基于单幅图像的三维重建技术研究

河北工业大学硕士学位论文

第一章绪论 ................................................................................................................. - 1 -1.1 引言 ...................................................................................................................... - 1 -1.2 三维建模研究背景与意义.................................................................................. - 2 - 1.3 三维建模研究现状.............................................................................................. - 2 - 1.4 本文主要研究内容及各章安排.......................................................................... - 3 - 第二章图像三维建模技术原理和模型 ..................................................................... - 5 -2.1 建模技术分类 ...................................................................................................... - 5 -

2.1.1 基于几何建模技术 ................................................................................... - 5 -

2.1.2 基于图像表面点采样建模技术 ............................................................... - 5 -

2.1.3 基于图像建模技术 ................................................................................... - 5 -2.2 单幅图像建模几何基础 ...................................................................................... - 6 -

2.2.1 齐次坐标 ................................................................................................... - 6 -

2.2.2 射影几何 ................................................................................................... - 7 -

2.2.3 分层重建 ................................................................................................... - 7 -2.3 射影几何原理及模型 .......................................................................................... - 8 -

2.3.1 常用三种坐标 ........................................................................................... - 9 -

2.3.2 线性相机模型 ........................................................................................... - 9 -

2.3.3中心投影构像方程 .................................................................................. - 11 -

2.3.4 二者关系--线性相机模型和中心投影构像方程 .................................. - 12 -2.4 本章小结 ............................................................................................................ - 12 -第三章图像预处理及灭点计算 ............................................................................... - 13 -3.1 图像特征检测 .................................................................................................... - 13 -

3.1.1 边缘检测 ................................................................................................. - 13 -

3.1.2 Hough变换提取直线 .............................................................................. - 15 -3.2灭点计算 ............................................................................................................. - 16 -

3.2.1 灭点介绍 ................................................................................................. - 16 -

3.2.2 数学方法计算灭点 ................................................................................. - 17 -

3.2.3 计算灭点的结果及分析 ......................................................................... - 18 -

III

基于单幅图像的三维重建技术研究

IV 3.3 本章小结 ............................................................................................................ - 20 -第四章基于灭点几何恢复三维信息 ....................................................................... - 21 -4.1 求解相机参数 .................................................................................................... - 21 -

4.1.1 求解相机内参数 ..................................................................................... - 21 -

4.1.2 求解旋转矩阵R ..................................................................................... - 23 -

4.1.3 求解平移向量t....................................................................................... - 25 -

4.1.4 求解摄影中心坐标................................................................................. - 25 -4.2 求解三维信息恢复参数 .................................................................................... - 26 -

4.2.1 基于共线方程建模 ................................................................................. - 26 -

4.2.2 基于图像中的相对深度建模 ................................................................. - 27 -

4.2.3 三维信息恢复及改进 ............................................................................. - 29 -

4.2.4 分析实验结果 ......................................................................................... - 31 -4.3 本章小结 ............................................................................................................ - 33 -第五章实验结果展示 ............................................................................................... - 34 -

5.1 基于灭点几何的参数获取 ................................................................................ - 34 -

5.1.1实验一：对纸盒进行三维重建 .............................................................. - 35 -

5.1.2实验二：对于文件柜进行三维重建 ...................................................... - 37 -5.2 三维重建结果 .................................................................................................... - 40 -

5.2.1 实验一：纸盒三维重建结果 ................................................................. - 40 -

5.2.2 实验二：文件柜三维重建结果 ............................................................. - 41 -5.3 实验结果分析 .................................................................................................... - 43 -第六章总结与展望 ................................................................................................... - 44 -

河北工业大学硕士学位论文

第一章绪论

1.1 引言

计算机视觉是对视觉进行模拟的过程，外设使用的是计算机或者相关设备。为了有效得到场景的三维信息，对相机采集来的视频或者图片进行客观处理。基于图像的三维立体重建技术重点就是把二维图像运用好的技术，重建出三维目标模型，是计算机视觉重点研究的科学领域。当前，图像建模技术可以应用的分类方法有很多[1]。基于视觉方向有单目方向、双目方向和多目方向。基于感知方式有主动和被动。而研究单幅图像的三维目标重建就要考虑到单目视觉原理。

单目和多目视觉方法对图像进行建模，首先考虑是同一场景，而且建模图像中夹杂有强烈的光照和渲染效果，最终生成三维图像。此方法最重要的是特征点匹配问题[2，3]，由于难度系数偏高，还需研究好的解决方法。

单幅图像的三维目标建模技术的基本原理是选取一张图片，对该张图片进行处理，进而重建出目标物体的形态，该技术由于计算复杂度低，图像特征匹配和约束条件全无，因此它从根本上简化了问题，让无数研究者倾心。考虑到单幅图像所带有的信息量少，建模精度低等问题，有些场景下无法真实的恢复三维信息，所以需要特定的场景下的图像。譬如建筑物图像，该图像中有众多几何属性，包括平行、正交、共面等信息，因此可以消除某些不确定因子，更好的实现二维图像到三维信息的重建。此外，对于古建筑物历史图片和遥感影像，由于可获得的图像数量有限的局限性，只能考虑通过单幅图像对目标进行重建。多幅图像重建中，匹配点个数是有要求的，该要求限制了多幅图像重建的应用范围，在此基础上进行分析，单幅图像重建不失为一种好方法。

在单幅图像的建模过程中，为了提高图像建模效率，就要涉及到人机交互相关知识。操作者在开始时就要想好适当的约束条件，要解决的问题，譬如怎么样才能高效的获取图像几何信息，改变参数使运行效率提升，如何建立起有真实感的三维模型，这些约束条件大大增加了建模技术的高效性。

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