三维重建

在计算机视觉和计算机图形学中，三维重建是捕捉真实物体的形状和外观的过程。这一过程可以通过主动或被动的方法完成。如果允许模型在时间上改变其形状，这被称为非刚性或空间-时间重建。

三维重建的研究一直是一个困难的目标。通过使用三维重建，人们可以确定任何物体的三维轮廓，以及知道轮廓上任何点的三维坐标。物体的三维重建是一个普遍的科学问题，也是众多领域的核心技术，如计算机辅助几何设计（CAGD）、计算机图形学、计算机动画、计算机视觉、医学成像、计算科学、虚拟现实、数字媒体等。例如，患者的病变信息可以在计算机上以三维方式呈现，这为诊断提供了一种新的、准确的方法，因而具有重要的临床价值。数字高程模型可以用机载激光测高或合成孔径雷达等方法进行重建。

主动方法，即测距数据方法，给定深度图，通过数值近似方法重建三维轮廓，并根据模型在场景中建立物体。这些方法对重建的物体进行主动干扰，可以是机械性的，也可以是使用测距仪进行辐射测量，以便获得深度图，例如结构光、激光测距仪和其他主动感应技术。机械方法的一个简单例子是使用深度计来测量与放在转盘上的旋转物体的距离。更适用的辐射测量方法向物体发射辐射，然后测量其反射部分。例子包括从移动光源、彩色可见光、飞行时间激光到微波或三维超声波。更多细节见三维扫描。

三维重建的被动式方法不干扰被重建的物体，它们只用一个传感器来测量物体表面反射或发射的辐射度，通过图像理解来推断其三维结构。通常情况下，传感器是对可见光敏感的相机中的图像传感器，该方法的输入是一组数字图像（一张、两张或更多）或视频。在这种情况下，我们谈论的是基于图像的重建，其输出是一个三维模型。与主动方法相比，被动方法可以适用于更广泛的情况。

单眼线索法是指使用一个或多个视角（摄像机）的图像来进行三维构建。它利用二维特征（如剪影、阴影和纹理）来测量三维形状,其中X可以是剪影、阴影、纹理等。通过单眼线索进行三维重建是简单而快速的，只需要一个合适的数字图像，因此只需要一个摄像头就足够了。从技术上讲，它避免了立体对应，而这是相当复杂的。

由于分析了图像中的阴影信息，通过使用朗伯反射率，恢复了物体表面的法线深度信息来进行重建。

这种方法比阴影中的形状法更复杂。在不同照明条件下拍摄的图像被用来解决深度信息。值得一提的是，这种方法需要一个以上的图像。

假设这样一个物体，其光滑的表面被复制的纹理单元所覆盖，而它从三维到二维的投影会引起失真和透视。在二维图像中测量的失真和透视为反求物体表面的法线深度信息提供了提示。

立体视觉根据对人类视觉系统的研究，从多个图像中获得物体的三维几何信息。其结果以深度图的形式呈现。由两台摄像机在不同视角下同时获得的物体图像，或由一台摄像机在不同时间、不同视角下获得的物体图像，被用来恢复其三维几何信息并重建其三维轮廓和位置。这比单目方法更直接。双目立体视觉方法需要两台相同的相机，以平行的光轴来观察一个相同的物体，从不同的视角获取两个图像。在三角关系方面，深度信息可以从差异中计算出来。双目立体视觉方法发展良好，稳定地促进了有利的三维重建，与其他三维结构相比，导致了更好的性能。不幸的是，它是计算密集型的，而且当基线距离较大时，它的表现相当差。