三维重建技术的现状与发展

1概述随着计算机软硬件技术的快速发展，大规模复杂场景的实时绘制已经成为可能，这也加快了虚拟现实技术的发展，又对模型的复杂度和真实感提出了新的要求。虚拟场景是虚拟现实系统的重要组成部分，它的逼真度将直接影响整个虚拟现实系统的沉浸感。客观世界在空间上是三维的，而现有的图像采集装置所获取的图像是二维的。尽管图像中含有某些形式的三维空间信息，但要真正在计算机中使用这些信息进行进一步的应用处理，就必须采用三维重建技术从二维图像中合理地提取并表达这些三维信息。三维建模工具虽然日益改进，但构建稍显复杂的三维模型依旧是一件非常耗时费力的工作。而很多要构建的三维模型都存在于现实世界中，因此三维扫描技术和基于图像建模技术就成了人们心目中理想的建模方式；又由于前者一般只能获取景物的几何信息，而后者为生成具有照片级真实感的合成图像提供了一种自然的方式，因此它迅速成为目前计算机图形学领域中的研究热点。2三维建模技术三维重建技术能够从二维图像出发构造具有真实感的三维图形，为进一步的场景变化和组合运算奠定基础，从而促进图像和三维图形技术在航天、造船、司法、考古、工业测量、电子商务等领域的深入广泛的应用。3基于图像的三维重建技术基于图像的建模最近几年兴起的一门新技术，它使用直接拍摄到的图像，采用尽量少的交互操作，重建场景。它克服了传统的基于几何的建模技术的许多不足，有无比的优越性。传统的三维建模工具虽然日益改进，但构建稍显复杂的三维模型依旧是一件非常耗时费力的工作。考虑到我们要构建的很多三维模型都能在现实世界中找到或加以塑造，因此三维扫描技术和基于图像建模技术就成了人们心目中理想的建模方式；又由于前者一般只能获取景物的几何信息，而后者为生成具有照片级真实感的合成图像提供了一种自然的方式，因此它迅速成为目前计算机图形学领域中的研究热点。4基于图像重建几何模型的方法4.1基于侧影轮廓线重建几何模型物体在图像上的侧影轮廓线是理解物体几何形状的一条重要线索１当以透视投影的方式从多个视角观察某一空间物体时，在每个视角的画面上都会得到一条该物体的侧影轮廓线，这条侧影轮廓线和对应的透视投影中心共同确定了三维空间中一个一般形状的锥体１显然，该物体必将位于这个锥体之内；而所有这些空间锥体的交则构成了一个包含该物体的空间包络１这个空间包络被称为物体的可见外壳，当观察视角足够多时，可见外壳就可以被认为是该物体的一个合理的逼近。鉴于此类算法一般需要大量的多视角图像，因此图像的定标工作就变得非常复杂。4.2采用立体视觉方法重建几何模型基于立体视觉重建三维几何是计算机视觉领域中的经典问题，被广泛应用于自动导航装置。近年来，立体视觉图像三维重建技术康皓，王明倩，王莹莹（装甲兵技术学院电子工程系，吉林长春130117）摘要:基于图像的三维重建属于计算机视觉中的一个重要的研究方向，从提出到现在已有十多年的历史。文章首先对三维重建技术做了详细阐述，并着重从计算机图形学的研究角度对基于图像建模技术进行了综述，介绍了具有代表性的基于图像建模的方法及其最新研究进展,给出了这些方法的基本原理，并对这些方法进行分析比较,最后对基于图像建模技术的未来研究给出了一些建议和应解决的问题。关键词:三维建模技术；图像建模技术；计算机图形学；虚拟现实中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号1006-8937（2009）11-0042-02Three-dimensionalimagereconstructiontechniqueKANGHao,WANGMing-qian,WANGYing-ying（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｒｍｏｒｅｄＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３０１１７，Ｃｈｉｎａ）Abstract:Image-basedThree-dimensionalreconstructionisanimportantresearchdirectionincomputervision,fromnowmorethantenyears'history.Thisarticlefirstdescribesthree-dimensionalreconstructiontechniqueindetailandreviewimage-basedmodelingtechniquesfromtheperspectiveofcomputergraphicsresearch,introducearepresentativeofthemethodofimage-basedmodelingandthelatestresearchprogress,givethebasicprinciplesofthesemethods,analysisandcomparethesemethods,finally,giveanumberofrecommendationsandproblemswhichshouldbesolvedonimage-basedmodelingtechnologyforfutureresearch.Keywords:three-dimensionalmodelingtechniques;imagemodelingtechniques;computergraphics;virtualreality收稿日期：2009-03-19作者简介：康皓（1978-），女，吉林长春人，硕士研究生，讲师，研究方向：计算机辅助设计与编程。TECHNOLOGICALDEVELOPMENTOFENTERPRISE2009年6月Jun.2009企业技术开发第28卷管理中存在的诸多问题，我们不能因为国家没有标准和规范出台，就消极等待，必须积极采取措施。以下是国内外专家学者件管理所采取的一些主要措施的归纳，可作为高校电子文件归档和管理的借鉴。４．１档案管理工作提前介入电子文件的运作和管理。４．２加快电子档案管理标准的研究和制定。４．３改变电子文件归档结构，脱离原来的软、硬件环境，以便长久保管。４．４采取严密技术措施，加强立法工作，解决电子文件法律效力问题。４．５加快人才培养，适应发展需要。电子文档是建立数字化档案馆过程中要面临的必然问题，各高校可根据自身的不同状况，结合当前的形式来适度进行，以便更好的管理高校电子文档。参考文献：[1]高校电子公文归档模式初探[J].兰台世界，2008,（1）.[2]高校电子文件的归档与管理[J].达县师范高等专科学校学报(社会科学版)，2004,（5）.[3]浅谈电子文件的归档管理[J].沧州师范专科学校学报，2004,(3).（上接第41页）方法同样为图形学研究者所青睐，两幅或更多幅已经定标的图像被用来重建出场景的几何模型。立体视觉的基本原理是三角测量原理：对于已经定标的两幅图像（即相机的内部参数和外部参数都是已知的），假设我们在两幅图像上找到了一对对应点（即它们是场景中物体表面上同一点的投影），则由两幅图像的投影中心出发，分别经过这一对对应点的两条直线在空间中将交于一点，这样我们就得到了场景中物体表面上某一点的三维坐标。假如我们能够得到物体表面上所有点的三维坐标，则该三维物体的形状和位置就是惟一确定的。考虑到物体表面大多不是理想的Ｌａｍｂｅｒｔ表面，因此，同一空间点在不同图像上的投影点的亮度值并不完全相同；反过来，具有相同亮度值的图像点未必是空间同一点的投影。此外，由于景物空间中存在着多种遮挡关系，从而导致图像上的相邻像素点在三维空间中的对应点往往并不连续。这些因素都使得单纯依靠亮度值比较的对应匹配算法遇到了极大的困难。4.3基于区域匹配的建模方法此类方法利用数字图像处理技术，通过图像分割的方法，找出在不同照片中具有相同纹理特征的区域，然后计算像素的深度及对应三维空间面片，进而建立三维模型。这类方法从相对比较少（两张或者三张）的输入照片来恢复物体模型，适合于表面曲率变化不大的物体，如建筑，家具，卡通玩具等。但是对于表面拓扑结构复杂的物体，在各张照片中寻找对应于同一三维面片的纹理区域比较困难，使得该方法难以奏效。5结束语作为一种新发展起来的技术，在很多地方还远未完善，因此以上方法各有优点和局限，最有成效和应用前景的建模手段也许应该是基于几何的和基于图像相结合的方法。今后的研究还需要解决以下两方面的问题：其一是构造复杂模型还存在很多困难。对于复杂场景，虽然计算机辅助设计系统使得建模变得简单而轻松，但对于复杂模型的大量样本照片，线框的提取、线条的匹配、模型的构建仍是一项艰巨的工作；其二是尽量处理好显示、存储和场景复杂度的相关性。数据存储量随着场景复杂度的增加而增加，而显示速度则随着场景复杂度的增加而降低。比如，在漫游过程中，当视野内物体稀疏时，显示速度较快，当物体密集时，显示速度较慢，造成屏幕刷新频率不稳定，引起视觉上的跳跃感。这些问题都有待于我们解决。参考文献：[1]杨育彬,林珲,朱庆.基于内容的三维模型检索综述[J].计算机学报,2004,27(10).[2]刘钢,彭群生,鲍虎军.基于多幅图像的场景交互建模系统[J].计算机辅助设计与图形学学报,2004,(10).康皓，等：图像三维重建技术第28卷43

