺系統(tǒng)。

之后可以對重構(gòu)輸出的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，如去噪處理、表面重建等。

文章來源：網(wǎng)絡(luò)收集

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的双目三维重建_【光电视界】简单介绍双目视觉三维重构的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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