基本信息
- 項目名稱：
- 基于可見光及紅外圖像的目標三維重構(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。 我們的作品實現(xiàn)了從二維圖像構(gòu)建出具有真實紋理的三維模型 ，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，具有真實的可見光和紅外紋理。 我們的作品運用的建模方法可避免通常建模過程中重復(fù)性高、設(shè)計繁重的缺點，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)封鎖森嚴的實際情況，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，彌補了單獨采用紅外圖像重構(gòu)時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)計繁重的缺點，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，采用標準靶定標的方法對可見光和紅外的采集設(shè)備進行配準以獲取各自內(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坐標信息，利用對極幾何約束關(guān)系計算出所有角點的三維坐標信息，再采用統(tǒng)計方法對這些離散點擬合而構(gòu)建出物體的平 面信息，并且利用特征點坐標匹配轉(zhuǎn)換矩陣獲取該平面的實際紋理。同時，將可見光圖像上已標定的特征點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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- ★計發(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，彌補單獨采用紅外圖像重構(gòu)時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。用標準靶定標獲取各相機內(nèi)部物理參數(shù)及兩相機的互相關(guān)系。提取可見光圖像的角點坐標，再將這些點擬合出目標平面信息，且利用角點匹配矩陣獲取紋理。將特征點映射到紅外圖像中，提取其紋理，從而構(gòu)建出目標雙波段的三維模型。 ★主要創(chuàng)新點：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，彌補了單獨采用紅外圖像重構(gòu)誤差較大的缺點，從光譜領(lǐng)域拓寬了重構(gòu)技術(shù)。③從模型紋理真實性上講，運用精確放大的紋理，對實拍圖像提取放大，保證了三維模型紋理的真實性。 ★技術(shù)關(guān)鍵:①內(nèi)外參數(shù)標定：采集標準靶獲得特征點信息，計算相機的內(nèi)外參數(shù)。②可見光圖像的重構(gòu)算法：建立從相機的成像坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，目標三維重構(gòu)算法獲得目標基于真實世界的三維信息的研究。③紅外圖像與可見光圖像配準算法：設(shè)定特征點并進行匹配，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)目標圖像與其三維數(shù)學(xué)描述間的關(guān)系對圖像進行重采樣。 ★技術(shù)指標：①模型的尺寸精度：采用2048×1536分辨率的可見光相機重構(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)用精細放大處理，達到亞像素級。
科學(xué)性、先進性
- ★作品的科學(xué)性：圖像的三維信息的重構(gòu)是計算機視覺領(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與可見光形成良好的互補。對可見光和紅外圖像進行綜合處理的技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。利用實拍圖像進行三維重構(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)計繁重的缺點，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、航空航天及軍事目標建模等領(lǐng)域。 ★作品的先進性：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)過對實拍圖像精細放大獲得，精細放大和特征點匹配算法彌補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豐富的紋理信息。由于紅外圖像獨特的性質(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與融合方面的研究，但該查新項目的實現(xiàn)的基于實拍圖像、利用可見光與紅外生成圖像坐標之間確定的匹配關(guān)系，由目標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報道。
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)濟效益預(yù)測
- ★技術(shù)特點和優(yōu)勢：①可見光與紅外建模技術(shù)有機結(jié)合。通過對紅外圖像的匹配提取紅外圖像的準確紋理。避免了直接通過紅外圖像重構(gòu)三維信息時的邊緣模糊效果。②改進成熟技術(shù)。將已有的可見光波段三維建模技術(shù)改進，使之能夠與紅外采集設(shè)備匹配，從而應(yīng)用到紅外波段上進行三維重構(gòu)。③三維紋理的豐富性和真實性。采用對實拍圖像特征點標定的方法，精細放大紋理并對其反演計算得到逼真的可見光和紅外紋理。④廣泛的擴展應(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)濟效益預(yù)測：利用實拍圖像進行三維重構(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)計繁重的缺點，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、地理信息系統(tǒng)及軍事目標建模等領(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)進行了大量的研究，并已取得了許多重要的研究成果。在計算理論上，從匹配特征的選取、立體視覺的不確定性、對物體的再認識與立體視覺的關(guān)系、幾何畸變與遮擋問題這四個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，計算目標的三維拓撲信息[4, 5]，以及提取目標紋理[6]等研究能極大地提高建模效率，并獲得逼真的目標模型，是三維重構(gòu)研究中的熱點問題。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)等先進的傳感器和設(shè)備，在車輛的高速行進之中，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告還極少[7, 8] 。一部分研究是基于主動紅外照射進行的三維重構(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”。上述缺點使獨立進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)尚未見報道。