三维重建的原理

三维重建原理是指通过对现实世界中物体或场景的数字化采集，对其进行计算机处理，最终生成三维模型的过程。这个过程包含了多种技术，其中基本的原理有以下几点。

1.扫描：三维重建的第一步是通过各种技术采集被测物体或场景的表面形状和位置信息。这个过程可以用激光、光栅或纹理等不同的方法实现。最终产生一系列坐标点数据作为样本，用以后续的重建。

2.配准：当采集到坐标点数据后，需要将这些数据与一个参考坐标系进行配准。常见的方法是通过寻找特征点，如边缘、角点等，将数据与参考坐标系重合。

3.建模：在配准后，将通过三角形网格等方法对点数据进行建模。三角形建模是最常见的方法，它将点连接成一个个小三角形网格，形成一个表面模型，以模拟物体的真实形状。

4.纹理：在建模后，可以将彩色图片或者纹理贴图应用到模型表面上，增加模型的真实感和立体感。

5.渲染：最后，需要将模型渲染成可视化图像。这一步骤依赖于计算机图形学的技术，通过着色和光线追踪等方法，将模型变成可以显示的三维图像。

三维重建的原理非常复杂，需要依赖于多种技术手段。在实际应用中，通常需要综合考虑多种因素，如采集所需的时间、精度要求等，以确定合适的重建方法。同时需要注意的是，三维重建也不是一次性完成的，需要根据实际情况进行反复迭代，以获得最终的理想结果。

2015.08临床研究

631 CT三维重建技术原理CT三维重建技术是采用二维投影来复原生物组织结构的三维信息所应用的计算技术与数字过程[1]。其原理是将经计算机扫描后的CT二维图像数据应用软件进行处理重建，得出三维的立体图像。所获得的三维立体图像具有较高的真实感，能进行任意的旋转与切割。针对颌面骨折患者可以清晰地掌握骨折部位、程度、范围以及移位情况等。2 CT三维重建技术在颌面美容中应用现状2.1 鼻部整形目前，在国内外鼻部的整形手术是极其流行的，可以提高人们气质与面部轮廓的立体感。赵海波[2]等经过收集头颅CT界面的数据进行了三维重建，所获得的三维图像可以将鼻中隔、鼻骨、大小翼软骨等情况清楚地展现出来，为手术的准备工作提供了有利依据。很多研究者会在鼻翼整形的术前采用CT三维重建技术进行分析，纠正畸形鼻翼，取得了良好效果。通过CT三维重建技术得出鼻外形的三维图像，可以精准的测出假体和鼻高基点、鼻尖点、鼻梁长度等相关指标，以此提高手术的整体效果。很多研究者应用CT三维重建技术与RP技术制作出个性化的鼻假体，其相关指标均可达到设计的要求。2.2 鼻骨骨折整形由于颌面鼻骨的骨质薄弱，再受到外伤极容易引发畸形或骨折等情况。这会在患者的生理及心理上造成很大的困扰，骨折后的患者都期望可以恢复至原有状态。杨邦明[3]等采用CT三维重建技术将鼻骨的骨折图像进行重建，可以清晰的看到其骨折现状与邻近骨的情况，进行及时的复位治疗，最终患者获得了非常满意的治疗效果。临床上很多美容医师采用CT三维重建技术将鼻骨或者上颌骨突的骨折部位和脱位状况进行重建，可以对手术方案的CT三维重建在颌面部美容的应用现状与进展谭艳明1　邓大勇21集安市医院放射科 吉林省集安市 134200 2吉林省肿瘤医院放射科 吉林省长春市 130021【摘　要】CT三维重建对于颌面部皮肤、肌肉、骨骼的形态学具有精准的观察能力，可以将面部的肌肉及骨骼的发育状况清晰的显示出来，对于颌面部两侧的对称性与协调性进行精准监测，为临床的整形美容手术提供全面的信息，同时为患者术后的面型预测与手术效果提供有力依据。本文中笔者对CT三维重建技术在颌面部美容包括鼻部整形、鼻骨骨折整形、颧骨颧弓整形、下颌骨整形、颅骨损伤整形等手术的应用现状进行总结，分析其发展方向，望可以为今后的医疗美容技术水平提供可参考性建议。【关键词】CT三维重建；颌面部美容；外科整形；应用现状制定起到重要辅助作用。2.3 下颌骨整形通过CT三维重建技术将下颌骨损伤部位进行还原成像，为其治疗工作做出充分准备。经过CT重建来模拟截骨手术的过程，形成立体空间的实际关系，并将所要切除的部分进行精准划分。很多整形医师对患者的头面部骨性采用CT三维进行重建，比较患者面部在截骨前后的几何指标，精准算出相关几何特征指标的差异。研究结果显示，患者的骨性和软组织的下颌角在手术之后间宽减小，两侧下颌角的角度在术后也有所增加，提高了整形手术的精确度和美学效果。2.4 颧骨颧弓整形对于很多高颧骨面型者来说，颧骨颧弓缩小的整形术很受欢迎。CT三维重建技术能够采取不同角度来研究颧骨情况，精准的测量出颧弓长度与厚度，模拟手术过程，据此制定出最佳的手术方案。在手术中可在重建图像上进行截骨线的定位，标记于皮肤表面，模拟机械进入三维重建图像，以防止在实际手术过程中引起组织损伤。2.5 颅骨损伤整形由外伤所引发的颅骨缺损高达70%左右，为患者带来外形影响的同时，部分患者会出现各种严重并发症。采用CT三维重建技术可以将颅骨的缺损部位进行准确定位，精准测出骨骼的缺损面积和体积。针对大面积的颅骨缺损修复术，CT三维重建技术可以有效减少术后的并发症，并大大提高了手术的修复效果。3 CT三维重建技术的发展方向CT三维重建技术在整形外科中的应用日渐成熟，尤其在颌面部美容的应用更是必不可少，包括在手术方案设计和效果预测等各方面，可以将机体组织的三维解剖结构立体化、直观化来提高手术的精准度与美学效果。但目前，CT三维重建技术同时也存有一些不足之处有待在研究中不断摸索、改进，例如，由于骨伪影的存在，无移位情况的轻微骨折难于分辨；CT三维重建技术不可将金属伪影全部去除，患者戴有金属义牙或者支架时，所成图像会受到影响；对于活动关节CT三维重建技术做不出动态显像；不能将组织结构进行层次划分，如能将皮肤、前浅筋膜与血管神经等进行逐层显示，会精准的确定内部病变部位，从而提高手术效果；钛网的三维重塑性价格较为昂贵，对于普通的患者难以接受。这些不足，还需要广大研究者在今后的整形事业加以研究，使整形美容手术达到更为完美的效果。4 结束语近年来，随着人们审美需求的不断加深，现代医学技术的提高，CT三维重建技术的应用不仅在下颌面美容中具有重要作用，还在乳房整形、臀部整形等手术中发挥着重要意义，值得引起我们足够的关注。参考文献[1]施益平,吴爱琴,郑文龙等.螺旋CT三维后重建技术在颌面骨折中的应用[J].医学影像学杂志,2010,20(4):471-473.[2]罗焕江,龙腾河,赵海波等.X射线及CT三维重建测量在颌面部整形修复中的应用[J].中国组织工程研究与临床康复,2011,15(30):5661-5664.[3]杨邦明,郑列祥,杨军等.64排螺旋CT三维及多平面重建在颌面部骨折中的应用[J].吉林医学,2013,34(11):2103-2104.通讯作者简介邓大勇（1984-），男，吉林省大安市人。医学硕士学位。现为吉林省肿瘤医院放射科医师。Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

