从阴影恢复形状的径向基函数反射模型研究

目的 为解决传统阴影恢复形状（SFS）算法由于光源方向初始信息估计不准确,恢复的物体表面过于光滑,3维表面形状误差较大等问题,建立了基于径向基函数神经网络的反射模型,并对传统的神经网络进行了改进。方法 建立的基于径向基函数（SFS）神经网络的从阴影恢复形状反射模型代替了传统方法中采用的理想朗伯体表面反射模型。该模型利用径向基函数优秀的局部映射和函数逼近能力来处理SFS问题,通过网络训练过程中的权值代替物体所受到的初始光源信息,解决了传统算法在进行计算时,必须已知光源参数的限制。在该网络模型中添加自适应学习率算法,加速网络的收敛和训练速度。结果 针对SFS问题处理的两幅经典合成图像以及两幅实际图像进行了实验,实验结果表明,改进后的算法在3维视觉效果和3维形状信息的恢复方面都明显优于传统算法。归一化后的3维高度误差结果相比传统算法缩小了60%以上,而且同时适用合成图像和实际图像;自适应学习率的加入,使得网络的训练速度大大加快,对一幅128×128像素的图像,运算速度提升了50%。结论 本文针对SFS问题建立了基于RBF神经网络的从阴影恢复形状反射模型,利用网络模型中的参数代替SFS问题中的初始光源信息,通过最优化方法求解SFS问题。并针对传统的神经网络固定学习率造成网络收敛速度慢,容易陷入局部极小值的问题,加入了自适应学习率算法。实验结果表明,改进后的算法在处理该SFS问题时表现了优秀的性能,适用范围更广,收敛速度更快。     

图像亮度线索下的单目深度信息提取

目的 深度信息的获取是3维重建、虚拟现实等应用的关键技术,基于单目视觉的深度信息获取是非接触式3维测量技术中成本最低、也是技术难度最大的手段。传统的单目方法多基于线性透视、纹理梯度、运动视差、聚焦散焦等深度线索来对深度信息进行求取,计算量大,对相机精度要求高,应用场景受限,本文基于固定光强的点光源在场景中的移动所带来的物体表面亮度的变化,提出一种简单快捷的单目深度提取方法。方法 首先根据体表面反射模型,得到光源照射下的物体表面的辐亮度,然后结合光度立体学推导物体表面辐亮度与摄像机图像亮度之间的关系,在得到此关系式后,设计实验,依据点光源移动所带来的图像亮度的变化对深度信息进行求解。结果 该算法在简单场景和一些日常场景下均取得了较好的恢复效果,深度估计值与实际深度值之间的误差小于10%。结论 本文方法通过光源移动带来的图像亮度变化估计深度信息,避免了复杂的相机标定过程,计算复杂度小,是一种全新的场景深度信息获取方法。     

汽车类外观专利图像三维重建

为实现由汽车类外观设计专利图像到三维模型的恢复,结合汽车类外观专利图像的特点,提出融合从明暗恢复形状(SFS)与轮廓线法的汽车类外观专利图像三维重建方法.结合右视图及主视图的轮廓对由SFS得到的模型进行深度校正,得到较为精确的单幅图像三维模型;利用轮廓法恢复物体的整体模型,通过计算各单幅图像模型及整体模型的位置坐标,进行各模型之间的对齐操作,使两种方法得到的模型融为一体,得到融合模型.实验结果表明,与其它方法相比,该方法得到的三维模型在整体与细节方面都得到较大提升.     

结合深度学习的单幅遥感图像超分辨率重建

目的 克服传统遥感图像超分辨率重建方法依赖同一场景多时相图像序列且需预先配准等缺点,解决学习法中训练效率低和过拟合问题,同时削弱插值操作后的块效应,增强单幅遥感图像超分辨率重建效果。方法 首先构造基于四层卷积的深度神经网络结构,并在结构中前三层卷积后添加参数修正线性单元层和局部响应归一化层进行优化,经过训练得到遥感图像超分辨率重建模型,其次,对多波段遥感图像的亮度空间进行双三次插值,然后使用该模型对插值结果进行重建,并在亮度空间重建结果指导下,使用联合双边滤波来提升其色度空间边缘细节。结果 应用该方法对实验遥感图像进行2倍、3倍、4倍重建时在无参考指标上均优于对比方法,平均清晰度提升约2.5个单位,同时取得了较好的全参考评价结果,在2倍重建时峰值信噪比较传统插值法提升了约2 dB,且平均训练效率较其他学习法提升3倍以上,所得遥感图像重建结果在目视效果上更加细致、自然。结论 实验结果表明,本文设计的网络抗过拟合能力强、训练效率高,重建时针对单幅遥感图像,无需依赖图像序列且不受波段影响,重建结果细节表现较好,具有较强的普适性。     

