基于视频的三维重建研究
这是一篇华中科技大学的硕士毕业论文，里面对三维重建技术的讲解很详细，适合作为综述来看独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集休已经发表或撰写过的研究成果。对木文的研究做出贡献的个人和集休,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关侏留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华屮科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在年解密后适用本授权书本论文属于不保密口。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者签名指导教师签名:日期:年月日日期:年月日万方数据华中科技大学硕士学位论文摘要基于视频的重建技术在计算杋视觉领域中扮演着非常重要的角色,而如何恢复场景的三维模型是目前研究的热点与难点问题。本文围绕基于视频的场景重建技术展开讨论,包括棊于单目视频的三维场景重建和于双目视频的视差图和场景流获取。由于单目包含的深度信息比较少,如何基于单目视频恢复相机的运动参数以及目标的深度信息是研究的重与难点。双目视频虽然包含了非常显著的深度信息,但是考虑到视频中场景的迕续性问题,如何使得恢复岀的深度图保持前后帧的连续性以及场景中运动日标的一致性,也是比较困难的问题。因此,针对上述所提到的问题进行了深入的研究,具体的研究工作如下第一,对三维重建研究进行了详细的介绍,介绍了对于特征点匹配的理解以及我们提出的基于特征引导偏向性高斯混合模型( Feature Guided Biased GaussianMixture model,FGBG);详细介绍立体视觉中立体匹配算法的原理、分类及评测标准,并在4个典型的数据集上对有代表性的局部、全局、半全局算法进行对比实验。此外,详细介绍运动恢复结构(SFM)的基本原理,并进行了实验分析。第二,提岀一种基于双目视频的视差图和场景流获取技术。基于双目视频,首先获得初始的视差图和2D特征点轨迹;在此基础上获得初始的3D稀疏运动轨迹,利用本文提出的 Object Motion Hypothesis(OMH)算法获得运动物体的致性假设采用 slanted-plane model以及参考图像与前后时间点图像对的约束关系,构建超像素和运动物体之间的能量模型,通过优化获得视差和场景流的估计结果。第三,提出一种棊于单目视频的动态场景重建系统。在获取特征点轨迹的基础上,基于运动信息获得特征点轨迹的聚类结果;提出一种基于超像素的多标记Graph-cut算法,得到每一个日标的精确边界;为每一个运动日标分配一个虚拟相机通过标准的SFM方法分别单独估计每个运动目标对应的虚拟相机的参数和稀疏三维点云,通过PMVS和泊松表面重建获得目标的稠密重建结果。关键词:三维重建、单∏视频、双目视频、视差、场景流万方数据华中科技大学硕士学位论文Abstract3D reconstruction based on video has play an important role in computer vision, andhow to recover 3D scene model has been paid much attention and is a difficult problemBased on the importance of 3D reconstruction, in this paper, the 3D reconstruction basedon video has been studied, including 3D scene reconstruction based on monocular videoand depth map and scene flow estimating based on binocular video. Since the monocularcontains much less depth information, how to recover the camera motion and depth maphas been a difficult problem. Besides, although binocular view contains significant depthinformation, it is difficult to keep the consistency of depth map and moving objectsTherefore, in view of the problems mentioned above the specific research works are asFirst. we introduce two directions of 3D reconstruction in computer vision: based onstereo vision method and based on structure from motion. The stereo matching method hasbcen introduced in detail, including algorithm principle, classification, and evaluationmethod. And, we compare the global, local and semi-global algorithm on four typicaldataset. In addition, we have made a detail introduction of structure from motion(SFM)and the experiment has been carried out to get 3D point cloudSecond, a method for depth map and scene flow estimation is proposed. First, inputbinocular video, initial disparity map is got by SGM, 2 point trajectories are got byoptical flow. Then the 3D tracks are got by