基于单目视觉的弱约束三维表面重建

【摘要】三维重建是计算机视觉领域的经典问题，其中基于单目相机的三维重建技术较其他技术更易被用户采用，采集数据时更方便。鉴于单目相机应用的普遍性和采集数据时的方便性，本文只研究单目视点下的三维表面重建技术。传统的基于单目视觉的三维表面重建存在较多的约束条件，特别是对光照环境的约束。这种约束条件会导致在进行数据采集时光源配置困难，配置的仪器设备价格较高。本文研究如何找到一种约束条件少，设备代价低，自然光或者复杂光环境下三维表面重建的解决方案；解决因遮挡，交互反射，阴影等因素引起的三维重建误差问题，准确且有效的恢复出物体的表面高度。本文主要工作和创新点包括：(1)综述了基于单目视觉的几种主流算法，这些算法是近几年基于单目视觉的具有代表性的算法，反映了近10年内基于单目视觉的最新技术，在单目视觉的三维重建中各有优势。本文基于这些算法对单目视点下的三维表面重建做了相应的改进。(2)介绍了几种常用的光照模型，并分析了不同光照模型的原理和特点。在各种光环境下拍摄了输入图像，基于不同的光照模型对输入图像进行了重绘和误差分析，分析结果表明球谐模型是对各种光环境较鲁棒的光照模型。(3)提出了基于参照物的非校准PMS三维表面重建算法，该方法将已知的参照物与目标物体放在同一场景中，并采集多幅输入图像。基于参照物可对输入图像的光照矩阵进行估计，可快速有效的估算出目标物体的三维形状。(4)将经典的PMS方法和光源参数估算方法合并，提出了一种快速估算人脸表面法向量的未校准PMS算法。通过在YaleB和BU3D数据库上的实验和分析，验证了人脸快速算法的有效性。(5)重新定义了基于耦合统计模型的框架，在此框架的基础上，可实现与训练库中光环境不同的单幅输入人脸的三维重建，对具有不同阴影效果的输入图像的重建结果鲁棒性较高。(6)提出基于拼接优化的单幅纹理三维重建算法。对岩石纹理进行了测试并与传统的SFS算法进行了对比，实验表明本文的算法对单幅输入图像的欠约束三维重建更有效。基于相机拍摄到的物体的图像，对目标物体进行三维重建，可将物体或者场景的三维形状准确的描述出来，去除由于环境的变化或者视角的偏差引起的对物体外观的理解错误，对于煤炭，钻井，勘探，考古等应用领域具有重要的应用前景。
【作者】孙玉娟；
【导师】董军宇；
【作者基本信息】中国海洋大学，计算机应用技术，2014，博士
【关键词】光度立体；球谐模型；表面法向量；参照物；耦合统计模型；

【参考文献】
[1]郭绪斌.精密钢球传动机构传动平稳性研究[D].燕山大学,机械工程,2014,硕士.
[2]辛静静.中国对外直接投资的贸易效应研究[D].山东师范大学,世界经济,2013,硕士.
[3]叶全民.一维反铁磁链方程组局部光滑解的存在唯一性[D].华南师范大学,应用数学,2004,硕士.
[4]单刚.电力建设企业起重机械安全管理探讨[D].天津大学,项目管理,2013,硕士.
[5]曹小娟.石墨烯修饰电极在电化学生物传感器中的应用研究[D].东北师范大学,2011.
[6]尹晓琳.六足仿生机器人步态规划及其控制策略研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[7]杨伟华.上海环卫30TEU船舶建造项目的成本管理[D].东华大学,项目管理（专业学位）,2014,硕士.
[8]周舟.长沙地区基督教堂建筑研究[D].湖南大学,建筑学,2011,硕士.
[9]张丽娟,邹平.基于电子商务的企业信息化建设——ERP、CRM与电子商务的整合[J].昆明理工大学学报(理工版),2002,03:37-40.
[10]于存明.尼古丁类似物，Anomine以及Vincorine的合成研究[D].兰州大学,有机化学,2013,硕士.
[11]张元祥.双辊薄带铸轧1.2%Si无取向电工钢的研究[D].东北大学,材料加工工程,2010,硕士.
[12]侯志鑫.移动学习环境下学习资源建设模式的研究[D].北京交通大学,2014.
[13]王英.纳米TiO_2包覆SiO_2粒子的制备及表征[D].天津大学,应用化学,2004,硕士.
[14]叶伟伟.蓼属神血宁组花被片微形态及多穗蓼系统位置研究[D].曲阜师范大学,植物学,2013,硕士.
[15]董明,韦刘红,文福拴,戴彦,孙维真,王超.电力系统故障诊断的机会约束规划模型与方法[J].电力系统自动化,2011,20:47-52+93.
