[发明专利]基于多视角光度立体的移动三维重建方法

说明书

基于多视角光度立体的移动三维重建方法，包括相机参数标定与光源标定；采集图像，第一帧记为参考帧，绕参考帧拍摄多张；获取每帧的相机位姿，以及目标物体的稀疏三维点云；进行单帧法向估计；对目标物体三维重建，通过以上步骤即完成了在参考帧视角下的三维重建。本发明实现了在相机移动状态下完成对目标物体的高精度三维重建。该方法简化了光度立体技术对设备的要求，仅需要一个相机和一个光源，进而提高了其在实际使用中便携性；同时，本方法充分利用了所获取的相机位姿和点云信息，优化了匹配等关键部分的计算方法，提高了方法整体的计算速度，从而增强了多视角光度立体方法的实用性，可进一步用于实时三维重建应用中。

技术领域

本发明属于计算机视觉三维重建技术领域，涉及一种基于多视角光度立体的移动三维重建方法。

背景技术

三维重建是计算机视觉的研究热点，是指通过摄像机及辅助设备获取场景物体的数据图像，根据单视 图或者多视图的图像重建物体在现实环境中的三维信息的过程。三维重建具有广泛的应用领域，包括物体 三维模型建立、3D打印、立体显示、三维测距、无人机避障导航、增强现实等。基于激光线扫描、双目立 体视觉、运动恢复结构等视觉三维重建方法的设备已应用于市场。

光度立体是一种基于表面反射光强变化恢复立体三维的技术。相比与双目、运动恢复结构等技术，光 度立体可以重建表面精细特征，恢复更多细节，具有高精度，高分辨率的优点。但是，光度立体技术需要 在固定单一视角下，拍摄多张不同光照条件下的图像，然后根据物体的光强变化获得三维信息。因而，光 度立体设备在图像采集阶段要求采集设备静止，且多个光源使得设备体积较大。这使得光度立体难以应用 于消费级的便携设备，或者移动设备，也无法应用于大尺度的扫描成像。综上，光度立体技术受限于多光 照成像的要求，且移动物体的三维重建具有更高的要求，因而现有的光度立体技术无法应用于移动物体的 三维重建，需要提出一种基于多视角光度立体的移动三维重建方法。

发明内容

本方法针对当前光度立体多采用多光源分时拍摄而无法应用于移动重建的局限性，提出基于多视角光 度立体的移动三维重建方法。

基于多视角光度立体的移动三维重建方法，其特征是包括以下步骤：

S1.相机参数标定与光源标定：首先设定相机参数使其在拍摄过程中保持不变；标定相机的内参；然后标 定相机光源的光照主方向，测得相机光轴与光源光路的夹角，并在拍摄过程中保持不变；

S2.图像采集：打开光源，使其一直处于开启状态，使用相机对目标物体进行移动多视角拍摄，

即首先将目标物体置于平面，对目标物体进行拍摄；将物体上方或斜上方拍摄的第一帧记为参考帧，以参 考帧的相机光轴为中心，绕轴拍摄K帧图像----记为非参考帧图像组；非参考帧相机光轴与参考帧的相机 光轴的夹角在10-30度之间；选取与参考帧相机光轴垂直的平面作为参考帧垂面，将非参考帧光轴及其在 参考帧垂面上的垂直投影所构成的平面称为光轴平面，并使得每两次拍摄时的光轴平面的夹角在20度至 360/K度之间；对目标物体至少拍摄五帧，即拍摄总数为K+1帧，K+1≥5；

S3.图像预处理：使用运动恢复结构技术(StructurefromMotion)获取每帧的相机位姿，以及目标物体的 稀疏三维点云；

S4.单帧法向估计：结合每帧的相机姿态和已获取的目标物体的稀疏三维点云，基于朗伯反射模型，对参 考帧中有目标物体的区域——简称目标区域每个像素对应的物体点计算其法向信息，具体如下：

(K1)光照转换：将不同视角下的光照方向，统一表示在参考帧的相机坐标系下；