（通信与信息系统专业论文）三维对象重构技术的研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：歆1 ) 日文妄式 日期：沙，口年，2 月：；d 日 基于a m s s6 x x x 平台的e v d o 无线上网卡增值功能研究与开发 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密彤 学位论文作者签名：欧f d 灵妄式 日期：劲f d 年儿月；o 日 指导教师签名： 寓匆浑 日期：幽f 。年f 2 月弓d 日 三维对象重构技术的研究 摘要 随着我国计算机技术和社会经济的发展，人们对服装的质量、合 体性、个性化的要求越来越高，现有的二维服装c a d 技术已经不能 满足纺织服装业的c a d 应用要求，服装c a d 迫切需要由目前的平 面设计发展到立体三维设计。其中，如何根据模特的照片序列重建出 模特的三维模型将具有重要的研究意义。本课题来源于国家重点学科 “服装设计与工程”服装c a d 与美化服饰等方面的研究，在应用计 算机图像图形处理、c a d 、人工智能、图形学与显示等方面的新技术、 新成果的基础上，研究三维对象重构这一新兴、交叉领域中关键性的 理论、应用问题及其有效解决方法。 三维对象重构的方法有许多种，由于视觉外壳的重构方法速度 快，且只需要知道重构对象的轮廓，所以本文将在研究中将此种方法 作为讨论基础。通过对彩色图像序列的二值化操作，提取对象轮廓。 利用镜面反射多角度几何关系计算相机内外参数。最后借助o p e n g l 函数库开发模型浏览器，对重构模型进行可视化验证。 本文就物体轮廓提取提出了一系列解决方案。通过对常用彩色图 像处理时使用的色彩空间的介绍，以及颜色空间结合颜色相似度处理 的结果进行对比从而确定颜色空间的选择。针对以往颜色相似度计算 方法的不足，提出了新的颜色相似度的计算方法。根据颜色相似度定 义，以及对典型差影法的详细研究，提出了基于颜色相似度的差影法。 东华大学硕士研究生学位论文 摘要 通过分析二维o t s u 动态阈值算法，给出了适合本文二值化方法 基于颜色相似度的动态阈值算法。针对二值化处理结果，提出了对噪 声处理的方案：采用数学形态学分离了与对象连接的噪声；内轮廓填 充修补了对象内部存在的空洞；区域填充算法则以面积为阈值对图像 整体进行了噪声的消除。 通过比较各种相机标定方法，本文结合基于镜面拍摄场景方法， 提出了利用成像图像各个对象之间的几何关系推导出相机内外部参 数，并且通过视角的交点的一致性确定了图像中对象轮廓顺序。这些 都为三维对象的模型重构起到了决定性的作用。 重构后的对象模型以网格( m e s h ) 数据结构储存，保留了对象 点在空间的相对位置关系，以及点与点的三角关系。借助o p e n g l 函 数库对重构模型进行旋转，平移，放大等可视化操作。同时验证了重 构模型的准确性。 关键字：三维重构，颜色相似度，二值化，相机自标定，网格，o p e n g l i i 东华大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t ar e s e a r c h f o rt h r e ed i 【e n s l 0 n a l0 b j e c t i 己e c o n s t r u c t i o n a bs t r a c t w i t h c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n ds o c i c - e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ， a p p a r e l sq u a l i t y , f i t ，a n di n d i v i d u a l i t yf o rh u m a na r en e e d e d s t r o n g l y r e q u i r e m e n t s t h ee x t a n tt w o d i m e n s i o n a la p p a r e lc a d t e c h n o l o g yh a s b e e nu n a b l et om e e tt h et e x t i l ea n d a p p a r e li n d u s t r yc a da p p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s c a dt e c h n o l o g yf o ra p p a r e