3D物體形狀重建是近年來熱門的話題,影視制作、先進(jìn)制造、智慧城市、無人駕駛等許多方面,都離不開它。說起3D物體形狀重建,人們可能首先想到了先進(jìn)的激光掃描儀。令人驚奇的是,山東大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)陳寶權(quán)教授率領(lǐng)北京電影學(xué)院未來影像高精尖創(chuàng)新中心和山東大學(xué)研究團(tuán)隊(duì),聯(lián)合以色列、加拿大的研究人員,提出了一種新穎的3D物體形狀重建法,將液體(水)作為獲取物體形狀的介質(zhì),巧妙地把3D形狀獲取轉(zhuǎn)化為體積問題,類似用水對(duì)物體做CT。記者楊紫慧
“水CT”的性價(jià)比更高
陳寶權(quán)教授告訴記者,他們的3D物體形狀重建法借鑒了CT掃描的原理。不過,CT 設(shè)備體積龐大,而且只能在特定的環(huán)境中使用,成本也很高。相比之下,研究人員提出的浸入轉(zhuǎn)換法以較低的計(jì)算成本生成完整的形狀,性價(jià)比高,而且應(yīng)用范圍更廣。
“只要是能浸入水槽的物體,不論多大,都能進(jìn)行重建。”陳寶權(quán)教授介紹道。此外,浸入轉(zhuǎn)換裝置搭建起來也很簡(jiǎn)單。
不過,他們必須解決新的難題。最大的難點(diǎn)在于兩個(gè)方面,一是軟件上,如何從多個(gè)局部信息重建完整信息;一是硬件上,針對(duì)物體的浸入水中,如何連續(xù)精確測(cè)量容器里水體積的變化。
光“看不到”的,水能“看到”
這項(xiàng)研究最大的突破就在于能夠方便地測(cè)量物體看不見的部分,陳寶權(quán)教授在接受采訪時(shí)說。傳統(tǒng)3D掃描和形狀建模方法基于光學(xué)設(shè)備,最常見的是使用激光掃描儀和攝像頭對(duì)物體表面進(jìn)行掃描。但是,這樣做有一定的局限,比如光線照不到的地方無法取樣,縫隙、微小突起等結(jié)構(gòu)取樣不完整,還有透明等特殊的材料難以處理。
為了解決這些問題,研究人員將液體作為獲取物體形狀的介質(zhì),將物體浸入水中,測(cè)量物體的排水量,然后利用這種體積上的信息重建物體的表面形狀。這時(shí),使用液體(水)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)了出來,水能很好地貼合復(fù)雜的表面,還能滲透到空腔里,計(jì)算排水量也不需要考慮光線的折射率和偏振等問題,輕松繞過了光學(xué)設(shè)備面臨的種種限制。
從理論上講技術(shù)已完全成熟
實(shí)驗(yàn)中,研究人員制作了一套簡(jiǎn)便的“3D 浸入裝置”——用機(jī)械臂夾住物體,將物體浸入水槽,然后測(cè)量水位上升變化的曲線,得出沿當(dāng)前角度浸入水中的物體的橫截面。這樣,通過多次將物體以不同角度浸入水中,研究人員就能得出物體多個(gè)橫截面的信息,進(jìn)而精確地計(jì)算出物體的幾何形狀,包括平時(shí)激光掃描儀很難捕捉到的部分。
那么,浸入變換距離大規(guī)模應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)生活中還有多遠(yuǎn)呢?從理論上講,技術(shù)已然完全成熟,關(guān)鍵是針對(duì)具體應(yīng)用中的物體大小和精度需求開發(fā)相應(yīng)的裝置,來達(dá)到最好的性價(jià)比。
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