基于图像特征的植物形态相似度算法

目的 研究不同植物形态之间的相似度是有效区分植物种类或科属的一个重要依据。目前的植物形态相似度计算方法,大多只考虑了植物拓扑结构或者外围轮廓等几何形状方面的相似性,而未涉及叶片颜色、冠层叶片的稠密状态及株型的松散状态等因素。因此,基于植物图像的形状特征和颜色特征,本文提出一种基于图像特征的植物形态相似度计算方法。方法 首先,获取图像的轮廓特征和区域特征。轮廓特征用植物枝条的松散程度表示,具体包括植物的高宽比、轮廓四边形和第1个1级侧枝的高度;区域特征用叶片稠密度表示,计算叶片所占整个包围矩形面积的比例。其次,获取图像的颜色特征,使用基于HSV和YUV颜色空间的颜色直方图,统计图像的颜色分布。最后,利用信息熵分析数据的离散程度,据此确定各部分对应的权重大小,加权得到总体的相似度值。结果 实验在人工采集的数据集上进行,得出松散度、稠密度和颜色对应的权重分别为0.62、0.17和0.21。在此基础上得到的相似度计算结果符合实际,可以有效度量植物之间的相似程度。同时,将提出的算法应用于图像检索,并与常见的5种方法进行比较。实验得出该算法查准率都在0.747 7以上。在同一查准率水平下,相比于其他方法,查全率也都处于较高水平。尤其在相似度阈值大于0.8时,查准率可以达到0.910 8以上。另外,该方法对植物图像缩放不敏感,同类植物的相似度依然接近于1。结论 本文提出的植物形态相似度算法,结合了形状特征和颜色特征,计算结果符合人的视觉感受。与其他方法相比,可以更有效区分植物种类或科属。算法主要适用于背景单一的单株植物图像,可为研究植物形态的相似性提供技术参考。     

基于神经网络的三维重建

从明暗恢复形状(shapefromshading,即SFS)是计算机视觉研究领域的一个热门话题。SFS利用图像中明暗变化与物体平面特征的对应关系来恢复物体表面特征。传统方法有估计光源方向,引入梯度光滑约束等方法,但传统的方法存在误差大,重建后物体表面过于光滑等问题,不适合表面起伏大的电镜图像的重建。本文提出以高度z连续作为约束条件,利用神经网络对单幅电镜图像进行重建的算法,并在实验中取得很好的重建效果。     

面向RGBD图像的标记分水岭分割

目的 针对分水岭分割算法中存在的过分割现象及现有基于RGB图像分割方法的局限,提出了一种基于RGB图像和深度图像(RGBD)的标记分水岭分割算法。方法 本文使用物体表面几何信息来辅助进行图像分割,定义了一种深度梯度算子和一种法向量梯度算子来衡量物体表面几何信息的变化。通过生成深度梯度图像和法向量梯度图像,与彩色梯度图像进行融合,实现标记图像的提取。在此基础上,使用极小值标定技术对彩色梯度图像进行修正,然后使用分水岭算法进行图像分割。结果 在纽约大学提供的NYU2数据集上进行实验,本文算法有效抑制了过分割现象,将分割区域从上千个降至数十个,且获得了与人工标定的分割结果更接近的分割效果,分割的准确率也比只使用彩色图像进行分割提高了10%以上。结论 本文算法普遍适用于RGBD图像的分割问题,该算法加入了物体表面几何信息的使用,提高了分割的准确率,且对颜色纹理相似的区域获得了较好的分割结果。     