ls h o u l de v o l v ef r o mt h e c u r r e n t t w o d i m e n s i o n a lg r a p h i cd e s i g nt ot h e t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g n t h u s ， t or e c o n s t r u c tt h e3 dm o d e lf r o m2 d i m a g e sw i l lb eas i g n i f i c a n l r e s e a r c h i n t e r e s tt h i sp r o je c ti s o r i g i n a t e df r o mt h en a t i o n a lk e yd i s c i p l i n e s - a p p a r e ld e s i g na n dp r o j e c tw h i c hi sr e s e a r c h e do na p p a r e lc a da n d g a r m e n td e c o r a t i o n b a s e do nt h e i m a g ep r o c e s s i n g ，c a d ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，a n dc o m p u t e rg r a p h i c st e c h n o l o g y , t h i sp r o je c ti sr e s e a r c h e d o n3 d o b j e c tr e c o n s t r u c t i o n v i s u a lh u l l a l g o r i t h mi sc h o s e nf r o mm a n y3 dr e c o n s t r u c t i o n m e t h o d s ，b e c a u s eo fi t sh i g h e ra l g o r i t h me f f i c i e n c ya n dl e s sp a r a m e t e r r e q u i r e m e n t s ( o n l yn e e d st h eo b je c t sc o n t o u r s ) t h u s ，t h i sr e s e a r c h c o n t e n t sa r ef o u n do nv i s u a lh u l la l g ) r i t h m i no r d e rt oe x t r a c to b j e c l s c o n t o u r s ，c o l o ri m a g e sa r en e e d e db i n a r i z a t i o n c a m e r a si n n e ra n d i i i 东华大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t e x t e r i o rp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e df r o mg e o m e t r i c a lr e l a t i o nw h i c hi s f o r m e db ym i r r o r s r e f l e c t i o n a no p e n g lm o d e lb r o w s e ri sd e v e l o p e dt o t e s ta n d v e r i f yt h er e c o n s t r u c t e dm o d e l t h i sp a p e rp r o p o s e das e r i e so fc o n t o u re x t r a c t i o ns o l u t i o r s c o l o r s i m i l a r i t yp r o c e s s i n gr e s u l t si nd i f f e r e n tc o l o rs p a c e sa r ed e t e r m i n e dt h e f i n a lc o l o rs p a c e an e wc o l o rs i m i l a r i t ya l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt