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2018-12-25
引言：提起學(xué)術(shù)雜志，您可能覺(jué)得離我們的生活有點(diǎn)遠，那是科學(xué)家應該看的。但正是科學(xué)家們孜孜不倦、攻艱克難，才不停推動(dòng)著(zhù)科學(xué)研究的深入、技術(shù)應用的拓展，最終將科學(xué)融入我們的生活之中，科技的進(jìn)步也悄無(wú)聲息地顛覆著(zhù)我們的生活方式。
《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊，是由中國科學(xué)院主管，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所主辦，中國激光雜志社出版的學(xué)術(shù)類(lèi)月刊，創(chuàng )刊于1964年，是國內激光與光電子領(lǐng)域的第一本期刊。該期刊被中國科技核心期刊、中國中文核心期刊和中國科學(xué)引文數據庫等收錄。期刊主要發(fā)表激光與光電子領(lǐng)域的最新研究論文以及具有一定深度和前瞻性的綜述論文，旨在及時(shí)報道國內外激光與光電子學(xué)領(lǐng)域科技的最新研究成果與技術(shù)應用，促進(jìn)國內外學(xué)術(shù)交流，溝通科研與產(chǎn)業(yè)的聯(lián)系，促進(jìn)激光與光電子事業(yè)的發(fā)展。
簡(jiǎn)單說(shuō)，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》在中國激光與光電子領(lǐng)域的地位，相當于《VOGUE》之于時(shí)尚。有幸登上VOGUE封面就等于肯定了此人在時(shí)尚圈的地位不凡。同理，此刊的封面文章都是業(yè)內意義重大的最新研究成果與技術(shù)應用。今天我們來(lái)聊聊《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》11月的這篇封面文章“彩色三維掃描中紋理重建技術(shù)研究進(jìn)展”。
這是易尚展示與合作團隊，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“重大科學(xué)儀器設備開(kāi)發(fā)”重點(diǎn)專(zhuān)項“三維數字彩色成像測量?jì)x”的項目過(guò)程中取得的重大成果。
國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“三維數字彩色成像測量?jì)x”2018年度會(huì )議現場(chǎng)
這一重大專(zhuān)項是由國內3D掃描打印及VR/AR領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)易尚展示牽頭，聯(lián)合清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、深圳大學(xué)、南京理工大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、中航工業(yè)長(cháng)城計量所等國內光學(xué)領(lǐng)域頂尖研究院所組建的，其目的是以核心技術(shù)、關(guān)鍵部件的自主研發(fā)為突破口，研制出具備自主知識產(chǎn)權、技術(shù)國際領(lǐng)先、核心部件國產(chǎn)化、質(zhì)量穩定可靠的結構光三維數字彩色成像測量?jì)x。
那么，此篇論文的核心—紋理重建，在三維數字成像技術(shù)中起了什么作用呢？
三維數字成像技術(shù)可以生成記錄物體形狀的幾何模型，但這還不足以精確表達真實(shí)物體。為了建立照片真實(shí)感的三維模型，還需要將物體的表面顏色和幾何模型融合。因此在三維掃描技術(shù)基礎上對物體表面紋理進(jìn)行重建，可以實(shí)現三維數字彩色成像。
三維彩色模型的紋理重建廣泛應用于文物研究與保護中
1基本原理
三維數字成像系統通常包括投影和采集兩部分。
投影部分通常采用高速數字光處理（DLP）技術(shù)，將載頻條紋利用數字微鏡器件（DMD）投射到被測物體表面；采集系統為高速工業(yè)相機，能夠同步記錄被測物體高度調制的形變條紋圖像，然后從形變條紋中解算出的物體的深度數據，在應用中多采用雙目結構，即兩個(gè)工業(yè)相機和一個(gè)投影儀構成一個(gè)三維傳感節點(diǎn)，采用多個(gè)三維傳感節點(diǎn)，就能對被測物體進(jìn)行全方位的測量和重建。
