石松婷

摘要：目前，三維模型在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，例如現(xiàn)有的地理模型和醫(yī)學(xué)模型等。此外，從理論上說基于圖像三維重建實際上是計算機圖形學(xué)的逆問題。如何根據(jù)受干擾或者不完整的二維信息來恢復(fù)三維信息是這項技術(shù)的一大難點，也是計算機視覺的一大難點。對基于圖像重建技術(shù)相關(guān)專利的深入研究可以促進對這些問題的理解和研究，推動三維模型獲得更為廣泛的應(yīng)用。本文主要以國外巨頭飛利浦公司的幾項專利為例，品析基于單目視覺的三維重建的幾項創(chuàng)新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：單目視覺 飛利浦 三維重建

前言

基于視覺的三維重建技術(shù)，即采用計算機視覺方法進行物體的三維模型重建，是指利用數(shù)字?jǐn)z像機作為圖像傳感器，綜合運用圖像處理、視覺計算等技術(shù)進行非接觸三維測量，用計算機程序獲取物體的三維信息。其優(yōu)勢在于不受物體形狀限制，重建速度較快，可以實現(xiàn)全自動或半自動建模等，是三維重建的一個重要發(fā)展方向，能廣泛應(yīng)用于包括移動機器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)、航空及遙感測量、工業(yè)自動化系統(tǒng)等在內(nèi)的各個領(lǐng)域，由此項技術(shù)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益極為可觀。

飛利浦公司是全球最大的三維重建技術(shù)的研發(fā)者。飛利浦該公司創(chuàng)立于1891年，其是世界上最大的電子公司之一，在歐洲名列榜首。飛利浦是個綜合性大集團，通過以下三個交叉部門為專業(yè)市場和消費市場提供服務(wù)：醫(yī)療保健、照明和優(yōu)質(zhì)生活。2002年其在華營業(yè)額和出口創(chuàng)匯額在全國外商投資企業(yè)中雙雙排名第一位。通過上述數(shù)據(jù)，可以看出要占領(lǐng)市場，核心研發(fā)技術(shù)不能少。下面我們就來揭開該飛利浦公司公司在單目視覺三維重建領(lǐng)域的神秘面紗。

一.飛利浦公司基于單目視覺的三維重建的技術(shù)分類

作為計算機視覺技術(shù)的一個重要分支，基于視覺的三維重建技術(shù)以Marr 的視覺理論框架為基礎(chǔ)，形成了多種理論方法。例如，根據(jù)攝像機數(shù)目的不同，可分為單目視覺法、雙目視覺法、三目視覺或多目視覺法。此處，我們著重分析單目視覺方法。

單目視覺方法（ monocular vision） 是指使用一臺攝像機進行三維重建的方法。所使用的圖像可以是單視點的單幅或多幅圖像，也可以是多視點的多幅圖像。下面將介紹幾種主要的單目視覺方法。

下面以飛利浦公司作為主要的分析對象來查看其在三維重建領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。主要分析以下該領(lǐng)域中常用的幾種方法：

從圖1中可以看出，運動法占四種核心方法中的主導(dǎo)地位，其次是輪廓法。下面將針對這三種算法分析進行詳盡的分析。

1.1輪廓法

輪廓法是輪廓恢復(fù)形狀法（ shape from silhouettes/contours）的簡稱。這種方法通過多個角度物體的輪廓圖像得到物體的三維模型。輪廓法可以分為基于體素、基于視殼和基于錐素三種方法。

基于體素的方法

這種方法將物體所在的三維空間離散化為體素（ voxel） ，再將圖像分割為前景（ 物體） 和背景，通過投影測試判定一個體素點的投影是在前景還是背景中。如果一個體素點在不同視角都投影到了前景內(nèi)，那么就認為它是物體的一部分，將所有這樣的體素點集合起來就可以重構(gòu)出物體的三維形狀。這種方法簡單且魯棒性較好。