or a k e u pt h ef o r m e ra l g o r i t h m sd e f i c i e n c ya c c o r d i n g t ot h ed e f m i t i o no fc o l o r s i m i l a r i t ya n dt h et y p i c a lm e t h o do f b a c k g r o u n ds u b t r a c t i o na l g o r i t h m ，a n e wb a c k g r o u n ds u b t r a c t i o nm e t h o db a s e do nc o l o rs i m i l a r i t yi sp r e s e n t e d t h et w o d i m e n s i o n a lo t s ud y n a r r i ct h r e s h o l da l g o r i t h mi s u s e di no u r n e wb a c k g r o u n ds u b t r a c t i o na l g o r i t h m i no r d e rt oo b t a i nab e t t e rb i n a r y r e s u l t ，m o r p h o l o g i c a lm e t h o ds e p a r a t ec o n n e c t e dn o i s eo nt h eo b j e c t s ； i n n e ro u t l i n ef i l l i n gm e t h o dr e p a i rt h eh o l e si n s i d et h eo b je c t s ；f l o o df i l l a l g o r i t h mi su s e d t of i l t e rt h ei m a g en o i s e c o m p a r e ds e v e r a lc a m e r a sc a l i b r a t i o nm e t h o d sa n db a s e do nt h e m i r r o r ss c e n e , ag e o m e t r i c a lc a l c u l a t e dc a m e r a sp a r a m e t e r si sp r e s e n t e d t h r o u g ht h ec o n s i s t e n c yo ft h ev i e w p o i n t ，t h ec o n t o u r ss e q u e n c ec a nb e d e t e r m i n e d t h e s ed oi m p o r t a n tf u n c t i o nf o rt h e3 dr e c o n s t r u c t i o n a f t e rr e c o n s t r u c t e d ，a l lt h ei n f o r m a t i o n ，s u c ha st h ep o i n t sp o s i t i o n ， t h er e l a t i o nb e t w e e ne a c ht r i a n g l e ，a r es a v e di nt h em e s hd a t as t r u c t u r e t h er e c o n s t r u c t e d3 dm o d e lc a nb er o t a t e d ，t r a n s f e r r e da n dz o o m e di n i v 东华大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h eo p e n g lm o d e lb r o w s e r t h em o d e la c c u r a c yc a nb ee a s i l yf o u n di n t h i sb r o w s e r o u y a n gw e n b i n ( t e l e c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) s u p e r v i s e db yt a n gl i - p i n g k e yw o r d s ：3 dr e c o n