长春理工大学光电工程学院光电检测与图像模拟及识别实验室，吉林 长春 130013
针对表面网格重建算法难以得到较好的纹理细节这一问题，提出一种融合自阴影重建（SFS）的表面网格优化算法。以表面网格模型作为初值。然后将该网格顶点投影至可视影像上获得其对应的SFS深度值。进而使用光度一致性约束算法融合SFS约束算法作为数据项、模型自身的曲率约束算法作为平滑项，共同组成网格顶点优化能量函数。最后通过梯度下降法最小化能量对网格顶点进行调整，达到优化网格模型的目的。所提算法在DTU数据集中，相比输入的网格模型精度提高了14.5%，相比现有主流表面网格优化模型算法精度提高了1.12%。实验结果表明，所提算法可以有效修正表面网格模型的纹理细节、提高网格模型精度，从而改善重建模型效果。
图像处理 测量 三维重建 网格优化 自阴影重建 激光与光电子学进展
2023, 60(20): 2010002
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
针对现有的透视投影下混合表面3D重建从明暗恢复形状(SFS)算法中辐照度方程求解耗时较长、误差较大的问题,提出了一种基于牛顿-拉弗森法的混合表面3D重建快速SFS算法。首先,采用Blinn-Phong模型表征物体表面的混合反射特性,结合摄像机的针孔透视投影模型,建立了与物体表面3D形貌信息相对应的图像偏微分辐照度方程;其次,将辐照度方程转换为关于物体表面高度梯度函数的方程,使用牛顿-拉弗森法迭代求解该方程的解;接着,将此解转换为哈密顿-雅可比偏微分辐照度方程,利用勒让德变换获得偏微分方程对应的哈密顿函数;最后,运用最优控制原理和迭代fast marching策略构建哈密顿函数的逼近方案并得到哈密顿-雅可比方程的黏性解,此黏性解代表了混合反射表面的高度值。实验结果表明:与现有的基于upwind格式的混合表面3D重建SFS算法相比,所提算法的运行时间得到大幅度的降低,获得的物体表面高度的平均绝对误差与均方根误差亦有较大程度的减小。
机器视觉 从明暗恢复形状 混合表面 3D重建 透视投影 辐照度方程 光学学报
2021, 41(12): 1215003
海底微地形粗糙度作为海底沉积物重要的物理性质，对于海洋工程以及海洋科学考察都有着重要意义，如何利用光学理论进行海底微地形粗糙度测量，是近年来该领域研究关注的热点。基于光学中的从明暗恢复形状（shame from shading,SFS）算法，提出一种快速的海底微地形粗糙度测量算法，在模型构建同时，添加水下光传播时的吸收和衰减模型，测量出海底的微地形，并用幂律形式进行参数拟合，以表征粗糙度。仿真证明该算法具有95%的置信度，是一种适用于海底微地形粗糙度测量的光学算法，并经过实验验证，证明其有效性和正确性。
海洋技术 海底声散射 从明暗恢复形状 海底微地形粗糙度测量 marine technology seafloor acoustic scattering shape from shading measurement of seafloor micro-topography roughness
1 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 济南 250100
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 北京联合大学 自动化学院, 北京 100095
在利用单幅影像的明暗恢复形状(Shape From Shading, SFS)三维重构算法的基础上, 提出同时考虑外界辐射源和目标自身红外辐射的IR-SFS(infrared-SFS)算法。首先通过分析SFS算法原理和空间目标的红外成像特性, 建立IR-SFS辐射方程并进行了仿真研究, 然后利用温度场估计获得红外差值图, 在人工合成的理想半球体、半圆柱体卫星红外影像上进行算法测试, 并以美国STS107真实红外影像作为实验目标进行三维重建。实验结果表明, 所提出IR-SFS算法经过参数优化后, 与原SFS算法相比, 重建模型的峰值信噪比更高, 对STS107顶部舱门、尾翼、机舱、机舱内方形部件具有更佳显示度, 整体效果得到明显改善。
红外影像 明暗恢复形状 三维重建 空间目标 infrared images Shape From Shading(SFS) 3D reconstruction space object
1 西安工业大学 光电工程学院,陕西 西安710032
2 西安利君制药有限责任公司,陕西 西安710077
针对含高光表面三维形状重构的需求,设计了一种基于从明暗恢复形状(SFS)方法的三维重构系统。在正交投影条件下由CCD相机获取点光源照射下的物体表面图像,使用Ward反射模型描述含高光表面的反射特性,建立物体表面图像辐照度方程。系统软件将该方程转化为包含物体高度信息的H-J偏微分方程,并计算此偏微分方程的解,得到物体的高度函数,进而恢复出物体的表面形状。实验表明,该系统可以有效地重构含高光表面的三维形状。
明暗恢复形状(SFS)方法 三维重构系统 Ward反射模型 shape from shading (SFS) approach 3D recovery system Ward reflectance model
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津 300072
为了对缺陷进行更加全面的判断,设计了一种新型三维缺陷检测方法,只需要根据单幅实时测量的工件图像,就可获得0°～180°范围内工件形貌的三维数据,进而对缺陷的平面及深度尺寸进行全面判断。其核心技术是根据单幅测量图像中留下的三维线索—灰度信息,进行亮度分析和转换,利用倾角和偏角计算物体深度信息。在工业现场磁性材料缺陷检测中,该方法在X和Y方向的分辨力达到0.1 mm,Z方向的分辨力达到0.007 mm。实验证明所使用的三维缺陷检测方法,工作方式简单,硬件成本低,处理速度快,精度高,适宜在工业现场应用。
光学测量 三维光学缺陷检测 基于阴影恢复形貌 灰度 倾角 偏角
中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室, 北京 100080
计算机视觉中传统的物体三维形状恢复方法大都基于光源是无穷远点光源的假设,如由单幅图像恢复三维形状(shape from shading)、光度立体视觉(photometric stereo)方法等。实际环境中的光源往往不能满足这个假设,因此大大限制了这些方法的应用。本文提出了一种更加实用的球扩展光源模型,并推导出此光源下漫反射物体表面的反射图。此模型在三维坐标系中描述了球光源位置、亮度、漫反射物体表面反射度与图象灰度的关系,从而可方便地应用于计算机视觉和计算机图形学。基于此模型,本文由单幅图像方法恢复物体三维形状。实验结果表明,基于此模型的由单幅图像恢复三维物体形状方法可正确恢复物体三维形状。
形状恢复 球扩展光源模型 漫反射 由单幅图像恢复三维物体形状
