三維圖像重建中的深度信息處理方法

李宸鑫

摘要

隨著計算機視覺技術的不斷發展，三維重建圖像處理技術也成了研究的一大熱點。本文開篇介紹了三維重建技術的基本概念，隨后介紹了三維重建技術的三大基本方式，其中詳細介紹了四種以深度信息為基礎的三維重建技術。最后概述介紹了三維重建技術的研究現狀和三個主要應用領域。

【關鍵詞】三維重建圖像處理技術 深度信息計算機視覺

有研究證明超過70%的復雜認知過程都需要視覺活動來完成。隨著科技的發展，計算機視覺成為了一種新型的技術，讓計算機能像人類一樣可以感知認識外部世界。三維重建技術就是計算機視覺的重要組成部分，計算機軟件通過處理深度數據將現實環境轉換成計算機邏輯語言。目前來說三維重建技術構建的模型已經成功的應用到許多領域。

1 三維重建技術

通過特定的軟件將矩陣形式的圖像進行處理并且可視化，構造出能夠用來分析和處理的三維虛擬模型的過程就是三維重建技術。利用計算機來模擬人眼對物體進行識別，然后通過特定的軟件來對得到的圖像進行相關數據處理，獲得特定場景的三維圖像信息就稱為計算機視覺。作為一種數字化技術，三維重建技術不同于傳統的幾何建模技術，其擁有諸多優點，例如：適合復雜化的模型、便于處理修改等等。

2 以深度信息為基礎的三維重建

隨著技術發展到現在，三維重建技術己經發展到很多領域，例如：人工智能識別、計算機圖形學等等。目前來說三維重建的方式有以下三種：

2.1 建模軟件

這種方式主要是以相關建模軟件為基礎，類比于人眼觀察的過程。虛擬物體在被軟件模擬的過程中可以被測量出尺度、形狀、大小以及周邊環境，最后獲得一個虛擬完整的三維圖像。這種方式一般應用在3D電影中可以提高電影的分辨率和立體感;應用在售樓部可以更好地給購房者展示房屋的立體結構。雖然這個技術的應用優點很多，但是對操作人員的要求很高，要求建模人員有一定的計算機基礎和相關藝術功底。而且在應用的過程中有很多條件和真實環境存在出入，從而導致建模的結果出現一定的偏差。因此在這一技術上仍存在一定的提升范圍。

2.2 二維靜態圖像

這種技術是利用多幅靜態圖像中相互有位置關系的點來判斷出圖像距離相機的位置、相機的具體參數以及相機的運動情況。這一技術的基本原理是空間投影技術，目前來說這種技術的門檻較低、成本也不高，對操作人員的技術要求不高，因此已經廣泛的應用于實際場景之中。但是其模型構建的效果受其他因素影響較大，例如：相機自身的分辨率、成片效果以及攝制環境。

2.3 深度信息

這種方式是利用深度信息為基礎來構建三維虛擬模型，主要的思想是利用儀器投射激光簇到物體表面，利用光點來記錄物體的表面信息，得到物體的幾何形狀結構信息之后再進行可視化處理。此類方法也稱為主動構建法。現在常用的以深度信息為基礎的三維重構技術主要有以下四種類型。第一種：結構光法主要包含兩個過程，首先將可編碼的激光束投射到物體上，形成特征光點。隨后利用幾何原理得到光點與光源之間的距離，獲得光點的深度信息，構建出虛擬模型。結構光法適用于結構復雜、表面變化復雜的物體。第二種：飛行時間法。這種方法主要利用發射的紅外線、超聲波或者是電磁波信號的發射與接收的時間間隔來獲得物體的深度信息。這種方法雖然成像速度極快，但是精度差、分辨率低，并且容易受到周圍環境的影響，需要在后期對數據再進行處理，而且這種方法需要使用到特定的相機，這種相機造價高，因此使用者較少。第三種：莫爾條紋法。這種構建方法的光源是用兩簇等間隔的圖案進行小角度的相對運動來形成干涉條紋，從而獲得物體的深度信息。圖1展示的就是莫爾條紋測試過程的示意圖。第四種是三角測距法。這種方法是利用紅外線在物體上的反射光來對物體的深度信息進行測量的。首先通過光源對物體進行投射，然后光在物體表面發生了反射，反射光被電荷耦合元件傳感器（CCD）接受。反射光的角度、強度等信息和物體的運動有關，因此可以通過反射光倒推出物體的運動信息。

3 以深度學習為基礎的三維重建技術的研究現狀與應用領域

3.1 研究現狀

目前Kinect是最應用最為廣泛的深度傳感，所以目前已經有很多研究組針對Kinect進行深度信息的研究，其中主要包含了以下幾個方面：算法、系統、GPU、多個Kinect優化、噪音等。以算法為例，研究人員將Kinect平穩移動從而將場景從二維轉化為三維。圖2是Kinect傳感器的結構示意圖，主要包含了紅外、彩色攝像機和紅外投影設備。

3.2 應用領域

目前來說三維重建技術主要應用在以下三個方面：

3.2.1 設計構建電子地圖

可以將探測深度信息的設備搭載在無人機上，然后通過無人機在空中對目標地點進行掃描，從而對物體進行位置、形狀、結構的掃描，獲得相應的電子地圖。

3.2.2 考古與文物保護

通過三維重建可以構建出不同時期的文物形貌，例如開發期、保護期和修護期等等。這些數據對文物的開發和保護都有著重要的意義，例如可以通過這些數據可以對文物快速進行復原，也可以將文物更多樣的的展示給大眾。

3.2.3 臨床醫學

現在常見的醫學成像都是二維圖像，如果能夠將三維重建技術應用于醫學領域就可以詳細的向醫生展示病人的身體情況，有助于快速精準的判斷病變情況。

參考文獻

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