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摘 要

三维重建是计算机视觉领域的重要组成部分，此技术广泛运用于工业设计、逆向工程、虚拟现实等领域。在众多三维重建技术中，光度立体技术凭借着其对表面纹理优秀的还原效果和对设备较低的要求而在工业界和学界有着重要的地位。

本文用自行设计的三维重建装置，研究了基于光度立体学技术的三维重建方法。以该技术的积分环节为研究对象，对直接积分方法下的重建精度和品质进行了评估，针对重建结果中出现的条纹噪声和畸变进行了分析。设计了一系列降噪方法对重建结果进行优化，降低了相机拍摄过程中的噪声对重建结果的干扰。

此外还针对安装过程产生的误差对重建结果的影响，提出了一种可以校准光源位置参数的平面标定方法。该方法对一个平面模板进行三维重建，通过对重建结果质量的评估调整三维重建装置的光源位置参数，从而找到光源位置参数的最优值。结果表明在进行了降噪处理和平面标定法等优化后，重建精度有明显的提高，重建得到的模型光泽度比优化前更好。

关键词：光度立体学，三维重建，光源标定，图像处理

Abstract

3D reconstruction is an important part of computer vision field. This technology is widely used in industry design, reverse engineering, virtual reality and so on. Photometric stereo technology has an important status in industry and academic circles because of its excellent ability on reconstruction of surface texture and its low requirement of devices. The researcher uses a newly designed 3D reconstruction device and a method of 3D reconstruction based on photometric stereo technology is studied. The integral process of this technology is the research object. The precision and quality of reconstruction result from directly integral method is evaluated. The distortion and stripe noise in the reconstruction result are analyzed and a series methods are adopted to reduce the influence of noise from the filming steps.

Another Plane Standardization method about calibration of light source position is proposed to avoid negative influence from errors during installing process. In this method, a plane model is reconstructed. Light source position parameter will be adjusted according to the evaluation of quality of reconstruction result. In this way, the most suitable light source position parameter can be found. The result has shown the precision is obviously improved after noise reduction and Plane Standardization method were applied. At the same time, the glossiness of reconstruction result is better than before.

KEY WORDS: photometric stereo, 3D reconstruction, light source calibration, image processing

目录

摘要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 光度立体学技术的研究现状 1

1.2.1 反射模型的研究 1

1.2.2 围绕提高还原精度的研究 2

1.2.3 非理想光源的标定研究 2

1.3 三维重建环节常用的积分方法 3

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 三维重建的数学原理与过程 5

2.1 朗伯反射模型 5

2.2 方程的建立与求解 6

2.3 本章小结 9

第三章 三维重建实验 10

3.1 实验装置的设计 10

3.2 入射光方向的计算 13

3.3 实验结果及分析 13

3.4 本章小结 16

第四章 重建结果的优化 17

4.1 对条纹噪声的滤除 17

4.2 优化的中值变换法 18

4.3 本章小结 19

第五章 光源位置参数的优化 21

5.1 光源位置参数的常见设置方法 21

5.2 平面匹配法 21

5.3 平面匹配法的实验结果及分析 23

5.4 本章小结 24

第六章 结论 26

致谢 28

参考文献 29

绪论

引言

大力发展新一代电子技术，突破机器人关键零部件的研发制造是中国制造2025的重要举措的组成部分。三维重建技术是当今的热门研究方向，也是未来电子信息技术和机器人领域的关键技术。三维重建技术在智能制造、自动驾驶、人机交互中都有着广泛的应用。基于光度学的三维重建技术是三维重建技术领域的重要组成部分，研究基于光度学的三维重建技术对于提高我国高端制造业水平，精密、高速、高效设备开发，实现工厂数字化、智能化有着重要的意义。

三维重建技术是计算机视觉领域的一个分支，它的基本含义是指通过一定的技术手段，将真实世界中的某一物体的几何外观数字化，并在计算机内部恢复出其三维模型。通常可以将当前的三维重建技术分为两类：基于结构光的三维重建和基于图像的三维重建。基于结构光的三维重建是通过一些精密的仪器设备，从具有某种信息的光中获得其在空间中的传播方向等物理信息，进而还原出物体的三维模型的技术。基于图像的三维重建，主要通过对物体的一张或多张图片的分析，进行一定的数学运算，从而还原出物体三维模型的方法。

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