發(fā)布時(shí)間：2017-12-29 06:09

  本文關(guān)鍵詞：基于空間體素融合的三維重建算法研究　出處：《中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,三維重建技術(shù)在工業(yè)、軍事以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,主要應(yīng)用范圍包括三維模型獲取、虛擬仿真、非接觸式測量、科學(xué)計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、戰(zhàn)場環(huán)境感知等方面。經(jīng)過幾十年的研究與探索,國內(nèi)外的科研人員提出了多種三維重建理論與實(shí)現(xiàn)方法,但對(duì)于大規(guī)模場景下的實(shí)時(shí)三維重建仍然是極具挑戰(zhàn)性的研究課題,例如,在戰(zhàn)場環(huán)境中,利用安裝在無人機(jī)上的視覺傳感器來捕獲目標(biāo)場景,實(shí)時(shí)生成目標(biāo)區(qū)域的高精度三維模型。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高精度以及高效的三維重建過程,需要重建算法能夠魯棒地應(yīng)用于復(fù)雜場景,為此本文對(duì)復(fù)雜場景下的三維重建算法進(jìn)行了深入研究,并結(jié)合GPU硬件加速實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜場景的實(shí)時(shí)三維重建。本文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:(1)為了解決傳統(tǒng)分層體積融合算法的計(jì)算復(fù)雜度較高且計(jì)算量隨重建規(guī)模的擴(kuò)大而劇增的問題,提出了一種基于空間體素融合的三維重建算法,改進(jìn)了傳統(tǒng)體積融合方法中的規(guī)則分層網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)隱含表面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存取與更新。首先僅在觀測時(shí)對(duì)表面數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),使其高效的流入和流出體素表,實(shí)現(xiàn)了傳感器運(yùn)動(dòng)過程中的在線大規(guī)模場景重建;其次通過在GPU上完成深度圖預(yù)處理,相機(jī)姿態(tài)估計(jì),深度圖融合和表面繪制幾個(gè)核心階段,實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)粒度細(xì)節(jié)和大規(guī)模場景的交互式實(shí)時(shí)重建;最后通過實(shí)驗(yàn)表明,與傳統(tǒng)體積重建方法相比,改進(jìn)后的重建算法能夠在保證重建精度的同時(shí),平均重建時(shí)間為60.6ms,ICP姿態(tài)估計(jì)15次,用時(shí)23.0ms,重建實(shí)時(shí)性能較好。(2)為了解決傳統(tǒng)自適應(yīng)特征細(xì)分方法對(duì)局部特征區(qū)域的過度細(xì)分導(dǎo)致曲面繪制速度下降的問題,提出了一種改進(jìn)的在線自適應(yīng)特征細(xì)分算法。首先構(gòu)造特征塊處理單元來生成特征區(qū)域的動(dòng)態(tài)細(xì)分因子,計(jì)算得出各自獨(dú)立的特征塊細(xì)分深度;然后根據(jù)細(xì)分規(guī)則對(duì)特征區(qū)域的體素塊進(jìn)行細(xì)分,進(jìn)而控制GPU渲染塊的數(shù)量,并通過建立塊緩沖區(qū)與細(xì)分表的映射關(guān)系,來并行的處理每個(gè)細(xì)分層次上的類型相同的塊,提高了重建表面繪制速度;最后生成新的GPU細(xì)分表和渲染表,用于支持體素塊的動(dòng)態(tài)細(xì)分和實(shí)時(shí)繪制。通過實(shí)驗(yàn)表明,改進(jìn)后的算法能夠在保證重建速度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模場景中局部細(xì)節(jié)特征的較精準(zhǔn)地繪制。(3)為了解決大規(guī)模場景中特征區(qū)域不相關(guān)問題,提出了一種針對(duì)重復(fù)特征區(qū)域的GPU快速目標(biāo)生成算法,更加適用于對(duì)尖點(diǎn)或折痕邊大量重復(fù)出現(xiàn)的曲面的實(shí)時(shí)繪制。首先對(duì)帶有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的尖點(diǎn)或折痕邊區(qū)域建立統(tǒng)一的基于八叉樹的雙三次B樣條元,實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰接頂點(diǎn)信息的快速查詢并且更精準(zhǔn)的匹配模型上的特征點(diǎn);然后使用廣度優(yōu)先遍歷策略來對(duì)元中的面片編碼并生成遍歷元表,驅(qū)動(dòng)GPU的硬件處理單元進(jìn)行快速繪制;最后通過實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于表面特征大量重復(fù)出現(xiàn)的網(wǎng)格模型,該算法能夠在保證模型無縫重建的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模場景中重復(fù)特征曲面的實(shí)時(shí)繪制。(4)針對(duì)傳統(tǒng)在線體積融合系統(tǒng)存在的姿態(tài)估計(jì)漂移現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)時(shí)的端(CPU)到端(GPU)的重建優(yōu)化框架�；隰敯舻南鄼C(jī)姿態(tài)估計(jì)策略,將所有的RGB-D輸入值融合到一個(gè)有效的層次優(yōu)化框架,并根據(jù)全局相機(jī)姿態(tài)來優(yōu)化每幀,消除了對(duì)跟蹤時(shí)效的嚴(yán)重依賴,能夠連續(xù)地跟蹤全局優(yōu)化的幀。本文系統(tǒng)實(shí)時(shí)地估計(jì)全局優(yōu)化姿態(tài),支持魯棒地跟蹤恢復(fù),并對(duì)大規(guī)模三維場景進(jìn)行實(shí)時(shí)地重新估計(jì)以確保全局一致性,是一種集稀疏對(duì)應(yīng)特征,密集幾何和光線匹配功能于一體的并行優(yōu)化框架。通過實(shí)驗(yàn)表明,針對(duì)復(fù)雜場景的三維重建,本文系統(tǒng)能夠在保證重建精度的同時(shí),在實(shí)時(shí)性和重建規(guī)模方面表現(xiàn)良好。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：1349099