基于色调优化的图像视频细节增强

目的 针对已有的细节增强方法难以保持输入图像帧的色调分布的缺点,提出一种基于色调优化的图像视频细节增强算法。方法 首先,为了避免颜色通道的相关性所带来的偏色现象并提高算法效率,对输入图像帧进行颜色空间的转换,提取亮度信息。然后,采用基于局部极值的边缘保持图像滤波方法,快速地将亮度通道图像分解成一幅含有大尺度边缘信息的基图像和多幅含有小尺度细节信息的细节层图像。接着,在用户期望的细节增强系数和输入图像的颜色场的约束下,提出基于梯度域上能量优化的细节增强算法,获得色调一致的细节增强亮度图像。最后,通过颜色空间的逆转换得到最终的细节凸显效果。结果 实验结果表明,本文算法不但能够显著地增强输入图像帧的细节内容,而且能够有效地保持其原有的色调分布,显得更加真实生动。结论 本文算法基本满足科学观察、视频监控和数字视觉特效等领域的技术要求,具有很大的应用潜力。     

烧结断面火焰图像退化模型及断面图像复原

目的 图像复原是基于物理模型提高退化图像质量的一种客观方法,复原图像无失真且细节丰富。烧结机尾断面火焰图像可以反映料层的烧结状态,对烧结矿质量的检测起到至关重要的作用。由于烧结机尾环境恶劣,存在大量的烟气、粉尘以及亮度不均等干扰因素,导致相机采集到的烧结断面火焰图像存在退化现象。为消除这些影响,本文建立了烧结断面火焰图像退化模型,提出了有效的烧结断面火焰图像复原算法。方法 基于大气散射模型,采用一级多散射方法对烟尘多次散射过程进行简化,建立烧结断面火焰图像退化模型,依据Retinex理论,将场景成像分解为环境光照射分量与反射率的乘积,明确复原图像所求参数。1）求取原始图像亮度,利用Retinex理论分解原始图像,使用双边滤波来调整亮度图像,采用Sigmoid函数对反射图像进行增强,得到亮度平衡后新的烧结断面火焰图像;2）利用暗通道原理估计环境光值,结合引导滤波细化图像透射率分布;3）采用容差机制改进火焰区域的透射率,得到复原图像。结果 使用本文方法对单幅图像进行复原并与其他4种方法进行主客观评价,结果表明本文得到的复原图像亮度均衡,火焰区域细节清晰并且与烧结料层区别明显,在保持较高图像对比度的同时,图像信息熵和峰值信噪比分别为17.532 bit与22.127 dB,相比其他算法明显提高。结论 本文研究了烧结断面火焰图像的退化模型,提出有效的复原算法,实现了Retinex理论与暗通道原理的有机结合,复原图像质量较高,为烧结火焰特征准确提取打下基础。     

基于SFS方法的三维重构及精度分析

从明暗恢复形状(SFS)是计算机视觉中三维重构问题的研究热点和难点之一,目前已有算法存在两个问题:1)选择的反射模型不符合物体表面的反射特性;2)引入的约束条件和求解过程过于复杂,求解速度慢,效率低。对SFS算法进行了详细分析,引入了朗伯特光照反射模型,对物体表面做球形假设,然后对图像做近似微分运算以求出高度函数,实现了利用单幅灰度图像恢复物体表面三维形状并仿真的数据处理方法,同时对传统线性化SFS算法和所提算法进行了实验验证,对两种模型的重构精度和算法的执行效率进行了比较和分析。实验仿真结果表明,在保证一定精度的前提下,所提算法的执行效率比传统算法高。     

Restoring warped document images through 3D shape modeling

Scanning a document page from a thick bound volume often results in two kinds of distortions in the scanned image, i.e., shade along the "spine" of the book and warping in the shade area. In this paper, we propose an efficient restoration method based on the discovery of the 3D shape of a book surface from the shading information in a scanned document image. From a technical point of view, this shape from shading (SFS) problem in real-world environments is characterized by 1) a proximal and moving light source, 2) Lambertian reflection, 3) nonuniform albedo distribution, and 4) document skew. Taking all these factors into account, we first build practical models (consisting of a 3D geometric model and a 3D optical model) for the practical scanning conditions to reconstruct the 3D shape of the book surface. We next restore the scanned document image using this shape based on deshading and dewarping models. Finally, we evaluate the restoration results by comparing our estimated surface shape with the real shape as well as the OCR performance on original and restored document images. The results show that the geometric and photometric distortions are mostly removed and the OCR results are improved markedly.     

