數(shù)字圖像處理技術(shù)在三維重建中的應(yīng)用研究

摘要：本文簡要概述了數(shù)字圖像處理技術(shù)和計算機三維重建技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了基于二維數(shù)字圖像的計算機三維重建過程，包括圖像的獲取，圖像增強、定位校正和圖像分割等預(yù)處理技術(shù)，以及三維重建技術(shù)的特點。介紹了常用三維成像軟件，進一步分析了制約數(shù)字圖像三維重建發(fā)展的主要因素以及需要進一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 計算機三維重建 應(yīng)用

中圖分類號：TP391.41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0066-01

數(shù)字圖像處理技術(shù)是指應(yīng)用計算機對數(shù)字圖像信息進行處理，涵蓋了計算機科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、光物理學(xué)等多個領(lǐng)域。數(shù)字圖像可以小到電子顯微鏡的圖像，大到遙感圖像、航空照片或者天文望遠鏡的圖像，因此在生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)、國防軍事、多媒體等方面都有著十分廣泛的應(yīng)用。物體三維重建是數(shù)字圖像處理的重要內(nèi)容。人眼看到的世界是三維立體的，但是傳統(tǒng)照相機、CCD或者CMOS圖像傳感器獲取的圖像都是二維平面的，不具備深度信息。這種二維成像系統(tǒng)限制了人類對真實世界中復(fù)雜的物體的感知和理解的能力。計算機三維重建的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)二維成像系統(tǒng)的局限，重建后的圖像直觀、逼真，可任意旋轉(zhuǎn)、逐層剝離以及定量分析，顯著提高了人類對世界的認(rèn)識理解能力。

1 計算機三維重建

計算機三維重建是利用計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)根據(jù)真實場景的數(shù)據(jù)重建出具有準(zhǔn)確幾何信息和照片真實感的三維模型，并可進行多角度顯示的技術(shù)。這些精確的三維模型，不僅能用于場景可視化和虛擬漫游，還可以滿足數(shù)據(jù)的存檔、測量和分析等更高層次的需求，尤其適用于輔助教學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)診斷、航天、工業(yè)測量、地理信息、數(shù)字文物和古建筑、電子商務(wù)等多種領(lǐng)域。

計算機三維重建方法有兩種：一種是利用精密的硬件設(shè)備，如激光掃描儀、深度掃描儀等，直接測量出物體表面點的三維坐標(biāo)。這種方法是直接對三維物體的空間信息進行處理，精度較高，但是設(shè)備要求極高，因此極大地限制了該技術(shù)的使用。另一種是通過相機或攝像機獲得二維數(shù)字圖像，然后通過數(shù)學(xué)模型計算出物體的三維結(jié)構(gòu)。后一種方法數(shù)字圖像容易獲得，但重建結(jié)果易受到其他因素的影響，本文就此方法展開研究。

2 二維數(shù)字圖像的三維重建

2.1 二維數(shù)字圖像的獲取

二維數(shù)字圖像的獲取包括物體外觀圖像的獲取和物體內(nèi)部圖像的獲取。物體外觀圖像的獲取通常通過2臺以上照相機或攝像機從不同角度拍攝，比如3D電影的制作。物體內(nèi)部圖像的獲取，通常為斷層掃描或連續(xù)切片成像，比如計算機X射線斷層掃描（CT）、激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）成像、生物標(biāo)本連續(xù)切片的顯微成像等。

2.2 二維數(shù)字圖像的預(yù)處理

二維數(shù)字圖像通過三維成像軟件來處理，不同領(lǐng)域有各自適用的軟件，比如：3D Studio Max，適用于廣告、影視、工業(yè)和建筑設(shè)計、游戲的三維成像和動畫；Amira，Mimics，適用于識別生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)；Oasis montaj，適用于地球物理勘探、鉆探、地球化學(xué)勘探等。軟件對圖像經(jīng)過增強、圖像定位校正和圖像分割等預(yù)處理后進行三維重建。

圖像增強：現(xiàn)在的數(shù)字成像技術(shù)，基本可以得到分辨率高、清晰度好的圖像，但如果前期成像較模糊，可以通過對比度增強、Gamma校正、銳化或噪聲消除等方法進行處理，以突出目標(biāo)區(qū)域。

定位校正：多臺相機或攝像機從不同角度拍攝的物體外觀圖像、生物標(biāo)本連續(xù)切片的顯微成像由于不能準(zhǔn)確定位，還需進行圖像定位校正。

圖像分割：在對圖像的研究和應(yīng)用中，人們往往僅對圖像中的某些特定的、具有獨特性質(zhì)的區(qū)域感興趣，這些區(qū)域稱為目標(biāo)或前景（其他部分稱為背景）。可根據(jù)灰度、顏色、紋理和形狀等提取感興趣目標(biāo)，從而把圖像分割成若干互不交迭的區(qū)域，并使這些特征在同一區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出相似性，而在不同區(qū)域間呈現(xiàn)出明顯的差異性。常用的分割方法有：基于灰度閾值的圖像分割、交互式圖像分割、基于活動輪廓或者形變模型的分割等等。針對不一樣的圖像和待分割的圖像特點，可以選擇不一樣的分割方法。圖像分割是圖像處理的基本前提，同時也是一個經(jīng)典難題，到目前為止還沒有一種圖像分割方法是通用的。

2.3 圖像的三維重建

二維數(shù)字圖像的三維重建技術(shù)有兩種：表面繪制和體繪制。舉例而言，你站在一輛汽車前，只能看到外觀，但無法觀察到車子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如發(fā)動機，這是表面繪制；假設(shè)汽車和車內(nèi)中的結(jié)構(gòu)都是半透明的，就可以同時看到所有的細節(jié)，這就是體繪制所要達到的效果，即三維透視。表面繪制是表示三維物體形狀最基本的方法，可以提供三維物體形狀的全面信息。它是從數(shù)字圖像中抽取一系列相關(guān)表面，并用多邊形擬合近似后，再通過傳統(tǒng)的圖形學(xué)算法顯示出來。體繪制是依據(jù)三維體數(shù)據(jù)，將所有體細節(jié)同時展現(xiàn)在二維圖片上，可以在一幅圖像中顯示多種物質(zhì)的綜合分布情況，并且可以通過不透明度的控制，反應(yīng)等值面的情況。該方法特別適合于云霧、流體、大腦軟組織、氣體等無固定形狀的體數(shù)據(jù)圖像的生成，產(chǎn)生的圖像真實感強。

3 面臨的問題

二維數(shù)字圖像的三維重建是數(shù)字圖像處理技術(shù)十分活躍的研究方向，雖然這一領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，但仍有一些方面是需要進一步提高。（1）提高計算精度：圖像分割是人工手動完成，然后通過數(shù)學(xué)方法來實現(xiàn)，這涉及到個人知識熟悉程度和計算精度，如果個人經(jīng)驗不足，或者計算精度不夠，則圖像效果不符合客觀實際，不一定能夠達到人眼識別的舒適度。因此，基于專業(yè)知識的圖像分割標(biāo)準(zhǔn)化方面還有待進一步研究。（2）計算精度和處理速度之間的矛盾：圖像處理需要巨大的數(shù)據(jù)運算，運算量遠大于文本處理，所以在提高運算精度的同時還要考慮提高運算速度。（3）計算機三維重建是研究工具，必須加強交叉學(xué)科間的聯(lián)合研究，才能夠在推廣應(yīng)用上取得進步。

參考文獻

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收稿日期：2016-08-15

作者簡介：馬逸丹，女，漢族，山西晉城人，在校生。