s t r u c t i o n , c o l o rs i m i l a r i t y , b i n a r i z a t i o n ，c a m e r a s e l f - c a l i b r a t i o n ，m e s h ，o p e n g l v 东华大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t v i 东华大学硕士研究生学垡堡文 一j 垫 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - 一一 目录 1 绪论l 1 1 课题研究背景l 1 2 服装虚拟展示系统介绍2 1 3 服装虚拟展示系统中的三维重构3 1 4 三维重构的研究现状3 1 5 本文主要内容4 2 图像拍摄场景的建立8 2 1 基于旋转的多角度照片获取8 2 2 基于镜面的多角度照片获取9 2 3 本章小结1 0 3 基于颜色相似度的彩色图片二值化1 1 3 1 颜色相似度定义1 2 3 2 基于欧氏距离颜色相似度的二值化1 7 3 3 二值化自动阈值18 3 4 基于颜色相似度的自动阈值二值化2 0 3 5 本章小结2 3 4 图像噪声处理2 4 4 1 形态学去噪2 4 4 2 对象内部空洞填充2 6 4 3 均值滤波2 7 4 4 灌水噪声滤波2 8 4 5 本章小结31 5 数码相机的成像模型3 2 5 1 数码相机的特点3 2 5 。2 数码相机的成像模型3 2 5 3 相机非线性畸变3 5 5 4 本章小结3 7 6 三维重构相机参数计算3 8 6 1 相机标定方法3 8 6 2 相机标定算法4 1 6 3 基于极点的相机自标定4 2 6 4 本章小结5 1 7 三维模型数据结构5 2 7 1 三维建模技术5 2 7 2 三角网格模型描述5 3 7 3m e s h 介绍5 4 7 4 本章小结5 5 8 系统环境的建立5 6 东华大学硕士研究生学位论文目录 8 1v r m l 文件结构5 6 8 2 基于o p e n g l 模型浏览器5 7 8 3 本章小结一6 0 9 总结与展望6 1 9 1 课题总结：6 1 9 2 课题研究展望6 1 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 致谢6 7 i i 东华大学硕士研究皇堂垡笙奎二堕! ! ! 重旦 插图索引 图2 1 旋转多角度照片拍摄模型一8 图2 2 旋转多角度玩具恐龙照片9 图2 3 基于两面镜子的多角度照片1 0 图3 1 彩色图像二值化系统整体结构l 1 图3 2r g b 颜色模型12 图3 3h s v 颜色模型1 3 图3 4c i e l a b 颜色模型1 3 图3 5h s v 与r g b 颜色空间三维直方图统计1 5 图3 - 6 三维直方图统计对图像二值化的处理效果1 5 图3 7 颜色距离和空间信息图像1 7 图3 8 颜色相似度差影法效果图1 7 图3 - 9 颜色相似度差影法流程图1 8 图3 1 0 二维直方图的平面投影示意图的四象限划分1 9 图3 1 1 自动阈值与固定阈值的结果比较2 2 图3 1 2 基于颜色相似度的自动阈值二值化算法流程图2 3 图4 1 开操作处理结果图2 6 图4 2 中心空洞填补流程图2 7 图4 3 中心空洞填补结果图2 7 图4 4 四邻域灌水示意图2 9 图4 5 四邻灌水流程图3 0 图4 6 四邻域灌水滤波结果图31 图5 1 针孔模型3 3 图6 1 对象的轮廓视角和极点之间的联系4 2 图6 2 两个镜子的场景4 3 图6 3 五个物体轮廓与极点的相对位置4 4 图6 - 4 轮廓排序4 6 图6 5 图像排序部分详细流程4 7 图6 - 6 相机平面4 7 图6 - 7 计算c r 坐标 ，_ y ) 4 8 图6 8 勾股定理计算焦距4 9 图6 - 9 基线的性质5 0 图8 1m e s h 模型浏览器6 0 i i i 东华大学硕士研究生学位论文 表格索弓 表格索引 表6 1 几种相机标定方法的总结与比较4 0 i v 东华大兰堡主婴窒竺堂堡笙苎咝 - - _ _ _ _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ 。_ 。_ _ _ - - _ _ i - 。- 。一。一 1 绪论 随着我国计算机技术和社会经济的发展，三维信息技术已应用于人们生活的 各个层面，三维电影、三维地图、三维服装以及三维医学已被人们所获悉。因此， 现有的二维c a d 技术已经不能满足人们对于c a d 的应用要求，c a d 迫切需要 由目前的平面设计发展到立体三维设计。