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基于图像的三维重建技术研究

作者：孔德磊

来源：《中国科技博览》2017年第32期

[摘 要]图像的三维重建是计算机视觉领悟中的一个研究方向，该研究方向提出于十多年前。文章之中对何为三维重建技术做出了阐述，同时又从计算机图形学领域对基于图像建模技术做出了综述，而之后又具体介绍了具有重大代表性的基于图像建模的方法以及最基本的原理，通过对方法的分析以及比较，在建模技术的未来也提了一些建议以及解决方法。

[关键词]三维重建；图像建模技术；图像建模；计算机图形学

中图分类号：TH387 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01

1 概述

在当今社会，科学技术的发展每天都是一个新的飞跃，而计算机软硬技术的快速飞跃，又为了大规模场景的实时绘制提供了可能性，这，也加快了虚拟现实技术的发展，也为模型的复杂度以及真实感提出了新的要求。虚拟场景是虚拟现实系统的重要组成部分，逼真度也是为虚拟现实系统提供了最大的人流量，逼真度的发展，无疑影响着这个虚拟现实系统。客观世界在空间上属于三维的，但很多图像都是通过二维来呈现的，尽管有些是属于三维空间信息，但是在计算机真正应用到这类信息的时候，又必须通过三维重建技术来从二维图像之中合理地提取出来有关信息并表达出三维信息。三维建模工具随在日益改善，却在构建复杂的三维模型之中是一个耗时耗力的工作。很多三维扫描技术都与图像建模技术成为了人们心中的理想建模方式。前者一般只获取景物的几何信息，后者却可以生成具有照片般实感的的合成图，是一种自然的方式，因而图像建模技术以这种方式迅速成为了计算机图形学领域的研究热点。

2 三维建模技术

三维重建技术是指仅通过二维图像的变化出发就能够使我们产生具有真实感的三维图形，以场景变化以及组合运算作基础，通过图像与三维图形来使得三维重建技术在航天以及考古等领悟取得深入而广泛的应用。