基于灰度图像的三维曲面重建系统设计

由二维图像重建三维模型是计算机科学中的一个研究热点。对该问题进行了深入研究,提出了一个基于ShapeFrom Shading(SFS,基于阴影恢复形状)方法进行曲面重建的方法。该方法从图像入手,采用图像处理技术对图像进行必要的处理,由图像的亮度进行曲面三维形状的重建,并利用OpenGL和Visual C 开发了一个三维曲面重建系统,可以由曲面的二维灰度图像方便地重建出其三维形状。该系统的设计对实现产品的快速开发具有重要的意义。     

结构相似性的水下偏振图像复原

目的 针对水下偏振图像存在雾状模糊和场景细节不明显的问题,以水体透射率图与目标反射光图像存在的相互独立性为基础,提出一种基于结构相似性的水下偏振图像复原方法,旨在提高水下偏振图像的清晰度、对比度和色彩真实度。方法 首先,获取同一水下场景下具有正交偏振方向且分别具有最大和最小光强的两幅偏振图像;然后根据透射率图与目标反射光之间的统计无关性,使用结构相似性推导求解透射率的关系式,并通过偏振差分图像计算透射率的初始值,利用该关系式进行水体透射率的迭代求解;最后将透射率代入偏振成像模型得到目标反射光图像,进而进行颜色校正得到复原图像。结果 选取多组正交的水下偏振图像作为研究对象,采用本文提出的方法与另两种偏振复原算法对其进行复原处理,使用对比度、信息熵、灰度平均梯度、峰值信噪比、增强量以及时间等量化指标进行评估。对比实验结果表明,本文算法在对比度、信息熵、灰度平均梯度、增强量以及颜色恢复上都优于另两种偏振图像复原方法,并有较大幅度的提高;灰度平均梯度和对比度较YY算法提高了一倍左右;本文复原图像的色彩分布较均匀使得图像的信息含量大,信息熵高;而突出的EME也证明本文算法的结果纹理清晰、对比度高以及图像复原程度好;提出算法的复原效果有显著的改善,但算法运行时间较长,实时性有待提高。结论 本文基于水下偏振成像模型的分析以及透射率图与目标反射光图像之间的统计无关性,从水体透射率的估计出发进行图像复原,有效地解决了水下偏振图像细节模糊、对比度低的问题。通过对算法实验效果的主客观分析表明,本文算法能有效地复原水下偏振图像,得到对比度高、细节明显和色彩丰富的恢复图像。     

基于单张影像的月面三维仿真

根据阴影恢复形状原理,提出一种基于单张影像的快速月面三维建模和光照模拟方法。利用单张2D影像中残留的3D线索——灰度信息,通过SFS方法对月面三维形貌进行快速重建,采用改进的Hapke光照模型对重建后的三维形貌进行渲染。实验结果证明,在精度允许范围内,该方法能快速地实现对月面三维形貌的提取和仿真。     

基于多粒度匹配的高超速飞行体三维重构方法

针对高超速飞行体在飞行过程中能获取到的图像信息较少,无法完全复现其轮廓信息,提出一种基于多粒度匹配的三维重构优化方法。首先通过两台高分辨率CCD相机正交的阴影照相站系统采集高超速飞行体多幅图像信息,利用图像分割技术提取物体的二维轮廓;然后采用改进的SFS算法求解出物体表面各点的相对高度和表面法向量,恢复其三维形貌;最后使用图像拼接优化技术实现高超速飞行体表面的三维重构。并经过实体模型的三维重构验证所提方法的可行性及有效性。     

基于阴影的三维表面重构技术的概述

三维表面重构是计算机视觉的主要任务之一。已经发展了各种各样的重构技术,其中利用单幅图像中物体表面明暗变化来恢复其表面形状的技术尤其引人注目,这不仅因为该技术简单易于实现,更重要的是它适用于各种其它方法难以应用的场合,例如,在机载、星载、弹载环境中的利用。论文从SFS问题的研究背景出发,介绍并分析这方面的一些重要进展,通过对各种重构方法的分析与比较,提出SFS问题的研究发展趋势和一些值得研究的方向。     

单幅图像三维表面重建中的共轭梯度算法

从单幅图像获得物体的表面高度是计算机视觉中的一个重要研究领域,迭代算法的计算精确度高,但收敛速度较慢。该文对于几种常用的共轭梯度优化算法进行了详细分析,提出了在三维表面重建过程中实现共轭梯度算法的具体步骤和计算方法,并评价了算法的性能和优缺点。对合成图像进行仿真,并将表面恢复结果和算法收敛速度与传统的变分迭代方法比较,验证了算法的可行性和实时性。