其中，如何根据二维照片序列重建出模 三维模型将具有重要的研究意义。基于图像的三维重建是根据若干幅图片来恢复 物体和场景的三维模型的方法。该方法是一个交叉领域，涉及到计算机图像处理、 计算机图形学、计算机视觉以及模式识别等诸多学科。 1 1 课题研究背景 计算机视觉是使计算机能够通过二维的图像认知三维环境的信息能力，它是 一种成像过程的逆过程。因此其本质就是对于三维结构重构的研究。它包括：对 象的形态、姿态、位置、运行状态等，并且通过计算机对对象进行描述、识别、 存储、输出。 计算机视觉是一门新兴学科，发展十分迅速。早在6 0 年代，r o b e r t s 通过计 算机程序从数字图像中提取了简单的三维几何模型，诸如立方体、棱柱体、椎体 等，并且能够利用计算机描述了物体的形状以及各自的空间信息。r o b e r t s 的研 究开创了以理解三维模型为目的的计算机视觉研究【1 1 。2 0 世纪7 0 年代，m a r r 在 美国麻省理工学院形成关于视觉的计算理论，提出了一整套视觉计算理论，将系 统的视觉过程自下而上的分为三个级别，即视觉信息从原始二维图像数据到最终 三维环境的描述。从2 0 世纪8 0 年代开始，计算机视觉的研究在全球引起了热潮 2 】 0 三维重构是计算机视觉的重要内容之一，它是通过二维数字图像中的对象信 息来恢复三维空间，即研究三维空间点、线、面的三维坐标与二维数字图像点、 线、面的二维坐标关系。三维重构由两大部分组成： ( 1 ) 利用成像设备将三维真实空间转换成二维数字图像序列。 ( 2 ) 对二维数字图像序列进行分析、处理，实现三维重构。 东华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 对于不同的成像设备获取的二维图像也有不同的特性，利用针孔模型成像 原理获取二维数字图像的有数码摄像机，数码照相机等光学镜头设备。随着科学 技术的发展诸如激光扫描、超声波、红外、雷达、c t 成像的技术的涌现，新的 多样化的成像原理也越来越多的应用到三维重构之中。有些是获取与实景成比例 关系的二维数据，有些是映射图像，有些是系列图像。 对于不同的二维成像原理，其三维重构算法不尽相同。激光和c t 是利用间 隔切片扫描形成序列且成比例的若干二维图像，图像序列按比例扩大按照原间隔 等距排列组合，重构表面实现三维空间重构。超声波、雷达所采集的数据本身就 带有图像的深度信息，因此很容易实现三维重构。对于针孔成像模型下的二维图 像实现三维重构，由于缺失了对象的深度信息以及比例关系是最难以实现的一种 三维重构方法。但较之前两种方法的使用简便，普及性强，费用低廉，基于针孔 模型的三维重构方法已成为当下研究热点。本次服装虚拟展示系统的研发就是在 针孔模型成像条件下的三维重构技术，并寻求简单、高效、可靠的图像处理方法。 1 2 服装虚拟展示系统介绍 在服装设计与工程中的服装c a d 与美化服饰等是国家的重点学科，本课题 的研究就是结合了这一方面，同时在计算机处理等技术和成果的研究基础上，将 三维技术融入其中。课题的深入研究可以赋予很多目前为止难以实现的问题一个 新的解决方法，从而将服装的虚拟展示系统推入一个新的阶段。 首先例如在建立服饰三维虚拟实现基础素材库方面，必然需要提取各类织 物所特有的特征参数。通过特征参数的提取，建立各类数据库，其中包括了款式 库、面料库和模特库等等。真是归功于基础素材库的建立和以及分类功能，为服 装虚拟系统中穿着的服饰面料、款式等提供了丰富可选的虚拟展示基础。 其次，对二维图像中的物体建立三维虚拟模型的过程中。第一步需要利用 图像采集设备对静止的物体进行多角度且连续的采集，第二步通过对二维图像的 计算求取三维参数，建立三维模型数据库。最终便可利用三维虚拟场景的数据结 构，构建三维模型用于虚拟显示。 继而，为了实现服饰单品二维c a d 设计的三维虚拟展示，就需要通过单品 二维c a d 设计参数与三维模特特征匹配，采用二维缝合的方法为三维模特表面 东华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 穿衣，最终达到三维效果的显示。 最后由基础素材库提取的服饰特征经过一系列算法的变换后，便可实现多种 服饰三维虚拟的展示以及显示需求。 1 3 服装虚拟展示系统中的三维重构 三维重建就是要利用图像或者其他信息和手段定量研究事物或者场景中的 三位空间特征的技术。由于存在着很多技术性的难点问题，例如：重建精度、系 统复杂性、数学模型的有效性问题等等，因此其一直是一个颇具挑战的课题。 计算机的三维重构所涉及的领域十分广泛，军事、医学、美容、可视电话等 等，在服装的虚拟展示系统中，这种方法尤为重要。