基于圖像灰度信息的自由曲面自組織重構(gòu)的研究.pdf

1、自由曲面的三維重構(gòu)技術(shù)在制造工業(yè)、藝術(shù)設(shè)計(jì)及醫(yī)療整形等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。從單幅圖像的灰度信息重構(gòu)物體形貌（Shape from Shading，SFS）已成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要分支，是實(shí)現(xiàn)自由曲面三維重構(gòu)的手段之一。但傳統(tǒng)的SFS方法重構(gòu)精度低、普適性差，而且局限于理想的漫反射模型。因此，本文將系統(tǒng)理論中的自組織原理引入到SFS中，將圖像中的每個(gè)象素視為具有決策能力的生命單元，以灰度圖像為模板，在此模板引導(dǎo)下，模仿生物群體的自組

2、織行為，實(shí)現(xiàn)自由曲面的三維重構(gòu)。 本文首先對(duì)自由曲面自組織重構(gòu)方法的可行性進(jìn)行了研究。該方法將自由曲面視為由若干微觀曲面組成的宏觀曲面，并將每個(gè)微觀曲面當(dāng)作具有生命力的自組織單元。若微觀曲面的形貌為已知，則在自組織系統(tǒng)的機(jī)制作用下，利用相鄰自組織單元之間的短程通信以及決策能力，按照一定的演化規(guī)則，由微觀曲面的形貌進(jìn)行自組織迭代，逐漸重構(gòu)出宏觀的自由曲面。由于自組織系統(tǒng)具有從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從粗糙到細(xì)致的進(jìn)化能力，因而基于自組織原理的

3、自由曲面重構(gòu)方法具有較強(qiáng)的抗噪性，能夠消除微觀曲中的一定誤差。 本文提出了三種理想漫反射模型下的自由曲面自組織重構(gòu)方法，即基于三角片化的自由曲面自組織重構(gòu)方法、基于二次曲面擬合的自由曲面自組織重構(gòu)方法和基于表面法線調(diào)整的自由曲面自組織重構(gòu)方法。 基于三角片化的自由曲面自組織重構(gòu)方法將圖像中的每個(gè)象素視為自組織系統(tǒng)中的生命單元，每個(gè)生命單元與其相鄰的兩個(gè)單元組成一個(gè)三角片，該生命單元調(diào)整自己的狀態(tài)，使其與鄰域單元構(gòu)成的三角

4、片按朗伯反射模型（Lambertianreflectance model）滿足原始灰度圖像的要求。所有生命單元進(jìn)行并行調(diào)整、協(xié)同處理，從而重構(gòu)出自由曲面。 基于二次曲面擬合的自由曲面自組織重構(gòu)方法在待重構(gòu)的自由曲面上某點(diǎn)的鄰域內(nèi)，依據(jù)圖像的灰度模板，按照朗伯反射模型擬合一個(gè)二次曲面，并將該二次曲面視為自由曲面在該點(diǎn)處的微觀模型。將擬合所得的每個(gè)微觀曲面視為具有生命力的自組織單元，在自組織系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)制作用下，重構(gòu)得到宏觀曲面。

5、 基于表面法線調(diào)整的自由曲面自組織重構(gòu)方法改變了重構(gòu)結(jié)果的表達(dá)方式，將自由曲面的表面法線視為生命單元。該方法首先對(duì)自由曲面的表面法線進(jìn)行初始化，然后依據(jù)圖像模板，按照自組織系統(tǒng)的內(nèi)在演化規(guī)則，在灰度梯度約束、光滑約束、可積性約束和灰度約束的限制下，對(duì)自由曲面的表面法線進(jìn)行調(diào)整，逐漸得到真實(shí)的表面法線。然后根據(jù)每個(gè)生命單元及其鄰域內(nèi)的表面法線擬合二次曲面，并將此二次曲面視為微觀模型，再根據(jù)自組織系統(tǒng)，重構(gòu)出宏觀曲面。 為了提高

6、SFS的普適能力，本文將自組織重構(gòu)技術(shù)擴(kuò)展到一般光照模型下。首先建立物體表面反射特性的測(cè)定裝置，用來(lái)測(cè)量物體表面的反射特性。按照Phong光照模型，根據(jù)測(cè)定的反射特性參數(shù)，對(duì)物體表面的光照成分進(jìn)行分離，得到漫反射成分和鏡面反射成分，再利用其中的漫反射成分來(lái)進(jìn)行自由曲面的重構(gòu)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的自由曲面自組織重構(gòu)方法具有較高的重構(gòu)能力、較好的普適性，且可以實(shí)現(xiàn)一般光照模型下的自由曲面重構(gòu)。該方法首次將自組織原理引入到SFS 方