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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于可見光及紅外圖像的目標(biāo)三維重構(gòu)平臺
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 通過遙感手段獲取和重構(gòu)信息量豐富的三維模型，在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的需求，也是國內(nèi)外圖像研究人員極力要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。 我們的作品實(shí)現(xiàn)了從二維圖像構(gòu)建出具有真實(shí)紋理的三維模型 ，并將紋理信息從可見光拓展到紅外波段。我們重構(gòu)出的三維模型的幾何精度高，具有真實(shí)的可見光和紅外紋理。 我們的作品運(yùn)用的建模方法可避免通常建模過程中重復(fù)性高、設(shè)計(jì)繁重的缺點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于軍事場景建模、地理信息系統(tǒng)建模、構(gòu)建數(shù)字城市等領(lǐng)域。 例如讓戰(zhàn)斗機(jī)人員和導(dǎo)彈發(fā)射人員在紅外或可見光場景的模擬環(huán)境中進(jìn)行打靶訓(xùn)練，會極其有效的提高其操作的熟練性和精確性。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品針對國內(nèi)紅外圖像三維處理技術(shù)不完善，國外對我國技術(shù)封鎖森嚴(yán)的實(shí)際情況，結(jié)合可見光和紅外圖像獲得物體的可見光與紅外波段的三維信息，彌補(bǔ)了單獨(dú)采用紅外圖像重構(gòu)時(shí)因物體邊緣模糊帶來的較大誤差，從光譜領(lǐng)域拓寬了重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用。本作品基于實(shí)拍圖像獲得物體紅外以及可見光的三維信息，克服了通常建模過程中重復(fù)性高、設(shè)計(jì)繁重的缺點(diǎn)，能夠自動、半自動地完成三維建模。本作品采用非接觸、被動式的遙感技術(shù)，其算法適用于航天、航空領(lǐng)域，能夠通過衛(wèi)星拍攝進(jìn)行大面積地理環(huán)境模型的重構(gòu)，例如構(gòu)建地球城市的三維立體模型。 本作品對相機(jī)采用針孔模型近似，并固定可見光和紅外的采集設(shè)備相對位置，以保持兩設(shè)備的統(tǒng)一匹配關(guān)系。首先，采用標(biāo)準(zhǔn)靶定標(biāo)的方法對可見光和紅外的采集設(shè)備進(jìn)行配準(zhǔn)以獲取各自內(nèi)部物理參數(shù)，以及兩種設(shè)備采集圖像的匹配關(guān)系。然后，提取可見光部分圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)信息，利用對極幾何約束關(guān)系計(jì)算出所有角點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，再采用統(tǒng)計(jì)方法對這些離散點(diǎn)擬合而構(gòu)建出物體的平 面信息，并且利用特征點(diǎn)坐標(biāo)匹配轉(zhuǎn)換矩陣獲取該平面的實(shí)際紋理。同時(shí)，將可見光圖像上已標(biāo)定的特征點(diǎn)通過可見光和紅外采集設(shè)備的匹配關(guān)系映射到紅外圖像中，再利用同樣的紋理提取方法獲取精確的紅外紋理，從而構(gòu)建出物體在可見光及紅外波段的三維模型。最終在軟件平臺上實(shí)現(xiàn)物體雙波段三維模型的顯示。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- ★計(jì)發(fā)明目的：針對國內(nèi)紅外圖像三維處理技術(shù)不完善的情況，結(jié)合可見光和紅外圖像獲得物體的雙波段三維信息，彌補(bǔ)單獨(dú)采用紅外圖像重構(gòu)時(shí)因物體邊緣模糊帶來的較大誤差，從光譜領(lǐng)域拓寬了重構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用。 ★基本思路：固定兩采集設(shè)備相對位置，以保持其統(tǒng)一的匹配關(guān)系。用標(biāo)準(zhǔn)靶定標(biāo)獲取各相機(jī)內(nèi)部物理參數(shù)及兩相機(jī)的互相關(guān)系。提取可見光圖像的角點(diǎn)坐標(biāo)，再將這些點(diǎn)擬合出目標(biāo)平面信息，且利用角點(diǎn)匹配矩陣獲取紋理。將特征點(diǎn)映射到紅外圖像中，提取其紋理，從而構(gòu)建出目標(biāo)雙波段的三維模型。 ★主要創(chuàng)新點(diǎn)：①從紅外建模技術(shù)上講，利用可見光與紅外圖像的匹配，解決了紅外圖像因分辨率低難以重構(gòu)出精確三維模型的難題。