基于图像的三维重建是根据 若干幅图片来恢复物体和场景的三维模型的方法。该方法是一个交叉领域，涉及 到计算机图像处理、计算机图形学、计算机视觉以及模式识别等诸多学科。 尽管目前在这方面的研究处于一种瓶颈阶段，存在着很多的技术难点，因此 发展的进度也十分缓慢，但是计算机理论、认知学科、视觉学科等各方面综合拓 展和研究，必将推动计算机的三维重构技术达到新的高度。 1 4 三维重构的研究现状 当前，针对三维重建技术，国内外提出了许多重要的解决方案。例如：视觉 外壳( v i s u a lh u l l ) 3 】、相片外壳( p h o t oh u l l ) 【4 ；使用了局部算子优化的水平 集法( l e v e ls e t s ) 5 】；使用了全局优化的基于视差图和深度域的最小切害4 j ( m i n i m a l c u t so nd i s p a r i t ym a p sa n dd e p t h f i e l d s ) 【6 1 ；区域匹配和特征匹配的新算法【7 ；遮 挡处理方法 8 】；多摄像机立体视觉 9 ；立体视觉实时实现方法等。 三维重构技术，正在被广泛地应用于许多最新的领域和最高科技的技术中。 具体地，三维重构技术主要有以下几个方面的应用： ( 1 ) 医学图像技术： 目前，医学图像的三维技术已经广泛用于医学诊断等各方面，其中x 射线、 核磁共振技术等。对医学图像进行增强、标记、染色等，从而帮助医生对于病情 的诊断。 东华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 ( 2 ) 航空技术： 在航空领域，三维重构技术主要应用的方面有：航空摄影、气象卫星图像以 及资源卫星图像。尽管这三种图像成像原理不同，但是三维重构的应用在这三方 面都获得了成功的应用。 ， ( 3 ) 交通监察技术 在交通事故现场勘查、车场监视、车辆识别、车牌号码识别等方面。犯罪嫌 疑人的面孔、指纹等特征参数识别特定的人。 ( 4 ) 工业自动化技术 计算机的三维重构在自动化生产的装配线上可以得到很好的应用，能够用于 识别零部件、为工业机器人或者机械手提供操作指令、对装配对象进行定位、检 验产品质量等有着很好的应用前景。 ( 5 ) 其他技术 三维重构还可以用于各类体育运动的分析、人体测量、食品、农业、心理学、 电视电影制作、远程教育、虚拟现实等【i i 】。 三维重构技术的发展和延伸，可以使人类科学研究不断深入，提高识别计算 的速度和能力，从而被结合到更加复杂和深入的研究中去。 1 5 本文主要内容 在上两节中，已经明确阐述了服装虚拟展示系统的意义、必要性以及目前国 内外研究领域中关于三维重构的发展情况。本课题主要研究服装虚拟展示系统中 人体三维模特的重构算法。通过对人体模特照片采集，二值化处理，寻找一种适 合于人体三维重构的建模算法，在此基础上简化建模步骤，达到良好的建模结果。 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 建立简便的三维拍摄场景，为三维重构算法，提供充足确实的二维人体 数据。 、 ( 2 ) 研究彩色图像颜色识别模式，为二维照片的对象识别和提取做好准备。 ( 3 ) 在确定了颜色识别模式的前提下，推导适合于本文研究对象的二值化方 法。 4 东华大学堡士研窒竺堂垡堡奎一j ! ! 堕 - _ _ - _ - _ _ - _ _ i - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ( 4 ) 研究二值化方法的动态阈值算法，使得二值化方法能自适应不同的研究 对象和背景。 ( 5 ) 相机拍摄抖动处理以及二值化后图像噪声处理，轮廓信息提取为三维重 构算法提供可靠的数据。 ( 6 ) 计算机如何根据现实场景中拍摄的照片，自动完成相机的标定，求解出 相机内部参数，结合三维重构算法求解模型数据。 ( 7 ) 在针孔模型下，成像过程中不同坐标系之间的转换关系。 ( 8 ) 对于重构的物体数据结构、v r m l 语言等进行简单的介绍。 ( 9 ) o p e n g l 开发模型显示平台，对重构模型进行简单的平移，旋转，缩 放等可视化操作。 1 5 2 研究方法 ( 1 ) 调查、验证相关三维重构的方法 目前为止，对于三维重构的方法各种各样。本课题研究关于人体三维模型的 数据求取，包括重构人体模型的姿态与照片数据一致，体型比例无失真。描述方 法的关键是如何根据有限的二维照片信息重构出完整的三维模型。 ( 2 ) 研究彩色图片轮廓提取算法 在研究彩色图片对象轮廓提取方面，最常用的方法对图片进行灰度处理，根 据灰度特征进行二值化边缘提取，但是在图片进行灰度处理时就丢失了原有的彩 色信息。