[16]李晨.基于形式概念分析的英语介词on语义排歧及属性特征研究[D].燕山大学,英语语言文学,2013,硕士.
[17]赵姗姗.县级土地利用总体规划环境影响评价研究[D].内蒙古师范大学,土地资源管理学,2013,硕士.
[18]向来生,齐峰,刘希玉.一种新的神经树网络模型优化方法[J].控制与决策,2013,01:73-77+83.
[19]魏海燕.名词化的顺应性研究[D].河南大学,英语语言文学,2004,硕士.
[20]段建强.基于分工理论的运输行为演进研究[D].北京交通大学,2011.
[21]彭浩.滇东北二叠系阳新灰岩岩溶发育特征及其强度评价探析[D].成都理工大学,地质工程,2013,硕士.
[22]刘芳.长春市双阳区鹿产业发展问题的研究[D].吉林农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[23]阳霖.论《广东省专利条例》的完善[D].暨南大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[24]李健.肾透明细胞癌中基于MethylCap-seq芯片数据的新侯选基因DNA甲基化谱及其临床价值的研究[D].复旦大学,肿瘤学,2013,博士.
[25]王晓东.MSBR工艺性能分析与运行优化研究[D].青岛理工大学,市政工程,2012,硕士.
[26]郭阳斌,张振宇.便携式媒体中心—OTG接口的PMP应用解决方案[J].今日电子.2005(07)
[27]李徽.供应链信息协同绩效评价研究[D].大连理工大学,企业管理,2013,硕士.
[28]陈宇.益气养阴合剂治疗系统性红斑狼疮气阴两伤型临床疗效观察[D].云南中医学院,中医内科学,2012,硕士.
[29]胡淼.船舶电力推进永磁同步电机控制系统的研究[D].大连海事大学,轮机工程,2013,硕士.
[30]李瑛.视觉表象建构及表象扫描的眼动特征[D].陕西师范大学,2008.
[31]冯碧云.《清宫升平署档案集成·咸丰朝》演剧研究[D].山西师范大学,戏剧戏曲学,2014,硕士.
[32]韩峰.实时成像多核计算系统设计及大点数FFT优化[D].南京大学,集成电路工程（专业学位）,2013,硕士.
[33]任芳,朱光明,任鹏刚.纳米石墨烯/聚合物复合材料的制备及应用研究进展[J].复合材料学报.
[34]陶冶.同德社区“空巢老人互助小组”建设项目总结[D].长春工业大学,社会工作,2013,硕士.
[35]曾庆和.北京国安足球俱乐部运营管理评价理论体系的研究[D].首都体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[36]李芳.汉代玉器凤鸟纹饰及在现代设计中的应用研究[D].安徽大学,美术学,2014,硕士.
[37]马睿.在负载型Pd、Pt催化剂上苯酚水相加氢脱氧实验研究[D].大连理工大学,工业催化,2013,硕士.
[38]毕秀华.甘麦大枣汤对抑郁大鼠行为学及脑内单胺神经递质影响的实验研究[D].云南中医学院,中医基础理论,2012,硕士.
[39]闫京京.江西省养老保障制度城乡一体化问题研究[D].江西财经大学,社会保障,2013,硕士.
[40]刘欣,梁雷,赵丽芬,何海峰,靳涛.改性石墨烯/溴化丁基橡胶纳米复合材料的制备、表征及性能（英文）[J].合成橡胶工业,2014,01:73.
[41]秦志杰,刘平.点杂质对于具有S波配对势的扶手椅型石墨烯纳米带性质的影响[J].河南师范大学学报(自然科学版),2011,05:55-58+119.
[42]林吼坑.纳米纤维素的制备及其与木质素在碳素材料中的应用[D].华南理工大学,2014.
[43]赵航.我国国有商业银行监管问题研究[D].吉林大学,公共管理,2012,硕士.
[44]柳胜国.Web日志挖掘数据预处理方法研究[J].现代图书情报技术,2004,12:55-57+17.
[45]孟艳梅.计算机故障诊断仪的设计与实现[D].东北大学,计算机技术,2011,硕士.
[46]付丰瑞.基于语义网的3G图书检索系统的设计与实现[D].东北大学,计算机软件与理论,2011,硕士.
[47]王玉位.新公共服务理论视角下新型农村合作医疗问题研究[D].辽宁大学,行政管理,2012,硕士.
[48]李响.案例教学法在高中生物《稳态与环境》模块中的应用[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[49]包海涛.地铁列车活塞风数值模拟[D].南京理工大学,2005.
[50]张丹薇.铜铈二元混合氧化物催化过硫酸氢钾降解苯酚研究[D].哈尔滨工业大学,环境科学与工程,2013,硕士.