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厉害了!易尚3D技术成果登上了国家级学术期刊!

厉害了!易尚3D技术成果登上了国家级学术期刊!
2018年12月24日 15:16 新浪网 作者 3D虎官方微博

  《激光与光电子学进展》期刊,是由中国科学院主管,中国科学院上海光学精密机械研究所主办,中国激光杂志社出版的学术类月刊,创刊于1964年,是国内激光与光电子领域的第一本期刊。该期刊被中国科技核心期刊、中国中文核心期刊和中国科学引文数据库等收录。期刊主要发表激光与光电子领域的最新研究论文以及具有一定深度和前瞻性的综述论文,旨在及时报道国内外激光与光电子学领域科技的最新研究成果与技术应用,促进国内外学术交流,沟通科研与产业的联系,促进激光与光电子事业的发展。

  厉害了!易尚3D技术成果登上了国家级学术期刊!

  《激光与光电子学进展》2018第十一期封面

  简单说,《激光与光电子学进展》在中国激光与光电子领域的地位,相当于《VOGUE》之于时尚。有幸登上VOGUE封面就等于肯定了此人在时尚圈的地位不凡。同理,此刊的封面文章都是业内意义重大的最新研究成果与技术应用。今天我们来聊聊《激光与光电子学进展》11月的这篇封面文章“彩色三维扫描中纹理重建技术研究进展”。

  这是易尚展示与合作团队,在国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项“三维数字彩色成像测量仪”的项目过程中取得的重大成果。

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  国家重点研发计划“三维数字彩色成像测量仪”2018年度会议现场

  这一重大专项是由国内3D扫描打印及VR/AR领域的领军企业易尚展示牵头,联合清华大学、北京航空航天大学、深圳大学、南京理工大学、河北工业大学、中航工业长城计量所等国内光学领域顶尖研究院所组建的,其目的是以核心技术、关键部件的自主研发为突破口,研制出具备自主知识产权、技术国际领先、核心部件国产化、质量稳定可靠的结构光三维数字彩色成像测量仪。

  那么,此篇论文的核心—纹理重建,在三维数字成像技术中起了什么作用呢?

  三维数字成像技术可以生成记录物体形状的几何模型,但这还不足以精确表达真实物体。为了建立照片真实感的三维模型,还需要将物体的表面颜色和几何模型融合。因此在三维扫描技术基础上对物体表面纹理进行重建,可以实现三维数字彩色成像。

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  三维彩色模型的纹理重建广泛应用于文物研究与保护中

  1、基本原理

  三维数字成像系统通常包括投影和采集两部分。

  投影部分通常采用高速数字光处理(DLP)技术,将载频条纹利用数字微镜器件(DMD)投射到被测物体表面;采集系统为高速工业相机,能够同步记录被测物体高度调制的形变条纹图像,然后从形变条纹中解算出的物体的深度数据,在应用中多采用双目结构,即两个工业相机和一个投影仪构成一个三维传感节点,采用多个三维传感节点,就能对被测物体进行全方位的测量和重建。

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  以上多个部件实现的效果,一台易尚鹰眼S1彩色桌面三维扫描仪就能完成,智能高效↓

  厉害了!易尚3D技术成果登上了国家级学术期刊!

  易尚鹰眼S1彩色桌面三维扫描仪

  在完成结构光投采后,对采集到的图像应用相位提取和相位展开算法,可得到被测物体不同角度的单面深度数据。单面的深度数据需要通过坐标变换匹配到世界坐标系或全局坐标系中进行深度数据匹配。然后通过删除冗余点数据,平滑边界数据,对深度数据进行融合,便可得到完整的三维几何模型。

  由于工业相机的分辨率和色彩还原度不及单反相机,通过在传感器节点上附加彩色单反相机用来拍摄物体纹理。采集到纹理图像通过纹理映射投影到三维模型表面,建立二维图像像素到三维空间点的映射关系,最终生成具有真实感的三维彩色模型。

  2、关键技术

  纹理映射虽然能够实现给模型上色的功能,但在实际应用中,这种映射关系往往受到模型精度、相机误差等因素的影响,无法获得准确的纹理映射关系。不同视角光照环境的差异,以及物体表面材质对光照反射的各向异性会造成纹理图像之间色彩差异较大,这些情况也会导致纹理重建的质量下降。如何生成过渡平滑、色彩清晰自然的三维模型,是纹理重建中的关键技术。

  纹理重建方法一般分为两种策略:

  (1)针对三维模型中每个面片确定各方向纹理坐标,选择最佳纹理图像;

  (2)对多幅图像进行叠加混合与优化处理,形成最终纹理图像。

  在纹理拼接方法中,早期的工作针对每个面片,使用贪心算法最小化相邻面片来自不同纹理图像的数量。然而贪心算法得到的是局部最优解,不能全局减少纹理接缝的产生。目前主流的方法是马尔可夫随机场(MRF)优化方法,能够在全局范围内最大程度地减少纹理接缝产生。同时辅以泊松图像编辑等色彩融合校正方法对纹理接缝做进一步消除。

  纹理拼接方法需结合多种算法处理,执行效率上不能满足快速建模要求,基于复合权重的纹理融合方法能够实现全自动的纹理重建。纹理权重是对纹理质量的一种评价,权重越大,代表颜色可信度越高,对融合后的颜色贡献也越大。通过复合权重对纹理进行融合,能有效消除模糊和重影,实现平滑无缝的纹理重建。基于高精密传感标定、基于复合权重的高真实感纹理融合等一系列高效融合算法,实现了三维传感技术与计算机图形学技术无缝接轨,在保证精度的条件下,确保融合高效性和输出模型的可视性,为无人工干预的三维数字彩色成像实现提供了先进性支撑。

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  复合权重与平均权重纹理融合结果比较

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  易尚鹰眼S1彩色桌面三维扫描仪对纹理细节的呈现

  3、问题和挑战

  随着纹理分辨率和模型面片数量的提高,对纹理重建算法的执行效率提出了更高的要求。目前小型结构光三维扫描仪获得的面片数量可达百万量级,对于大尺度的三维场景面片数量甚至上亿。采用 GPU 计算或 FPGA 硬件进行算法加速,提升系统处理速度,是未来集成化三维扫描系统的趋势。

  遮挡现象是纹理重建中普遍存在的问题,遮挡现象会对纹理图像的采集造成干扰,导致模型和纹理之间出现错误的纹理映射关系。因此,提高去遮挡算法的抗干扰能力和鲁棒性是未来纹理重建方法研究重点之一。

  对光反射属性的重建是纹理重建技术发展中一项必然而迫切的需求。基于现有三维扫描仪,选取合适的光照模型,获得物体表面光反射属性参数,对于三维模型的真实感呈现,尤其是高反射率属性的材质(如玻璃、金属等)的纹理重建具有重要意义。

  现在我们不难明白,纹理重建技术的提升,对三维模型的呈现有着非常重要的意义。这也正是此篇论文能作为封面文章登上《激光与光电子学进展》期刊的原因。

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