所以，在研究过程中利用图片的色度空间对象和背景的颜色差对图片进 行边缘特征分析，最终提取有效地对象轮廓。 ( 3 ) 二维照片相机参数求取 该内容是本课题研究中最为核心、最为关键的部分，它是在承接了上述两项 工作的基础之上实现的。在这部分的研究中，首先对照片对象进行合理排序，确 定主体，通过几何计算求解相机参数。 1 5 3 研究目标 ( 1 ) 在寻找和比较各种图像描述方法的基础上，寻找出一种可行的方法，可 以完整有效地从彩色图片中提取出不通对象的轮廓图。 东华大学硕士研究生学位论文 l 绪论 ( 2 ) 通过比较、实验、改进和综合的方式，整合出一套有效的三维对象重构 算法，目的是简单、有效、精确。 1 5 4 结构安排 ( 1 ) 课题的研究意义以及研究进展 讨论了三维对象重构技术课题的研究背景和研究意义，同时详细讨论了 本文在服装三维虚拟展示系统中的位置、研究意义和目前阶段国内外学术界在该 领域的研究情况。 ( 2 ) 图像拍摄场景的建立 该章节中论述目前最为有常见的三维重构硬件环境拍摄方法，对不同的方法 进行介绍、比较，最终选取适合服装三维虚拟展示系统的便捷，准确的拍摄方法。 ( 3 ) 基于颜色相似度的彩色图片二值化 检测图像序列中对象的轮廓，提出一种基于图像序列颜色相似度的二值化方 法，为三维重构算法提供了充足，有效的对象轮廓信息 ( 4 ) 图像噪声处理 基于静止背景目标检测算法获得的二值化轮廓图像，对二值化过程中产生的 数字噪声以及对象点冗余噪声进行去噪平滑处理。从而获得一副准确的对象轮廓 图片。 ( 5 ) 数码相机成像模型 数码相机成像原理，并对图像像素坐标、图像物理坐标、相机坐标以及世界 坐标四者之间的关系进行了相互转换。由于相机畸变对三维重构的准确性产生的 影响做出了简要的概述。 ( 6 ) 三维重构相机标定 相机标定是三维重构算法中较为重要的一部分，不同角度的二维照片的数据 拟合就是通过相机参数标定而最终获取三维模型数据。目前相机参数标定多为己 知数据，作为输入量为重构算法提供依据需要一定的相机专业知识。而本文提出 一种基于几何方法的相机自标定，通过几何数据自动求解相机参数，大大简化了 使用者对相机特性的认知度。 ( 7 ) 三维模型的数据结构 东华大学硕士研究生学位论文 1 绪论 三维模型数据构成分为空间点坐标和几何网格数据，以三角形为基本单元构 成拓扑结构，形成m e s h 网络。 ( 8 ) 模型文件可视化操作 v r m l 文件格式的构成做出了明确的定义。本文所获得的三维模型数据即 是按照v r m l 文件定义格式。利用o p e n g l 对获得的模型数据行进放大、平移、 旋转等可视化操作。 ( 9 ) 总结与展望 总结本文了的研究内容并对后期三维模型的表面平滑做出了展望。 东华大学硕士研究生学位论文 2 图像拍摄场景的建立 2 图像拍摄场景的建立 基于针孔模型的图像拍摄需要搭建一个合适的拍摄场景，以便于从二维照片 构建三维模型对同一对象有足够的多角度图像数据。 2 1 基于旋转的多角度照片获取 这种拍摄场景针对于“旋转相机标定方法”。旋转的主要手段通常分为：( 1 ) 物体放置于云台，相机固定，每隔一定角度对物体拍摄。( 2 ) 物体固定于平面， 相机在一个水平面旋转拍摄，固定曝光时间获得不同角度的对象影像。 两种方法的本质都是通过旋转来获取对象多角度影像，具体的做法如图2 1 ： 以拍摄对象为中心( 绿色立方体) ，利用拍摄设备在轨道同一平面围绕对象旋转 拍摄( 蓝色为拍摄设备) ，每隔一个特定角度拍摄一张照片，最终获得一定数量 的物体的多角度投影【12 1 。 r - 1 ，v 图2 - 1 旋转多角度照片拍摄模型 奎竺奎堂堡主型塑竺堂垡笙壅二型型堡垦望墨堕垄兰 图2 - 2 旋转多角度玩具恐龙照片 图2 2 为在旋转多角度拍摄环境下玩具恐龙的图像序列。基于图2 - 1 的拍摄 模型，拍摄设备每隔1 0 。对恐龙模型进行采样，最终形成了3 6 张多角度的玩具 恐龙照片。 该方法能获得充足的三维重构信息，但是对于拍摄轨道的需求并不能普及到 人们的生活，而且3 6 张图片容易产生信息冗余不利于图像之间的匹配，更容易 造成误差。因此，本次研究寻求了另外一种更为简便、高效的拍摄环境。 2 2 基于镜面的多角度照片获取 基于镜面的多角度照片获取方法是一种利用两面镜子反射成像的物理现象 所构思的一种简便，高效的拍摄环境。该方法所需硬件设备简单，便于家庭使用 的普及。 实验设备：家用梳妆镜2 面，家用数码相机一部，三角架一个。 场景搭建流程： ( 1 ) 两面镜子相互搭建成近似7 2 。夹角。 