disparity map and 2D point trajectories, get theobject motion hypothesis. Considering constraint between the reference image and theforward-backward images, the energy model based on super-pixel and object isconstructed using slanted plane model. Finally, the depth map and scene flow will be gotThird, a method for reconstructing monocular dynamic scene with multiple movingrigid objects captured by a single moving camera is proposed. First of all, feature pointsare matched through the video sequence via the optical flow method and the tracks "aregot based on these matches. Then the tracks are divided into several groups according totheir motion differences. An improved graph cuts based multi-label auto imagesegmentation method is used to acquire the accurate boundary of each moving object and万方数据华中科技大学硕士学位论文the static background. Then we assume a virtual camera for each moving object and thestatic background. The pose of these virtual cameras are estimated via the standardStructure from Motion(SFM) pipeline. Finally a dense point set and textured model isreturned for each virtual camera. We evaluate our approach on real-world video sequenceand demonstrate its robustness and effectivenessKey words: 3D reconstruction, monocular video, binocular video, disparity, scenefleOw万方数据华中科技大学硕士学位论文目录摘要Abstract绪论1研究的背景及意义2国内外研究现状1.3论文的主要工作及结构···································:··········.················4·2三维重建基本方法研究2.1引言.………8)2.,2线性摄像机模型(8)23基于特征点的图像匹配24运动恢复结构方法(12)2.5立体匹配与三维重建···.·.·······.·················:····.····················(15)26本章小结(22)基于双目视频的视差图与场景流估计3.1引言(23)3.2运动目标的提取(25)3.3双向约束场景流模型..31)34实验分析.333.5本章小结(444基于单目视频的三维重建研究(45)4.2目标分割(464.3三维场景估计(51)万方数据华中科技大学硕士学位论文4.4实验分析(52)4.5本章小结(55)5全文总结与展望5.1木文的主要页献与创新点(56)5.2工作展望…7)致谢S8)参考文献非D·非非··非。非(59)附录万方数据华中科技大学硕士学位论文绪论11研究的背景及意义视觉是人类的基本功能。通过视觉,人们能够感知外部世界中物体的大小,以及辨别物体之间的相对位置,并且了解它们之间的相互关系。人类把这种功能称为视觉功能。随着科学技术的不断创新,新兴的电子产品不断涌现,数码设备的成熟和计算机理论的涌现让人们越来越关注计算机视觉。人们开始利用摄像机采集视频或者图像,并将其转化为人类可理解的信号。即利用计算机实现模仿人类视觉的功能,计算机视觉也就随之六生。计算机视觉是个涵盖多种学科知识的新兴学科。其理论研究的最终目的是通过对采集到的视频或者图像进行处理,将二维图像或视频转化为三维信息,从而感知场景或物体的形状及运动。因此,计算机视觉吸引了越来越多的研究人员参与其中,包括图像处理与模式识别,应用数学,计算札科学与技术等等。三维场景重建作为计算札视觉中一个重要的研究方向,受到许多研究者的青睐。最近,获取三维场景信息的方式主要有以下三种:第一种,利川常见的建模软件3DMax、CAD等进行重建;第二种,利用深度扫描仪、红外或者激光测距仪器等设备进行三维重建;第三种,利用计算机视觉原理,基于视频或者图像获取场景的三位模型。在上述方法中,第一种是最为成熟的,但是第一种方法的操作步骤十分复杂,并且建模周期长。第二种方式能够获得物伓的髙精度几何模型,但是这些仪器价格昂贵,费时费力,并且对于重建大型场景非常局限。因此,第三种方式受到了普遍的关注,它可以重建复杂的室外大型场景,真实感强,价格低廉且方便携带。利用图像或者视频对场景进行重建,即从图像或视频中恢复场景或者物体的三维几何信息,构建三维模型,给人以视觉亨受。三维重建的用途十分广泛,它可以用于机器人导航,无人驾驶,医学图像分析,游戏等众多方向在众多的三维场景重建方法中,于视频的重建方法一直是一个研究热点。其中,从单目视觉的角度出发,基于单目视频的三维重建技术就是利用单个摄像札对万方数据华中科技大学硕士学位论文场景进行拍摄,研宄如何利用图像序列光流估计运动物体或场景的三维运动来重建三维模型。从双日视觉的角度出发,基于双∏视频的三维重建技术就是利用两个摄像机,从两个不同的角度对同一个场景进行拍摄,研究如何利用左右两个图像序列各自的运动信息,以及左右视图之间的视差信息,完成场景的三维重建。本文的基于视频的三维重建技术具有十分重要的研究价值。