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2018-12-25
引言：提起學術雜志，您可能覺得離我們的生活有點遠，那是科學家應該看的。但正是科學家們孜孜不倦、攻艱克難，才不停推動著科學研究的深入、技術應用的拓展，最終將科學融入我們的生活之中，科技的進步也悄無聲息地顛覆著我們的生活方式。
《激光與光電子學進展》期刊，是由中國科學院主管，中國科學院上海光學精密機械研究所主辦，中國激光雜志社出版的學術類月刊，創刊于1964年，是國內激光與光電子領域的第一本期刊。該期刊被中國科技核心期刊、中國中文核心期刊和中國科學引文數據庫等收錄。期刊主要發表激光與光電子領域的最新研究論文以及具有一定深度和前瞻性的綜述論文，旨在及時報道國內外激光與光電子學領域科技的最新研究成果與技術應用，促進國內外學術交流，溝通科研與產業的聯系，促進激光與光電子事業的發展。
簡單說，《激光與光電子學進展》在中國激光與光電子領域的地位，相當于《VOGUE》之于時尚。有幸登上VOGUE封面就等于肯定了此人在時尚圈的地位不凡。同理，此刊的封面文章都是業內意義重大的最新研究成果與技術應用。今天我們來聊聊《激光與光電子學進展》11月的這篇封面文章“彩色三維掃描中紋理重建技術研究進展”。
這是易尚展示與合作團隊，在國家重點研發計劃“重大科學儀器設備開發”重點專項“三維數字彩色成像測量儀”的項目過程中取得的重大成果。
國家重點研發計劃“三維數字彩色成像測量儀”2018年度會議現場
這一重大專項是由國內3D掃描打印及VR/AR領域的領軍企業易尚展示牽頭，聯合清華大學、北京航空航天大學、深圳大學、南京理工大學、河北工業大學、中航工業長城計量所等國內光學領域頂尖研究院所組建的，其目的是以核心技術、關鍵部件的自主研發為突破口，研制出具備自主知識產權、技術國際領先、核心部件國產化、質量穩定可靠的結構光三維數字彩色成像測量儀。
那么，此篇論文的核心—紋理重建，在三維數字成像技術中起了什么作用呢？
三維數字成像技術可以生成記錄物體形狀的幾何模型，但這還不足以精確表達真實物體。為了建立照片真實感的三維模型，還需要將物體的表面顏色和幾何模型融合。因此在三維掃描技術基礎上對物體表面紋理進行重建，可以實現三維數字彩色成像。
三維彩色模型的紋理重建廣泛應用于文物研究與保護中
1基本原理
三維數字成像系統通常包括投影和采集兩部分。
投影部分通常采用高速數字光處理（DLP）技術，將載頻條紋利用數字微鏡器件（DMD）投射到被測物體表面；采集系統為高速工業相機，能夠同步記錄被測物體高度調制的形變條紋圖像，然后從形變條紋中解算出的物體的深度數據，在應用中多采用雙目結構，即兩個工業相機和一個投影儀構成一個三維傳感節點，采用多個三維傳感節點，就能對被測物體進行全方位的測量和重建。
以上多個部件實現的效果，一臺易尚鷹眼S1彩色桌面三維掃描儀就能完成，智能高效↓
易尚鷹眼S1彩色桌面三維掃描儀
在完成結構光投采后，對采集到的圖像應用相位提取和相位展開算法，可得到被測物體不同角度的單面深度數據。單面的深度數據需要通過坐標變換匹配到世界坐標系或全局坐標系中進行深度數據匹配。然后通過刪除冗余點數據，平滑邊界數據，對深度數據進行融合，便可得到完整的三維幾何模型。
由于工業相機的分辨率和色彩還原度不及單反相機，通過在傳感器節點上附加彩色單反相機用來拍攝物體紋理。采集到紋理圖像通過紋理映射投影到三維模型表面，建立二維圖像像素到三維空間點的映射關系，最終生成具有真實感的三維彩色模型。
2關鍵技術
紋理映射雖然能夠實現給模型上色的功能，但在實際應用中，這種映射關系往往受到模型精度、相機誤差等因素的影響，無法獲得準確的紋理映射關系。不同視角光照環境的差異，以及物體表面材質對光照反射的各向異性會造成紋理圖像之間色彩差異較大，這些情況也會導致紋理重建的質量下降。如何生成過渡平滑、色彩清晰自然的三維模型，是紋理重建中的關鍵技術。
紋理重建方法一般分為兩種策略：
（1）針對三維模型中每個面片確定各方向紋理坐標，選擇最佳紋理圖像；
（2）對多幅圖像進行疊加混合與優化處理，形成最終紋理圖像。
在紋理拼接方法中，早期的工作針對每個面片，使用貪心算法最小化相鄰面片來自不同紋理圖像的數量。然而貪心算法得到的是局部最優解，不能全局減少紋理接縫的產生。目前主流的方法是馬爾可夫隨機場（MRF）優化方法，能夠在全局范圍內最大程度地減少紋理接縫產生。同時輔以泊松圖像編輯等色彩融合校正方法對紋理接縫做進一步消除。
紋理拼接方法需結合多種算法處理，執行效率上不能滿足快速建模要求，基于復合權重的紋理融合方法能夠實現全自動的紋理重建。紋理權重是對紋理質量的一種評價，權重越大，代表顏色可信度越高，對融合后的顏色貢獻也越大。通過復合權重對紋理進行融合，能有效消除模糊和重影，實現平滑無縫的紋理重建。基于高精密傳感標定、基于復合權重的高真實感紋理融合等一系列高效融合算法，實現了三維傳感技術與計算機圖形學技術無縫接軌，在保證精度的條件下，確保融合高效性和輸出模型的可視性，為無人工干預的三維數字彩色成像實現提供了先進性支撐。
復合權重與平均權重紋理融合結果比較
易尚鷹眼S1彩色桌面三維掃描儀對紋理細節的呈現
3問題和挑戰
隨著紋理分辨率和模型面片數量的提高，對紋理重建算法的執行效率提出了更高的要求。目前小型結構光三維掃描儀獲得的面片數量可達百萬量級，對于大尺度的三維場景面片數量甚至上億。采用 GPU 計算或 FPGA 硬件進行算法加速，提升系統處理速度，是未來集成化三維掃描系統的趨勢。
遮擋現象是紋理重建中普遍存在的問題，遮擋現象會對紋理圖像的采集造成干擾,導致模型和紋理之間出現錯誤的紋理映射關系。因此，提高去遮擋算法的抗干擾能力和魯棒性是未來紋理重建方法研究重點之一。
對光反射屬性的重建是紋理重建技術發展中一項必然而迫切的需求。基于現有三維掃描儀，選取合適的光照模型，獲得物體表面光反射屬性參數，對于三維模型的真實感呈現，尤其是高反射率屬性的材質（如玻璃、金屬等）的紋理重建具有重要意義。
現在我們不難明白，紋理重建技術的提升，對三維模型的呈現有著非常重要的意義。這也正是此篇論文能作為封面文章登上《激光與光電子學進展》期刊的原因。
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