數字圖像處理技術在三維重建中的應用研究

摘要：本文簡要概述了數字圖像處理技術和計算機三維重建技術的應用及發展現狀，重點介紹了基于二維數字圖像的計算機三維重建過程，包括圖像的獲取，圖像增強、定位校正和圖像分割等預處理技術，以及三維重建技術的特點。介紹了常用三維成像軟件，進一步分析了制約數字圖像三維重建發展的主要因素以及需要進一步研究的問題。

關鍵詞：數字圖像處理 計算機三維重建 應用

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0066-01

數字圖像處理技術是指應用計算機對數字圖像信息進行處理，涵蓋了計算機科學與技術、數學、光物理學等多個領域。數字圖像可以小到電子顯微鏡的圖像，大到遙感圖像、航空照片或者天文望遠鏡的圖像，因此在生物醫學工程、工業、農牧業、國防軍事、多媒體等方面都有著十分廣泛的應用。物體三維重建是數字圖像處理的重要內容。人眼看到的世界是三維立體的，但是傳統照相機、CCD或者CMOS圖像傳感器獲取的圖像都是二維平面的，不具備深度信息。這種二維成像系統限制了人類對真實世界中復雜的物體的感知和理解的能力。計算機三維重建的出現，突破了傳統二維成像系統的局限，重建后的圖像直觀、逼真，可任意旋轉、逐層剝離以及定量分析，顯著提高了人類對世界的認識理解能力。

1 計算機三維重建

計算機三維重建是利用計算機數字圖像處理技術根據真實場景的數據重建出具有準確幾何信息和照片真實感的三維模型，并可進行多角度顯示的技術。這些精確的三維模型，不僅能用于場景可視化和虛擬漫游，還可以滿足數據的存檔、測量和分析等更高層次的需求，尤其適用于輔助教學、生物醫學工程、醫學診斷、航天、工業測量、地理信息、數字文物和古建筑、電子商務等多種領域。

計算機三維重建方法有兩種：一種是利用精密的硬件設備，如激光掃描儀、深度掃描儀等，直接測量出物體表面點的三維坐標。這種方法是直接對三維物體的空間信息進行處理，精度較高，但是設備要求極高，因此極大地限制了該技術的使用。另一種是通過相機或攝像機獲得二維數字圖像，然后通過數學模型計算出物體的三維結構。后一種方法數字圖像容易獲得，但重建結果易受到其他因素的影響，本文就此方法展開研究。

2 二維數字圖像的三維重建

2.1 二維數字圖像的獲取

二維數字圖像的獲取包括物體外觀圖像的獲取和物體內部圖像的獲取。物體外觀圖像的獲取通常通過2臺以上照相機或攝像機從不同角度拍攝，比如3D電影的制作。物體內部圖像的獲取，通常為斷層掃描或連續切片成像，比如計算機X射線斷層掃描（CT）、激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）成像、生物標本連續切片的顯微成像等。

2.2 二維數字圖像的預處理

二維數字圖像通過三維成像軟件來處理，不同領域有各自適用的軟件，比如：3D Studio Max，適用于廣告、影視、工業和建筑設計、游戲的三維成像和動畫；Amira，Mimics，適用于識別生命科學和生物醫學數據；Oasis montaj，適用于地球物理勘探、鉆探、地球化學勘探等。軟件對圖像經過增強、圖像定位校正和圖像分割等預處理后進行三維重建。

圖像增強：現在的數字成像技術，基本可以得到分辨率高、清晰度好的圖像，但如果前期成像較模糊，可以通過對比度增強、Gamma校正、銳化或噪聲消除等方法進行處理，以突出目標區域。

定位校正：多臺相機或攝像機從不同角度拍攝的物體外觀圖像、生物標本連續切片的顯微成像由于不能準確定位，還需進行圖像定位校正。

圖像分割：在對圖像的研究和應用中，人們往往僅對圖像中的某些特定的、具有獨特性質的區域感興趣，這些區域稱為目標或前景（其他部分稱為背景）。可根據灰度、顏色、紋理和形狀等提取感興趣目標，從而把圖像分割成若干互不交迭的區域，并使這些特征在同一區域內呈現出相似性，而在不同區域間呈現出明顯的差異性。常用的分割方法有：基于灰度閾值的圖像分割、交互式圖像分割、基于活動輪廓或者形變模型的分割等等。針對不一樣的圖像和待分割的圖像特點，可以選擇不一樣的分割方法。圖像分割是圖像處理的基本前提，同時也是一個經典難題，到目前為止還沒有一種圖像分割方法是通用的。

2.3 圖像的三維重建

二維數字圖像的三維重建技術有兩種：表面繪制和體繪制。舉例而言，你站在一輛汽車前，只能看到外觀，但無法觀察到車子內部的結構如發動機，這是表面繪制；假設汽車和車內中的結構都是半透明的，就可以同時看到所有的細節，這就是體繪制所要達到的效果，即三維透視。表面繪制是表示三維物體形狀最基本的方法，可以提供三維物體形狀的全面信息。它是從數字圖像中抽取一系列相關表面，并用多邊形擬合近似后，再通過傳統的圖形學算法顯示出來。體繪制是依據三維體數據，將所有體細節同時展現在二維圖片上，可以在一幅圖像中顯示多種物質的綜合分布情況，并且可以通過不透明度的控制，反應等值面的情況。該方法特別適合于云霧、流體、大腦軟組織、氣體等無固定形狀的體數據圖像的生成，產生的圖像真實感強。

3 面臨的問題

二維數字圖像的三維重建是數字圖像處理技術十分活躍的研究方向，雖然這一領域的發展十分迅速，但仍有一些方面是需要進一步提高。（1）提高計算精度：圖像分割是人工手動完成，然后通過數學方法來實現，這涉及到個人知識熟悉程度和計算精度，如果個人經驗不足，或者計算精度不夠，則圖像效果不符合客觀實際，不一定能夠達到人眼識別的舒適度。因此，基于專業知識的圖像分割標準化方面還有待進一步研究。（2）計算精度和處理速度之間的矛盾：圖像處理需要巨大的數據運算，運算量遠大于文本處理，所以在提高運算精度的同時還要考慮提高運算速度。（3）計算機三維重建是研究工具，必須加強交叉學科間的聯合研究，才能夠在推廣應用上取得進步。

參考文獻

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收稿日期：2016-08-15

作者簡介：馬逸丹，女，漢族，山西晉城人，在校生。