基于多视角图像的三维重建的研究与应用

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三维重建作为交叉学科的热点课题,目标是利用计算机视觉、图形学的技术重建三维模型,近年来随着硬件的进步、互联网的发展,在数字城市、考古复原、3D打印、电影、游戏等诸多领域有了深入且广泛的应用。随着理论的进步和软硬件技术的发展,国内外逐渐出现了一些三维重建系统,封装了部分或者完整的重建流程。但已有的重建系统都或多或少存在一些问题,如主动视觉(激光或者扫描线)方案依赖于专用的设备;被动视觉所依赖的设备简单,但技术方案由于各个环节的运算量大,而导致重建耗时很长;某些商业的系统又有不菲的费用,且软件系统复杂学习成本较大。针对这一现状,本文在物体重建的场景下,对基于多视角图像的三维重建技术进行了研究,优化重建流程中多个环节,提出并实现一套轻量、模型纯净的三维重建系统,并将其中的关键技术应用在英特尔True View重建系统中。本文的主要贡献如下:(1)针对已有重建方案环节多运算量大的问题,本方案根据设定场景,设计了一套轻量易用的三维重建流程:使用ORB(Oriented FAST and rotated BRIEF)特征替换传统的 SIFT(Scale-invariant feature transform)、SURF(Speeded Up Robust Features)特征,使用OpenMP技术并行加速特征点提取匹配。(2)针对通用重建方案对物体表面纹理材质敏感的问题,本文引入一种改进的可视化外壳(Visual hull)技术直接由相机位姿和输入图片重建物体网格,以较低计算复杂度,替代了通用的立体匹配的重建稠密点云的模块,极大降低了稠密重建(MVS)的计算量。(3)针对重建结果包含杂乱场景结构,需要手工加工模型的问题。本方案通过融合显著性目标检测来获得目标前景,自动去除了场景信息,生成只有感兴趣物体的三维模型。(4)将先进技术与实际的体育竞赛应用场景相结合,将以上技术改进应用到True View 360度重建系统中,在特定的体育竞赛场景中进行了部署与运行。重建结果表明,作者提出的方案在运算量和精度上取得了较好的均衡。本文根据三维重建领域中的需求,设计了一套轻量易用的三维重建系统,在关键环节进行优化提速取得了预期的效果。基于上述改进技术的True View系统已经在多个类型的体育比赛转播中应用,包括La Liga(National First Division League Championship,西班牙甲级联赛),NBA(National Basketball Association,美国职业篮球联赛),NFL(National Football League,美国职业橄榄球大联盟)等,360度立体重建效果获得了广大球迷的认可,取得了预期的效果。
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