飛利浦公司于2007年3月14日在華申請了一篇名為建立深度圖的專利，如圖7所示，申請?zhí)枮镃N200580007733，該申請同時在韓國，日本，美國等多個國家具有同族。該申請的發(fā)明點在于提供一種可由靜止圖像來產(chǎn)生深度圖的方法，基于圖像像素值來確定包括鄰近點的集合的輪廓；且基于多個點處的曲率向量計算來分配與第一像素對應(yīng)的第一深度值。

該專利采用了點的曲率相鄰來合理分配深度值，曲率計算該技術(shù)手段雖然很常規(guī)，但用在計算點的深度值該領(lǐng)域上，卻顯得構(gòu)思極為巧妙。

1.2紋理法

紋理法的基本理論為： 對于一個具有光滑表面并覆蓋了重復(fù)紋理單元的物體，當(dāng)被投影在二維圖像上時，其上的紋理單元會發(fā)生變形，這種變形分為投影變形（ projective distortion） 和透視收縮變形（ foreshortening distortion） 。投影變形使離圖像平面越遠的紋理單元看上去越小，透視收縮變形使與圖像平面角度越大的紋理單元看上去越短。由于這兩種變形都可以從圖像中測量得到，因此就可以分析變形后的紋理單元，反向求取物體表面法向和深度信息，進行三維重建。

飛利浦公司于2003年12月10日在華申請了一篇名為全深度采集的專利，如圖3所示，申請?zhí)枮镃N 200380108833，該申請同時具有美國，韓國，日本，臺灣等多個同族專利。該申請基于人體具有對于亮度本身和它的空間/時間導(dǎo)數(shù)的傳感器的理解。用于直接亮度傳感器的事實是即使缺少任何紋理（空間導(dǎo)數(shù)為零，例如當(dāng)由紙蓋住我們的眼睛時），我們?nèi)阅芸匆娛橇吝€是暗的原理來實現(xiàn)。

該專利一反常規(guī)專利的思路，另辟蹊徑，從反面來研究當(dāng)缺少紋理時，如何求取圖像深度。

1.3運動法

運動法，即基于運動的建模（ structure from motion，SFM） ，是通過在多幅未標(biāo)定圖像中檢測匹配特征點集，使用數(shù)值方法恢復(fù)攝像機參數(shù)與三維信息的一種方法。

運動法對圖像的要求非常低，可以采用視頻甚至是隨意拍攝的圖像序列進行三維重建。同時可以使用圖像序列在重建過程中實現(xiàn)攝像機的自標(biāo)定，省去了預(yù)先對攝像機進行標(biāo)定的步驟。

飛利浦公司于2004年12月7日在華申請了一篇名為全深度采集的專利，如圖4所示，申請?zhí)枮镃N 200480037342，該申請同時具有美國，韓國，日本等多個同族專利。該申請中步驟34主要借助三維重構(gòu)在世界空間（world space）中通過對感興趣的點進行重構(gòu)來完成。這可按照基于分割的深度估計來進行，即采用了基于運動的建模方法的優(yōu)選方式來進行。

該專利是提取的相互關(guān)聯(lián)的視頻圖像幀，以此來分析運動中接合點處投影的投影重構(gòu)點，并將其彼此鏈接以獲得一組鏈接，進行組合后編碼圖像。技術(shù)手段是一環(huán)扣一環(huán)，但卻能達到獲取深度的目的。

總結(jié)

通過以上分析，我們已經(jīng)品析了飛利浦公司在單目視覺三維重建的幾項關(guān)鍵技術(shù)，也正是由于其在三維重建領(lǐng)域的穩(wěn)固發(fā)展，才使得該公司已經(jīng)在國際上占有相當(dāng)一部分市場，其市場地位十分牢固。

依據(jù)飛利浦公司的發(fā)展經(jīng)歷，站在技術(shù)的前沿，才能更好的占據(jù)市場，和大企業(yè)抗衡。未來的路還很遠，需要不斷實踐，我國企業(yè)也應(yīng)該加大研發(fā)重視度，力求創(chuàng)新，提高企業(yè)核心競爭力。

參考文獻

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