三維重建

在計算機視覺和計算機圖形學中，三維重建是捕捉真實物體的形狀和外觀的過程。這一過程可以通過主動或被動的方法完成。如果允許模型在時間上改變其形狀，這被稱為非剛性或空間-時間重建。

三維重建的研究一直是一個困難的目標。通過使用三維重建，人們可以確定任何物體的三維輪廓，以及知道輪廓上任何點的三維坐標。物體的三維重建是一個普遍的科學問題，也是眾多領域的核心技術，如計算機輔助幾何設計（CAGD）、計算機圖形學、計算機動畫、計算機視覺、醫學成像、計算科學、虛擬現實、數字媒體等。例如，患者的病變信息可以在計算機上以三維方式呈現，這為診斷提供了一種新的、準確的方法，因而具有重要的臨床價值。數字高程模型可以用機載激光測高或合成孔徑雷達等方法進行重建。

主動方法，即測距數據方法，給定深度圖，通過數值近似方法重建三維輪廓，并根據模型在場景中建立物體。這些方法對重建的物體進行主動干擾，可以是機械性的，也可以是使用測距儀進行輻射測量，以便獲得深度圖，例如結構光、激光測距儀和其他主動感應技術。機械方法的一個簡單例子是使用深度計來測量與放在轉盤上的旋轉物體的距離。更適用的輻射測量方法向物體發射輻射，然后測量其反射部分。例子包括從移動光源、彩色可見光、飛行時間激光到微波或三維超聲波。更多細節見三維掃描。

三維重建的被動式方法不干擾被重建的物體，它們只用一個傳感器來測量物體表面反射或發射的輻射度，通過圖像理解來推斷其三維結構。通常情況下，傳感器是對可見光敏感的相機中的圖像傳感器，該方法的輸入是一組數字圖像（一張、兩張或更多）或視頻。在這種情況下，我們談論的是基于圖像的重建，其輸出是一個三維模型。與主動方法相比，被動方法可以適用于更廣泛的情況。

單眼線索法是指使用一個或多個視角（攝像機）的圖像來進行三維構建。它利用二維特征（如剪影、陰影和紋理）來測量三維形狀,其中X可以是剪影、陰影、紋理等。通過單眼線索進行三維重建是簡單而快速的，只需要一個合適的數字圖像，因此只需要一個攝像頭就足夠了。從技術上講，它避免了立體對應，而這是相當復雜的。

由于分析了圖像中的陰影信息，通過使用朗伯反射率，恢復了物體表面的法線深度信息來進行重建。

這種方法比陰影中的形狀法更復雜。在不同照明條件下拍攝的圖像被用來解決深度信息。值得一提的是，這種方法需要一個以上的圖像。

假設這樣一個物體，其光滑的表面被復制的紋理單元所覆蓋，而它從三維到二維的投影會引起失真和透視。在二維圖像中測量的失真和透視為反求物體表面的法線深度信息提供了提示。

立體視覺根據對人類視覺系統的研究，從多個圖像中獲得物體的三維幾何信息。其結果以深度圖的形式呈現。由兩臺攝像機在不同視角下同時獲得的物體圖像，或由一臺攝像機在不同時間、不同視角下獲得的物體圖像，被用來恢復其三維幾何信息并重建其三維輪廓和位置。這比單目方法更直接。雙目立體視覺方法需要兩臺相同的相機，以平行的光軸來觀察一個相同的物體，從不同的視角獲取兩個圖像。在三角關系方面，深度信息可以從差異中計算出來。雙目立體視覺方法發展良好，穩定地促進了有利的三維重建，與其他三維結構相比，導致了更好的性能。不幸的是，它是計算密集型的，而且當基線距離較大時，它的表現相當差。