查竺奎堂堡主竺茎竺堂垡笙文2 图像拍摄场景的建立 一：= ：= ：= ：= ：= ：= ( 2 ) 将重构对象放置于镜面前，使之形成4 个虚像。 ( 3 ) 调整对象位嚣，确保重构物体互不连接，相对独立。 ( 4 ) 数码相机对当前环境进行拍摄取样。 图2 - 3 基于两面镜子的多角度照片 图2 3 所示，人偶放置于两面成7 2 。夹角镜面前，形成4 个互不重叠虚像。 实验证明该方法简单，有效。由于是相机一次拍摄就成像5 个轮廓有效的避免了 有多次拍摄不同角度相机所产生的机械误差。但是通过仔细比对实体轮廓与镜面 反射构成的虚像，可以观察到实体轮廓略大于虚像轮廓。经过实验分析这种误差 并不影响模型的生成，相对于照相机成像焦距长度由于物体远近造成的轮廓差异 可以忽略不计。因此，本次重构场景选取基于双镜面反射成像的拍摄环境。 2 3 本章小结 图像拍摄场景决定了三维重构的算法基础，通过比较旋转多角度拍摄法和基 于镜面反射的多角度拍摄法，分析硬件投入费用、易操作性、普及性以及机械误 差，最后选取了镜面反射多角度成像方法为本次三维对象重构研究的硬件拍摄环 上盘 境。 东华大学硕士研究生学位论文 3 基于颜色相似度的彩色图片二值化 3 基于颜色相似度的彩色图片二值化 基于图像的三维对象重构其本质是建立对象轮廓间的相互关系。为最终获得 一个完整不失真的三维模型，对于彩色图像的对象轮廓提取精确性尤为重要。而 二值化处理是得到精确对象轮廓的必要条件。 图像二值化系统主要由五个部分构成( 图3 1 ) 。输入图像的预处理负责处理 输入图像的格式和图像数据结构的存储。颜色处理部分则是对彩色图像进行色彩 空间，颜色距离的处理，输出一个保存输入图像特征的图像数据结构。自动阈值 二值化处理则进行对象的二值化处理。噪声处理负责处理二值化产生的噪声，对 象边缘处理则对二值化图像进行进一步的处理。 图3 - 1 彩色图像二值化系统整体结构 东华大学硕士研究生学位论文3 基于颜色相似度的彩色图片二值化 3 1 颜色相似度定义 本文所介绍的轮廓提取是通过两张彩色图片进行的，通过对比对象图与背景 图，将对象从复杂的背景中提取出来。 3 1 1 色彩空间 在彩色图像处理中，通常用一组值( 通常是三个，四个值或者是颜色成分) 来描述某个像素点的色彩信息。这样抽象的颜色数学模型，将它称为颜色空间。 在彩色图像处理中常用的有- s t 颜色空问模型r g b 、h s b 、c i e l a b 。他们 分别对色彩信息进行了不同特征的定义，在使用颜色空间处理彩色图像时，可以 反映出图像色彩信息的不同特征。因此在进行彩色图像处理时应当选择合适的颜 色空问有助于化简对图像处理的计算。 ( 1 )三原色光模式( r g b 色彩空间) r g b 色彩模式1 3 1 使用r g b 颜色模型( 图3 2 ) 为图像中每一个像素的r g b 分量分配一个0 - 2 5 5 范围内的强度值。r g b 图像只使用三种颜色，就可以使它 们按照不同的比例混合，在屏幕上重现1 6 7 7 7 2 1 6 种颜色。 0 f e ，n f e d 图3 - 2r g b 颜色模型 ( 2 ) h s v 色彩空间 h s v ( 也叫做h s b ) 1 4 1 是对r g b 色彩空间中点的两种有关系的表示，它尝 试描述比r g b 更准确的感知颜色联系，并仍保持在计算上简单。h s v 表示h u e 、 s a t u r a t i o n 、v a l u e 。 东华大学硕士研究生学位论文 3 基于颜色相似度的彩色图片二值化 h s v 颜色空间把颜色描述为圆柱体内的点，这个圆柱的中心轴取值为自底 部的黑色到顶部的白色而在它们中间的是灰色，绕这个轴的角度对应于“色相”， 到这个轴的距离对应于“饱和度”，而沿着这个轴的距离对应于“v a l u e ”( 图 3 3 )。 图3 - 3h s v 颜色模型 h s v 模型的建立基于一个重要的事实：h s v 颜色空间反映了人的视觉系统 感知颜色的方式。这个特点使得h s v 模型非常适合彩色特性检测与分析。 ( 3 )c i e l a b 色彩空间 c i e l a b 5 j 是通常用来描述人眼可见的所有颜色的最完备的色彩模型。它的 建立基于一个最简单的事实：一种颜色不能同时既为黑又为白，既为红又为绿， 既为黄又为蓝。因此三水代表着明度，从明亮( 此时l * ：1 0 0 ) 到黑暗( 此时l 水= 0 ) 之间变化。么术值表示颜色从绿色( 一以木) 到红色( + 臼冰) 之间变化，而6 球值表示颜色 从黄色( + 6 木) 到蓝色( 一b 术) 之间变化( 图3 4 ) 。 。噤瓤 南自拶雾 图3 - 4c i e l a b 颜色模型 东华大学硕士研究生学位论文3 基于颜色相似度