以上多個(gè)部件實(shí)現的效果，一臺易尚鷹眼S1彩色桌面三維掃描儀就能完成，智能高效↓
易尚鷹眼S1彩色桌面三維掃描儀
在完成結構光投采后，對采集到的圖像應用相位提取和相位展開(kāi)算法，可得到被測物體不同角度的單面深度數據。單面的深度數據需要通過(guò)坐標變換匹配到世界坐標系或全局坐標系中進(jìn)行深度數據匹配。然后通過(guò)刪除冗余點(diǎn)數據，平滑邊界數據，對深度數據進(jìn)行融合，便可得到完整的三維幾何模型。
由于工業(yè)相機的分辨率和色彩還原度不及單反相機，通過(guò)在傳感器節點(diǎn)上附加彩色單反相機用來(lái)拍攝物體紋理。采集到紋理圖像通過(guò)紋理映射投影到三維模型表面，建立二維圖像像素到三維空間點(diǎn)的映射關(guān)系，最終生成具有真實(shí)感的三維彩色模型。
2關(guān)鍵技術(shù)
紋理映射雖然能夠實(shí)現給模型上色的功能，但在實(shí)際應用中，這種映射關(guān)系往往受到模型精度、相機誤差等因素的影響，無(wú)法獲得準確的紋理映射關(guān)系。不同視角光照環(huán)境的差異，以及物體表面材質(zhì)對光照反射的各向異性會(huì )造成紋理圖像之間色彩差異較大，這些情況也會(huì )導致紋理重建的質(zhì)量下降。如何生成過(guò)渡平滑、色彩清晰自然的三維模型，是紋理重建中的關(guān)鍵技術(shù)。
紋理重建方法一般分為兩種策略：
（1）針對三維模型中每個(gè)面片確定各方向紋理坐標，選擇最佳紋理圖像；
（2）對多幅圖像進(jìn)行疊加混合與優(yōu)化處理，形成最終紋理圖像。
在紋理拼接方法中，早期的工作針對每個(gè)面片，使用貪心算法最小化相鄰面片來(lái)自不同紋理圖像的數量。然而貪心算法得到的是局部最優(yōu)解，不能全局減少紋理接縫的產(chǎn)生。目前主流的方法是馬爾可夫隨機場(chǎng)（MRF）優(yōu)化方法，能夠在全局范圍內最大程度地減少紋理接縫產(chǎn)生。同時(shí)輔以泊松圖像編輯等色彩融合校正方法對紋理接縫做進(jìn)一步消除。
紋理拼接方法需結合多種算法處理，執行效率上不能滿(mǎn)足快速建模要求，基于復合權重的紋理融合方法能夠實(shí)現全自動(dòng)的紋理重建。紋理權重是對紋理質(zhì)量的一種評價(jià)，權重越大，代表顏色可信度越高，對融合后的顏色貢獻也越大。通過(guò)復合權重對紋理進(jìn)行融合，能有效消除模糊和重影，實(shí)現平滑無(wú)縫的紋理重建。基于高精密傳感標定、基于復合權重的高真實(shí)感紋理融合等一系列高效融合算法，實(shí)現了三維傳感技術(shù)與計算機圖形學(xué)技術(shù)無(wú)縫接軌，在保證精度的條件下，確保融合高效性和輸出模型的可視性，為無(wú)人工干預的三維數字彩色成像實(shí)現提供了先進(jìn)性支撐。
復合權重與平均權重紋理融合結果比較
易尚鷹眼S1彩色桌面三維掃描儀對紋理細節的呈現
3問(wèn)題和挑戰
隨著(zhù)紋理分辨率和模型面片數量的提高，對紋理重建算法的執行效率提出了更高的要求。目前小型結構光三維掃描儀獲得的面片數量可達百萬(wàn)量級，對于大尺度的三維場(chǎng)景面片數量甚至上億。采用 GPU 計算或 FPGA 硬件進(jìn)行算法加速，提升系統處理速度，是未來(lái)集成化三維掃描系統的趨勢。
遮擋現象是紋理重建中普遍存在的問(wèn)題，遮擋現象會(huì )對紋理圖像的采集造成干擾,導致模型和紋理之間出現錯誤的紋理映射關(guān)系。因此，提高去遮擋算法的抗干擾能力和魯棒性是未來(lái)紋理重建方法研究重點(diǎn)之一。
對光反射屬性的重建是紋理重建技術(shù)發(fā)展中一項必然而迫切的需求。基于現有三維掃描儀，選取合適的光照模型，獲得物體表面光反射屬性參數，對于三維模型的真實(shí)感呈現，尤其是高反射率屬性的材質(zhì)（如玻璃、金屬等）的紋理重建具有重要意義。
現在我們不難明白，紋理重建技術(shù)的提升，對三維模型的呈現有著(zhù)非常重要的意義。這也正是此篇論文能作為封面文章登上《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊的原因。
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