②從重構(gòu)紋理信息量上講，彌補(bǔ)了單獨(dú)采用紅外圖像重構(gòu)誤差較大的缺點(diǎn)，從光譜領(lǐng)域拓寬了重構(gòu)技術(shù)。③從模型紋理真實(shí)性上講，運(yùn)用精確放大的紋理，對實(shí)拍圖像提取放大，保證了三維模型紋理的真實(shí)性。 ★技術(shù)關(guān)鍵:①內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定：采集標(biāo)準(zhǔn)靶獲得特征點(diǎn)信息，計(jì)算相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。②可見光圖像的重構(gòu)算法：建立從相機(jī)的成像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，目標(biāo)三維重構(gòu)算法獲得目標(biāo)基于真實(shí)世界的三維信息的研究。③紅外圖像與可見光圖像配準(zhǔn)算法：設(shè)定特征點(diǎn)并進(jìn)行匹配，獲得紅外信息與可見光間的映射關(guān)系。④圖像重采樣算法：根據(jù)目標(biāo)圖像與其三維數(shù)學(xué)描述間的關(guān)系對圖像進(jìn)行重采樣。 ★技術(shù)指標(biāo)：①模型的尺寸精度：采用2048×1536分辨率的可見光相機(jī)重構(gòu)出 模型的尺寸誤差不超過2%。②紋理映射精度：對圖像應(yīng)用精細(xì)放大處理，達(dá)到亞像素級。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ★作品的科學(xué)性：圖像的三維信息的重構(gòu)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中最為重要問題之一，現(xiàn)階段大部分研究都是基于可見光圖像開展的。紅外圖像的自身特點(diǎn)與可見光形成良好的互補(bǔ)。對可見光和紅外圖像進(jìn)行綜合處理的技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。利用實(shí)拍圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，不但能獲得高逼真度的模型，而且避免了通常建模過程中重復(fù)性高、設(shè)計(jì)繁重的缺點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、航空航天及軍事目標(biāo)建模等領(lǐng)域。 ★作品的先進(jìn)性：將現(xiàn)在較為成熟的可見光三維重構(gòu)技術(shù)與紅外相結(jié)合，利用紅外與可見光相機(jī)在成像上的一致，使用立體匹配技術(shù)使兩者在物體的三維信息的反應(yīng)得到一致，從而實(shí)現(xiàn)對紅外圖像的三維重構(gòu)。本作品的可見光和紅外紋理都是經(jīng)過對實(shí)拍圖像精細(xì)放大獲得，精細(xì)放大和特征點(diǎn)匹配算法彌補(bǔ)了一般圖像采集紋理的扭曲性和模糊性，為構(gòu)建出的三維模型提供了真實(shí)豐富的紋理信息。由于紅外圖像獨(dú)特的性質(zhì)，其應(yīng)用研究已得到廣泛重視，但現(xiàn)在對紅外圖像的研究主要是紅外成像系統(tǒng)、紅外熱像等方面，到目前為止，基于紅外圖像的三維重建及相關(guān)的報(bào)道還較少。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年6月獲第七屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。 在所檢索的國內(nèi)數(shù)據(jù)庫中，有關(guān)于利用可見光來仿真生成紅外圖像、場景或紋理的研究，也有關(guān)于可見光與紅外圖像配準(zhǔn)與融合方面的研究，但該查新項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)的基于實(shí)拍圖像、利用可見光與紅外生成圖像坐標(biāo)之間確定的匹配關(guān)系，由目標(biāo)可見光圖像信息來精確重構(gòu)其紅外三維模型的軟件平臺未見公開文獻(xiàn)報(bào)道。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 磁盤、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- ★技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：①可見光與紅外建模技術(shù)有機(jī)結(jié)合。通過對紅外圖像的匹配提取紅外圖像的準(zhǔn)確紋理。避免了直接通過紅外圖像重構(gòu)三維信息時(shí)的邊緣模糊效果。②改進(jìn)成熟技術(shù)。將已有的可見光波段三維建模技術(shù)改進(jìn)，使之能夠與紅外采集設(shè)備匹配，從而應(yīng)用到紅外波段上進(jìn)行三維重構(gòu)。