三維重建

三維重建的英文術語名稱是3D Reconstruction.

三維重建是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型,是在計算機環境下對其進行處理、操作和分析其性質的基礎,也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現實的關鍵技術。

在計算機視覺中, 三維重建是指根據單視圖或者多視圖的圖像重建三維信息的過程. 由於單視圖的信息不完全,因此三維重建需要利用經驗知識. 而多視圖的三維重建(類似人的雙目定位)相對比較容易, 其方法是先對攝像機進行標定, 即計算出攝像機的圖象座標系與世界座標系的關係.然後利用多個二維圖象中的信息重建出三維信息。

物體三維重建是計算機輔助幾何設計(CAGD)、計算機圖形學(CG)、計算機動畫、計算機視覺、醫學圖像處理、科學計算和虛擬現實、數字媒體創作等領域的共性科學問題和核心技術。在計算機內生成物體三維表示主要有兩類方法。一類是使用幾何建模軟件通過人機交互生成人為控制下的物體三維幾何模型,另一類是通過一定的手段獲取真實物體的幾何形狀。前者實現技術已經十分成熟,現有若干軟件支持,比如:3DMAX、Maya、AutoCAD、UG等等,它們一般使用具有數學表達式的曲線曲面表示幾何形狀。後者一般稱為三維重建過程,三維重建是指利用二維投影恢復物體三維信息(形狀等)的數學過程和計算機技術,包括數據獲取、預處理、點雲拼接和特徵分析等步驟。

（1） 圖像獲取：在進行圖像處理之前，先要用攝像機獲取三維物體的二維圖像。光照條件、相機的幾何特性等對後續的圖像處理造成很大的影響。

（2）攝像機標定：通過攝像機標定來建立有效的成像模型，求解出攝像機的內外參數，這樣就可以結合圖像的匹配結果得到空間中的三維點座標，從而達到進行三維重建的目的。

（3）特徵提取：特徵主要包括特徵點、特徵線和區域。大多數情況下都是以特徵點為匹配基元，特徵點以何種形式提取與用何種匹配策略緊密聯繫。因此在進行特徵點的提取時需要先確定用哪種匹配方法。

特徵點提取算法可以總結為：基於方向導數的方法，基於圖像亮度對比關係的方法，基於數學形態學的方法三種。

（4）立體匹配：立體匹配是指根據所提取的特徵來建立圖像對之間的一種對應關係，也就是將同一物理空間點在兩幅不同圖像中的成像點進行一一對應起來。在進行匹配時要注意場景中一些因素的干擾，比如光照條件、噪聲干擾、景物幾何形狀畸變、表面物理特性以及攝像機機特性等諸多變化因素。

（5）三維重建：有了比較精確的匹配結果，結合攝像機標定的內外參數，就可以恢復出三維場景信息。由於三維重建精度受匹配精度，攝像機的內外參數誤差等因素的影響，因此首先需要做好前面幾個步驟的工作，使得各個環節的精度高，誤差小，這樣才能設計出一個比較精確的立體視覺系統。