针对双目视频,提出了一种基于双目视频的视差图和场景流获取技术,目的是同时获得视差图和场景流信息、。针对单目视频,提出个完整的基于包含多个刚体运动目标的单目动态场景视频的重建系统。12国内外研究现状121基于单目视觉的三维重建研究现状近年来,3D静态场景的重建己经取得了显著性的突破。其中,大多数的研究都是遵循一个特定的步骤:首先从一组多视角的图像中提取特征点,然后对多视图中的特征点进行匹配,构建基础矩阵,恢复相机参数,从而得到玚景的三维结构凹。其中, Snavely N主要通过SFM( (structure from motion)从无序图像序列中恢复相机的位置以及获得场景的三维稀疏点云倒。除∫稀疏点云的重建之外,很多学者也集中研究场景的三维稠密重建四。其中, Seitz s m对多种立体匹配算法进行比较,并且是第一个提供已标定的多视图数据集。 Kolev K在前者的基础之上提出了一个全局能量模型,融合了轮廪信息和立体信息。值得一提的是,深度信息也是一种非常有前景的3D重建方法,主要思想是通过恢复图像的深度信息,融合多幅深度图逃行稠密重建η。此外,很多研究集屮于基于单个视频的稠密表面重建,主要包括基于场景流( scene flow)s, mesh- based稠密表面重建例, patch-base稠密表面重。但是,大多数捕获的视频中,动态场景视频比铰常见。而上述的研究只能用于处理静态场景,它们在应对多目标运动场景方面是十分有限的。最近, Tron r提出了一个包含动态运动目标的场景分割标准山,它是·个重要的3D运动估计和重建的预处埋过程视频重建主要有于两个视图12和基于多个视图314其中,HanM和万方数据
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大气湍流模型_.pdf
激光(Laser：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是光受激辐射放大的简称。原子受光子照射时不仅发生受激辐射同时还发生受激吸收。这两种过程是矛盾的。通常情况下吸收过程是主要的，受激辐射过程是次要的. 如果能够通过某种方法破坏粒子数的热平衡分布，受激辐射能量将大于吸收能量，受激过程将胜于吸收过程。这里E[v2]是单位为(m/s)2的速度平方平均值,离开地面高度h的单位为km,h的范围5~20km。近期实验证实了这个模型的近似合理性,并指出在儿百米以卜的近地面范围内,在白天Cn(h)≈C2()h43,在仅晚C2(h)≈C2()h23,另外Hal!发现8在草地覆盖面上空,Cn(h)≈C2()h3, Davidson发现海面上空C(h)≈C2()h23,1m≤h≤10m。一般m言,在近地面处C2的典型值从102m23(对于强湍流)到108m23(对于弱湍流)的范围内折射率功率谱密度折射率的随机起伏n1(r)主要是由温度空间分布中的随机微观结构而引起的,这种微观结构的起源则在于地球表面不同区域被太阳不同加热而引起的极大尺度的温度非均匀性,这种大尺度的温度非均匀性进而又引起大尺度的折射率非均匀性,它们最后被湍流风和对流冲碎,使非均匀性的尺度变得越来越小。湍流的大小范围通常从几毫米到几米,分别用内长度l和外长度L表示通常把大气折射率的非均匀性称为湍流“旋涡”,可以把他们想像成一些空气包,每个空气包鄞有一个特征的折射率。均匀湍流的功率谱密度Φ,(K)可以看成是尺度为L=2x/k,L=2x/和L,=2x/k的旋涡的相对丰度的一种量度。在各向同性湍流的情况下,Φ(K)仪是波数k的函数,k通过L=2x/k与旋涡大小L相联系。在 Kolmogorov关于湍流理论的终典工作的基础,普遍认为功率谱密度Φn(K)包括三个不同的区。对于很小的k=2n/L0(很大规模的尺寸)的区域叫输入区,在这个区域内谱的形状取决于特定的湍流是如何发生的,而且它通常是各向异性的。在这个区域被理论不能预言Φ(K)的数学形式。但当k大于某一临界波数λ时,Φ(K)的形状由制约着大湍流旋涡破碎为小旋涡的物理定律来决定。当k大于k0时,k0≈2x/,就进入了谱的惯性子区间。这里的Φn的形式可以由已确立的制约湍流的物理定律描述。由Kσ oImogoro湍流理论,Φ,为D(K)=0033C2k-1/32.5)当k达到了另一个临界值k的形式再次改变,这个区域叫耗散区,在这个区域里能量的耗散超过了动能。因此能量很小。所以,当k>k时,Φ很快下降。这里kn≈2π/l。 Tatarski川如下模型来概括k>k时Φn的快速下降:29C1994-2010ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.ncton(k)=0.033C, exp(k/km)(2.6)若选取kn=5.92/l,并且k>kn,上式是一个合理的近似。由式(25)和(2.6)所表示的谱在原点均偶不可积的极点,为了克服这种模型的缺点,常采用一种称为Ⅴ on karman谱的形式。这时谱近似地表示为0.033CΦ(k)≈(k2+k2)16 exp(- /km)Andrews提出了一个的近似谱8Φ(0.033 CR exp(-k2/k2)7/61+aQ2((k2+k2)16(28)k1k1其屮,a1=1.802,a2=0.254,k,-3.3/。注意,在a1=a2=0和作k=kn代换后Andrews模式简化为 Von karman谱;当k=l=0时,上式退化为(25)式。激光在大气中的传输方程假定大气的磁导率为常数,介电常量是随空间变化的。对于单色电磁波在地球大气中的传播,这时 Maxwell方程取以下形式l9V·H=0V×E=jboH(2.9)EOoEV·(EE)=0式(2.9)中,E是电场;H是磁场;a是角频率;而V矢量的分量为(O/ax,0/Cy,O/az)。把V×运算应用于式(29)的第二个方程,并将第二方程代入第三个方程,并考虑第四个方程,我们得到V·E+AHEE+V(E·Vlns)=0(2.10)这里代表以e为底的对数。波传播的局域速度即某点上的速度是(e)12,它也等于ch,式中,c是自由空间中的光速,而n是同一点上的局部折射率,因此u8=n/(2.11)由于和c是常数,有VIne=2vIn n(2.12)将式(2.11)和(2.12)代入式(210),得到C1994-2010ChinaAcademicJournalElcctronicPublishinghOusc.Allrightsrescrved.http://www.cnki.nct
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