③三維紋理的豐富性和真實(shí)性。采用對實(shí)拍圖像特征點(diǎn)標(biāo)定的方法，精細(xì)放大紋理并對其反演計(jì)算得到逼真的可見光和紅外紋理。④廣泛的擴(kuò)展應(yīng)用。本作品所應(yīng)用的非接觸、被動式的遙感技術(shù)，其算法適用于航天、航空領(lǐng)域，能夠能為場景仿真、數(shù)字城市建設(shè)及軍事目標(biāo)建模等領(lǐng)域研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 ★推廣前景的技術(shù)說明和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：利用實(shí)拍圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，不但能獲得高逼真度的模型，而且避免了通常建模過程中重復(fù)性高、設(shè)計(jì)繁重的缺點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、地理信息系統(tǒng)及軍事目標(biāo)建模等領(lǐng)域。本作品采用非接觸式的遙感技術(shù)，其算法適用于航天航空領(lǐng)域，能夠通過衛(wèi)星拍攝進(jìn)行大面積地理環(huán)境模型的重構(gòu)，例如構(gòu)建地球城市的三維立體模型，農(nóng)業(yè)地形監(jiān)測和環(huán)保模型分析。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外對基于可見光的三維重構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，并已取得了許多重要的研究成果。在計(jì)算理論上，從匹配特征的選取、立體視覺的不確定性、對物體的再認(rèn)識與立體視覺的關(guān)系、幾何畸變與遮擋問題這四個(gè)方面已取得了較為成熟的研究成果，為可見光的三維重構(gòu)提供了一整套的理論支持[1-2]。利用航拍等手段獲得建筑物遙感圖像序列，計(jì)算目標(biāo)的三維拓?fù)湫畔4, 5]，以及提取目標(biāo)紋理[6]等研究能極大地提高建模效率，并獲得逼真的目標(biāo)模型，是三維重構(gòu)研究中的熱點(diǎn)問題。經(jīng)過這些年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的立體視覺應(yīng)用系統(tǒng)，除了在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用外，還有各種特定用途的，比如應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)的，或者交通事故勘查的，或者工業(yè)變形檢測或者可視對象建模等等。就國內(nèi)而言，比較有名的是武漢立得空間信息技術(shù)發(fā)展有限公司開發(fā)的一系列雙目視覺系統(tǒng)，其技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。主要是在機(jī)動車上裝配全球定位系統(tǒng)（GPS）、視頻系統(tǒng)（CCD）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）或航位推算系統(tǒng)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備，在車輛的高速行進(jìn)之中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。得到了廣泛的應(yīng)用。 上述領(lǐng)域中的大量研究都是基于可見光圖像開展的，到目前為止，國內(nèi)外基于紅外圖像三維重建的研究報(bào)告還極少[7, 8] 。一部分研究是基于主動紅外照射進(jìn)行的三維重構(gòu)，數(shù)據(jù)采集方式局限大，無法應(yīng)用在建筑物三維重構(gòu)。張志彥[8]等的研究對建筑物三維重構(gòu)有一定參考價(jià)值，但由于僅對單幀紅外圖像處理，誤差較大。究其主要原因，一是紅外圖像分辨率低（民用一般僅是320×240），定位精度不高；二是紅外圖像記錄的是物體自身的紅外輻射，目標(biāo)的邊緣和紋理特征模糊；三是在平滑表面內(nèi)可能會存在著因內(nèi)、外熱源引起的溫度變化而形成的“溫度邊緣”。上述缺點(diǎn)使獨(dú)立進(jìn)行紅外圖像的三維重構(gòu)誤差過大，方法具有局限性。 國內(nèi)對紅外圖像的三維重構(gòu)的研究報(bào)告還很少，目前正在研究紅外三維處理的是浙江大學(xué)光電系，武漢大學(xué)，西安電子科技大學(xué)的技術(shù)物理學(xué)院和成都電子科技大學(xué)。國內(nèi)對紅外的場景仿真研究基本都在各高校中，相對離散，現(xiàn)階段西安電子科技大學(xué)對其研究較為系統(tǒng)深入。 結(jié)合可見光和紅外圖像的三維重構(gòu)的技術(shù)尚未見報(bào)道。
