[发明专利]一种基于单幅线条图像的三维立体重建方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理与计算机视觉领域，涉及一种基于单幅线条图像的三维立体重建方法。

背景技术

在各式各样的电子文档中存在着大量的立体几何图形。这些文档包括教材、试题、演示稿等等。然而，这些立体几何图形绝大部分以二维线条图像的方式存储在文档中，而无法直接呈现物体的三维立体结构，对读者的阅读造成了不便。特别是在移动阅读设备、三维显示设备越来越成熟的今天，以二维线条图像方式存储和显示的立体几何图形已经落后于先进的显示技术，影响了读者的阅读体验。如果可以将这些线条图像恢复重建为三维立体，将极大地提高读者的阅读体验。

“线条图”是一种人造的二维图形，它能够以清晰直观的方式描述物体的结构。不同于一般的自然图像，线条图的结构往往由点、线构成，具有清晰的几何结构，由平行投影构成，没有透视特征，并不具有一般自然图像中的纹理信息。人们常见的线条图包括手绘图形，工程制图，CAD制图，教材插图，等等。线条图实际上是一个含有顶点和边的连通图(对于非连通图可以划分为连通子图分别进行处理)。对线条图进行三维重建的算法一般需要一个预处理把图形转换为顶点二维坐标和连接边集合。顶点之间的连接边，可以是直线段，也可以是曲线。

过去20年，出现了大量基于单幅线条图的三维立体重建方法的研究。这些研究采用的方法、适用对象、应用场景都不尽相同。按重建方法采用的算法分类，有基于优化准则、基于几何假设推理、基于分治策略等方法。基于规则是早期大部分方法所采用的，它们将三维立体定义为几何物体，并用一些几何规则对其加以约束，以在求解空间中寻求最佳的结果。常用的规则有平面规则(文献“An optimization-based approach to the interpretation of single line drawings as 3D wire frames.International Journal of Computer Vision，1992.”)、MSDA规则(文献“Emulating the human interpretation of line-drawings as three-dimensional objects.International Journal of Computer Vision，1991.”)、MSDSM规则(文献“3D Object Recovery from 2D Images：A New Approach.SPIE Proc.Robotics and Computer Vision，1996.”)、MEAD规则(文献“3-D interpretation of single line drawings based on entropy minimization principle.Computer Vision and Pattern Recognition，2001.”)等。求解优化函数一般是这类方法的最终步骤；基于几何假设的方法首先假设其所处理的三维立体遵循一定的要求，如含有立方角点(文献“3D reconstruction of polyhedral objects from single parallel projections using cubic corner.Computer-Aided Design，2011.”)、有空间对称性(文献“Inferring mirror symmetric 3D shapes from sketches.Computer-Aided Design，2012.”)等。在假设的基础上，它们对整个物体的点和边坐标进行推测，最终得到立体重建结果。这种方法中不一定包含优化求解步骤，一般计算复杂度相对较低，但其假设条件通常较苛刻，只适用于一些特殊的图形；近年出现的一些方法(文献“A divide-and-conquer approach to 3D object reconstruction from line drawings.IEEE 11th International Conference on Computer Vision，2007.”，文献“Decomposition of complex line drawings with hidden lines for 3D planar-faced manifold object reconstruction.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2011.”，文献“Object cut：Complex 3d object reconstruction through line drawing separation.IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition，2010.”)采用了分治的策略来解决一些复杂的三维立体重建问题，它们先将复杂的图形划分为尽量简单的基本部分，然后应用一些规则来进行优化求解，最后将各个部分求得的结果组合起来得到整个重建的结果。