品析“飛利浦公司”基于單目視覺的三維重建技術(shù)專利

石松婷

摘要：目前，三維模型在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應用，例如現(xiàn)有的地理模型和醫(yī)學模型等。此外，從理論上說基于圖像三維重建實際上是計算機圖形學的逆問題。如何根據(jù)受干擾或者不完整的二維信息來恢復三維信息是這項技術(shù)的一大難點，也是計算機視覺的一大難點。對基于圖像重建技術(shù)相關(guān)專利的深入研究可以促進對這些問題的理解和研究，推動三維模型獲得更為廣泛的應用。本文主要以國外巨頭飛利浦公司的幾項專利為例，品析基于單目視覺的三維重建的幾項創(chuàng)新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：單目視覺 飛利浦 三維重建

前言

基于視覺的三維重建技術(shù)，即采用計算機視覺方法進行物體的三維模型重建，是指利用數(shù)字攝像機作為圖像傳感器，綜合運用圖像處理、視覺計算等技術(shù)進行非接觸三維測量，用計算機程序獲取物體的三維信息。其優(yōu)勢在于不受物體形狀限制，重建速度較快，可以實現(xiàn)全自動或半自動建模等，是三維重建的一個重要發(fā)展方向，能廣泛應用于包括移動機器人自主導航系統(tǒng)、航空及遙感測量、工業(yè)自動化系統(tǒng)等在內(nèi)的各個領(lǐng)域，由此項技術(shù)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益極為可觀。

飛利浦公司是全球最大的三維重建技術(shù)的研發(fā)者。飛利浦該公司創(chuàng)立于1891年，其是世界上最大的電子公司之一，在歐洲名列榜首。飛利浦是個綜合性大集團，通過以下三個交叉部門為專業(yè)市場和消費市場提供服務：醫(yī)療保健、照明和優(yōu)質(zhì)生活。2002年其在華營業(yè)額和出口創(chuàng)匯額在全國外商投資企業(yè)中雙雙排名第一位。通過上述數(shù)據(jù)，可以看出要占領(lǐng)市場，核心研發(fā)技術(shù)不能少。下面我們就來揭開該飛利浦公司公司在單目視覺三維重建領(lǐng)域的神秘面紗。

一.飛利浦公司基于單目視覺的三維重建的技術(shù)分類

作為計算機視覺技術(shù)的一個重要分支，基于視覺的三維重建技術(shù)以Marr 的視覺理論框架為基礎(chǔ)，形成了多種理論方法。例如，根據(jù)攝像機數(shù)目的不同，可分為單目視覺法、雙目視覺法、三目視覺或多目視覺法。此處，我們著重分析單目視覺方法。

單目視覺方法（ monocular vision） 是指使用一臺攝像機進行三維重建的方法。所使用的圖像可以是單視點的單幅或多幅圖像，也可以是多視點的多幅圖像。下面將介紹幾種主要的單目視覺方法。

下面以飛利浦公司作為主要的分析對象來查看其在三維重建領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。主要分析以下該領(lǐng)域中常用的幾種方法：

從圖1中可以看出，運動法占四種核心方法中的主導地位，其次是輪廓法。下面將針對這三種算法分析進行詳盡的分析。

1.1輪廓法

輪廓法是輪廓恢復形狀法（ shape from silhouettes/contours）的簡稱。這種方法通過多個角度物體的輪廓圖像得到物體的三維模型。輪廓法可以分為基于體素、基于視殼和基于錐素三種方法。

基于體素的方法

這種方法將物體所在的三維空間離散化為體素（ voxel） ，再將圖像分割為前景（ 物體） 和背景，通過投影測試判定一個體素點的投影是在前景還是背景中。如果一個體素點在不同視角都投影到了前景內(nèi)，那么就認為它是物體的一部分，將所有這樣的體素點集合起來就可以重構(gòu)出物體的三維形狀。這種方法簡單且魯棒性較好。

