论文摘要：基于图像建模关键技术的研究与实现

近年来，随着激光扫描技术、3D建模软件、基于图像建模技术、虚拟现实技术以及计算机性能的快速发展，涌现了大量对具有真实感的三维模型的需求。目前，获取物体几何模型的方法主要分为三类：1）利用传统的几何造型技术直接构造模型；2）利用三维扫描设备直接获取真实景物的表面采样点；3）利用相机拍摄得到的真实景物的图像实现景物的几何重建。传统的几何造型技术虽然日益改进，但构建稍显复杂的三维模型仍然是一件耗时费力的工作，且模型的绘制结果与真实景物仍存在着较大的差异；目前广泛采用的三维扫描技术可以精确地获取大多数真实景物的几何模型，但它难以处理具有高光和绒毛表面的物体，一般也难以同时获取模型的颜色信息。近年来，基于图像建模技术受到了广泛关注，其最大的优点就是可以直接从图像中为重建几何模型抽取表面纹理和光照信息，从而简单、快速地构建出具有“照片级”真实感的三维模型。为此，我们有必要开展对基于图像建模技术的研究。本文以国家自然科学基金重点项目“虚拟奥运博物馆关键技术研究（60533070）”为背景，重点从基于图像重建几何模型和表面纹理两个方面展开研究，完成了以下工作：（1）研究和实现了一种基于侧影轮廓线的可见外壳生成方法。该方法充分利用了图像上的侧影轮廓线是理解物体几何形状的这一重要线索，仅仅使用由普通相机拍摄得到的多幅图像生成复杂的曲面模型。其算法复杂度与参考图像的帧数成线性关系，且能够保证重建模型的密闭性。基于此成果，我们开发了建模工具3DScanner，用户只需要少量交互，就可以快速自动地生成具有较高精度的复杂模型。我们的实验结果验证了该方法的实用性和可行性。（2）研究和实现了一种在预标定相机和不进行场景实地测量的前提下，利用立体像对（stereo image pair）中存在的几何约束关系实现场景重建的方法。该方法采用两阶段的特征匹配策略，利用极线约束自动去掉部分错误的初始匹配特征点对，从而提高基础矩阵F计算的准确度。基于此成果，我们开发了建模工具3DBuilder和ModelArchitect，分别适用于对不具有规则几何特性以及存在大量几何对称的物体进行建模。从实验结果来看，通过我们方法得到的模型几何基本正确，添加纹理后具有较高的真实感，效果令人满意。（3）研究和实现了一种利用人脸网格模型和人脸彩色图像建构人脸纹理模型的方法。在求解出几何模型与各幅图像间的纹理映射之后，我们进一步合成人脸的全局纹理图，解决了三维人脸模型在实际应用中的绘制问题。基于此成果，我们开发了人脸模型纹理映射工具FaceArchitect。从实验结果来看，通过我们的方法添加纹理后人脸模型具有较高的真实感，从而验证了该方法的有效性和可行性。