基于計(jì)算機(jī)視覺的三維重建技術(shù)綜述

王琳?賈金于?韓亦煬

[摘 要]計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)現(xiàn)在所擁有的種類非常多，并且還處于飛速發(fā)展階段。這其中，從多年研究運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)法，并取得突出成果的單目視覺三維重建技術(shù)，是計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)的非常重要的一個(gè)組成部分，主要對(duì)從運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)法的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展加以陳述并研究其未來的發(fā)展方向，來綜述幾個(gè)比較有代表性的三維重建技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)視覺；三維重建；從運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)法

[中圖分類號(hào)]TP391.41 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

通過對(duì)收集到的照片和視頻進(jìn)行加工再處理，并將處理過的東西進(jìn)行重新建立，得到相對(duì)應(yīng)的場景的三維信息，就是計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以非常簡單地建造模型，并且可以不受到實(shí)際物體本身形態(tài)的影響，又快又簡單，所以非常受歡迎。因此社會(huì)上多個(gè)領(lǐng)域都廣泛利用了計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)，像自主導(dǎo)航、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)系統(tǒng)等高端領(lǐng)域都在使用。計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)中有非常多的方法，各行各業(yè)也都根據(jù)各自需求使用與之符合的方法，所以本文也主要依據(jù)這些年全球鉆研的狀態(tài)，對(duì)一些用得比較多的方法加以劃分，還簡單列舉了將來所要迎接的挑戰(zhàn)和前進(jìn)目標(biāo)。重點(diǎn)敘述其中的從運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)法。

1 基于計(jì)算機(jī)視覺的三維重建技術(shù)

三維重建技術(shù)能夠利用，前提是需要得到實(shí)際物體的數(shù)據(jù)信息，再通過一些高科技手段將這些信息處理，得到具體的三維信息，獲取這些物體的三維信息有兩種方法，接觸式和非接觸式。下面咱們簡單說一下這兩種方法：接觸式方法，是比較直接快捷地得到想要的數(shù)據(jù)，它主要利用一定的儀器設(shè)備，在真實(shí)的場景采集三維數(shù)據(jù)，雖然接觸式方法能夠更直接得到三維數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度也非常高，但是由于時(shí)間、空間、人為等等的因素，它的利用比較有限，并不能在所有的范圍進(jìn)行應(yīng)用。另一種就是非接觸式方法，非接觸式方法也很好理解，就是不接觸實(shí)際物體，主要通過一些媒介來得到需要的數(shù)據(jù)，比如磁場、光、聲、波等，雖然這樣測量的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度沒有接觸式方法高，但是對(duì)于大多數(shù)領(lǐng)域來說，這種方法還是得到更廣泛的應(yīng)用的。所以咱們主要來講一下非接觸式方法，他分為兩類：主動(dòng)和被動(dòng)。

1.1 主動(dòng)視覺

基于主動(dòng)視覺的三維重建技術(shù)，它的方法有很多，其它相對(duì)成熟的有結(jié)構(gòu)光法、陰影法、激光掃描法等。所以這項(xiàng)技術(shù)主要利用的是光學(xué)原理，運(yùn)用光學(xué)原理對(duì)實(shí)際場景或者是物體進(jìn)行掃描得到數(shù)據(jù)點(diǎn)云，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)分析掃描，來實(shí)現(xiàn)三維重建。這種方法可以根據(jù)得到的場景或者物體表面的大量數(shù)據(jù)重建出相對(duì)比較精確的模型；這種方法雖然應(yīng)用得也比較多，但是實(shí)際操作起來還是有一定的難度，不夠方便，并且所需要的成本費(fèi)用也是比較高的，還有些時(shí)候，一些環(huán)境內(nèi)容比較復(fù)雜，操作可行性比較低，所以這種方式不能得以利用，所以不是所有領(lǐng)域都適用，限制性就比較大，另外，主動(dòng)視覺法的后期處理也相對(duì)比較繁瑣。

1.2 被動(dòng)視覺

基于被動(dòng)視覺的三維重建技術(shù)，相比基于主動(dòng)視覺的三維重建技術(shù)來說，就簡單方便得多，這種方法不需要直接控制利用光源，而是通過分析照片或視頻圖像中的多方面信息，逆向思維，對(duì)實(shí)際物體建立模型進(jìn)行逆向工程，以此來得到環(huán)境場景及實(shí)物的三維模型。這種技術(shù)操作起來比較簡單，也不需要太高的光照條件，所需的成本也相比較少，可行性比較高，很多復(fù)雜難度高的場景都可以進(jìn)行三維重建；當(dāng)然，這種方式也有不足之處，因?yàn)槭欠墙佑|式，又是被動(dòng)視覺，對(duì)場景和實(shí)物的具體細(xì)節(jié)掌握得不夠精準(zhǔn)，所以三維重建的細(xì)節(jié)特征也會(huì)與實(shí)際有所出入。

2 現(xiàn)有的問題和面臨的挑戰(zhàn)

三維重建技術(shù)目前存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)是：

（1）魯棒性問題：三維重建技術(shù)魯棒性比較差，光線不足、場景中的噪音、畫面模糊等等問題，都會(huì)受到影響，還有在匹配的時(shí)候，匹配誤差，結(jié)果可能就不夠準(zhǔn)確。

（2）完全性問題：三維重建技術(shù)在重建的時(shí)候，如果信息出現(xiàn)丟失或者失誤，都會(huì)導(dǎo)致圖像不能準(zhǔn)確校準(zhǔn)，所以也不能讓場景或物體結(jié)構(gòu)完全的重建。

（3）運(yùn)算量太大：運(yùn)算量太大是三維重建技術(shù)現(xiàn)在面臨的主要難題，過大的運(yùn)算量占用了較長的時(shí)間，導(dǎo)致三維重建的效率低下。

對(duì)于上面的這些問題，在以后的時(shí)間段內(nèi)，三維重建技術(shù)可以從下面幾點(diǎn)開展鉆研：

（1）改良計(jì)算方法：根據(jù)所需要重建的實(shí)際環(huán)境場景，改良照片及視頻圖像的預(yù)處理，還有匹配技術(shù)也要加以改進(jìn)，盡量提高環(huán)境的光線度、安靜度、清晰度，匹配的精準(zhǔn)度得以提升了，算法的魯棒性也會(huì)跟著相應(yīng)地加強(qiáng)。

（2）運(yùn)用分布式計(jì)算：三維重建技術(shù)運(yùn)算量太大這是一個(gè)大問題，合理利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用GPU計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算等多種方式，節(jié)省時(shí)間，提高效率，運(yùn)行速度也會(huì)大大提高。

（3）各種信息進(jìn)行融合：采集場景信息的時(shí)候，要利用多種類型的傳感器，將圖像中顯示出來的各方面的信息進(jìn)行交融合并，信息越豐富，建模的完整度和準(zhǔn)確度就越高，通用性也越強(qiáng)，效果也會(huì)更好。

3 結(jié)語

計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)的應(yīng)用雖已得到多領(lǐng)域應(yīng)用，甚至醫(yī)學(xué)、航空、工業(yè)、軍事等高科技行業(yè)，也在這些年的探索研究中有重大突破性發(fā)展，但是要想將這些方法更廣泛地應(yīng)用到更多領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步努力研究和探索。計(jì)算機(jī)視覺三維重建技術(shù)現(xiàn)有的問題和面臨的挑戰(zhàn)還有很多，都需要我們更加深入地研究解決這些問題，才能讓這一技術(shù)得到長久持續(xù)的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

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