飛利浦公司于2007年3月14日在華申請了一篇名為建立深度圖的專利，如圖7所示，申請?zhí)枮镃N200580007733，該申請同時在韓國，日本，美國等多個國家具有同族。該申請的發(fā)明點在于提供一種可由靜止圖像來產(chǎn)生深度圖的方法，基于圖像像素值來確定包括鄰近點的集合的輪廓；且基于多個點處的曲率向量計算來分配與第一像素對應的第一深度值。

該專利采用了點的曲率相鄰來合理分配深度值，曲率計算該技術(shù)手段雖然很常規(guī)，但用在計算點的深度值該領(lǐng)域上，卻顯得構(gòu)思極為巧妙。

1.2紋理法

紋理法的基本理論為： 對于一個具有光滑表面并覆蓋了重復紋理單元的物體，當被投影在二維圖像上時，其上的紋理單元會發(fā)生變形，這種變形分為投影變形（ projective distortion） 和透視收縮變形（ foreshortening distortion） 。投影變形使離圖像平面越遠的紋理單元看上去越小，透視收縮變形使與圖像平面角度越大的紋理單元看上去越短。由于這兩種變形都可以從圖像中測量得到，因此就可以分析變形后的紋理單元，反向求取物體表面法向和深度信息，進行三維重建。

飛利浦公司于2003年12月10日在華申請了一篇名為全深度采集的專利，如圖3所示，申請?zhí)枮镃N 200380108833，該申請同時具有美國，韓國，日本，臺灣等多個同族專利。該申請基于人體具有對于亮度本身和它的空間/時間導數(shù)的傳感器的理解。用于直接亮度傳感器的事實是即使缺少任何紋理（空間導數(shù)為零，例如當由紙蓋住我們的眼睛時），我們?nèi)阅芸匆娛橇吝€是暗的原理來實現(xiàn)。

該專利一反常規(guī)專利的思路，另辟蹊徑，從反面來研究當缺少紋理時，如何求取圖像深度。

1.3運動法

運動法，即基于運動的建模（ structure from motion，SFM） ，是通過在多幅未標定圖像中檢測匹配特征點集，使用數(shù)值方法恢復攝像機參數(shù)與三維信息的一種方法。

運動法對圖像的要求非常低，可以采用視頻甚至是隨意拍攝的圖像序列進行三維重建。同時可以使用圖像序列在重建過程中實現(xiàn)攝像機的自標定，省去了預先對攝像機進行標定的步驟。

飛利浦公司于2004年12月7日在華申請了一篇名為全深度采集的專利，如圖4所示，申請?zhí)枮镃N 200480037342，該申請同時具有美國，韓國，日本等多個同族專利。該申請中步驟34主要借助三維重構(gòu)在世界空間（world space）中通過對感興趣的點進行重構(gòu)來完成。這可按照基于分割的深度估計來進行，即采用了基于運動的建模方法的優(yōu)選方式來進行。

該專利是提取的相互關(guān)聯(lián)的視頻圖像幀，以此來分析運動中接合點處投影的投影重構(gòu)點，并將其彼此鏈接以獲得一組鏈接，進行組合后編碼圖像。技術(shù)手段是一環(huán)扣一環(huán)，但卻能達到獲取深度的目的。

總結(jié)

通過以上分析，我們已經(jīng)品析了飛利浦公司在單目視覺三維重建的幾項關(guān)鍵技術(shù)，也正是由于其在三維重建領(lǐng)域的穩(wěn)固發(fā)展，才使得該公司已經(jīng)在國際上占有相當一部分市場，其市場地位十分牢固。

依據(jù)飛利浦公司的發(fā)展經(jīng)歷，站在技術(shù)的前沿，才能更好的占據(jù)市場，和大企業(yè)抗衡。未來的路還很遠，需要不斷實踐，我國企業(yè)也應該加大研發(fā)重視度，力求創(chuàng)新，提高企業(yè)核心競爭力。

參考文獻

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