基于SFS的加工表面三维形貌重建研究

明暗恢复形状(Shape From Shading,SFS)是计算机视觉中一个重要的研究课题,该算法应用于工件表面微观形貌重建,为快速检测表面质量奠定了基础.采用了SFS算法中的最小化方法,介绍了该算法的实现步骤和计算方法.首先利用合成图像对算法的准确度进行了验证,获得了较为准确的重建图像,继而利用工件表面显微图像对工...     

SFS三维重构技术的发展现状与趋势研究

从明暗恢复形状(SFS)是计算机视觉中三维重构问题的关键技术之一,其原理是利用单幅图像的明暗变化来恢复物体表面的三维形状,应用领域十分广泛.介绍了近些年来SFS方法的发展现状,将SFS算法划分为四种类型:演化和偏微分方程(PDE)方法、最优化方法、局部化方法以及线性化方法.同时,分析了各种SFS算法的特点,并对SFS技...     

基于明暗恢复形状的加工表面形貌重构与粗糙度检测

研究了采用明暗恢复形状法(SFS)对加工表面显微视觉图像的三维形貌重构,并实现了表面粗糙度检测.根据金属表面反射特性,采用简化的Oren-Nayar模型与Torrance-Sparrow模型中镜面反射分量叠加的方法,对光照模型进行了改进,并讨论了基于改进后光照模型的SFS最小化计算方法.利用该算法,实现了真实工件表面微...     

一种非朗伯表面SFS的快速粘性解算法

针对传统的非朗伯表面明暗恢复形状(SFS)算法存在运行时间长、精度不高的问题,提出了一种粘性意义下的明暗恢复形状快速算法。首先,非朗伯物体表面采用Oren-Nayar模型描述其表面反射属性,摄像机镜头使用适合于实际成像过程的透视投影模式,同时假设光源置于镜头像方主点附近,建立了上述情况下的图像辐照度方程,此方程蕴含着非朗伯表面的高度信息。其次,将辐照度方程转化为Hamilton-Jacobi(H-J)类偏微分方程,运用Legendre变换和最优控制理论得到H-J方程对应的Hamilton函数的控制形式。接着,建立了Hamilton函数的逼近算法,使用非线性规划原理构建Hamilton函数最优问题的等价约束问题,利用得到的最优控制并通过Newton法最终得到了H-J方程的粘性解,该粘性解即是非朗伯物体表面的高度。实验结果表明,提出的算法与典型的基于Lax-Friedrichs方法的算法相比,所需要的运行时间大幅度减少,重构的物体表面的高度平均误差与均方根误差也有较大幅度降低。     

基于计算机视觉的端铣表面粗糙度检测

明暗恢复形状（Shape From Shading,简称SFS）是计算机视觉中一个重要的研究课题,该算法应用于工件表面微观形貌重建,为快速检测表面质量奠定了基础。以计算机显微视觉为检测手段,采用明暗恢复形状方法,重建端铣加工表面微观形貌,进而检测表面粗糙度。根据微观金属表面反射特性,采用基于Cook-Torrance光照模型的明暗恢复形状算法,完成了端铣加工表面图像三维形貌重构与表面粗糙度参数检测。试验结果表明,该方法可以快速实现加工表面粗糙度参数的准确检测,为加工过程中粗糙度的在线检测提供了新的思路和方法。     

基于三维形貌重建的镗加工表面粗糙度检测

以计算机显微视觉为检测手段,采用明暗恢复形状方法重建加工表面微观形貌,进而检测加工表面粗糙度.根据微观金属表面反射特性,采用基于Torrance-Sparrow光照模型的明暗恢复形状算法,完成了镗加工表面图像三维形貌重构与表面粗糙度参数检测.     

非Lambert表面从明暗恢复形状技术的研究进展

传统的从明暗恢复形状(Shape from Shading,SFS)技术通常假定物体表面为Lambert表面,然而对于实际的物体表面来说,上述简化造成了重构结果误差较大.近年来,许多学者开始关注于非Lambert表面下的SFS技术的研究.结合作者自身的研究,从成像过程建模、图像辐照度方程的建立及求解数值算法出发,介绍了非Lambert表面从明暗恢复形状技术的研究进展.首先,简要介绍了非Lambert表面下典型的SFS技术;其次,以OrenNayer模型为例详细说明了非Lambert表面SFS方法的关键技术;最后,对非Lambert表面SFS技术的发展趋势进行了探讨.     

一种改进的灰度重构形状光照模型及其实现

针对基于灰度重构形状的表面三维重构方法中重构精度不高的问题,提出一种改进的光照模型。该模型不仅改进了物体表面的漫反射分量,而且考虑了物体表面镜面反射分量对表面重构所产生的影响,把漫反射分量和镜面反射分量线性叠加。采用有限差分法离散改进光照模型中的变量,再利用Jacobi迭代法求解改进光照模型,得到物体表面点的重构高度值。以金属半球图像为例,分别采用改进的光照模型和传统光照模型进行三维重构。通过结果分析表明,采用改进的光照模型提高了重构精度,重构后的高度误差降至1 2.1 9%。     

基于单幅图像的三维视觉测量与缺陷检测技术研究

研究了一种基于明暗恢复形状的三维视觉测量方法,可以通过单幅灰度图像获取表面三维形貌信息,进而对工件表面加工质艇或缺陷进行检测.本文采用了轴承表面质量进行检测分析,实验证明该三维测量方法能够精确获取工件表面的深度信息,并可以检测出轴承工件的表面缺陷区域的深度信息.同时,该方法具有操作简单,硬件成本低,处理速度快,精度较高的特点,能够用于工业在线检测.     

反求工程中基于图像灰度信息的三维曲面重构

基于物体表面图像灰度信息的三维几何形状反求(由明暗恢复形状),已成为工业界和学术界研究的热点问题之一。首先给出描述该问题的数学物理模型,并利用变分原理将其转化为一个泛函的极小化问题,然后应用有限差分思想和非线性最小二乘方法,将该泛函极小化问题归结为求解线性方程组。最后利用该算法产生的迭代公式对合成图像进行计算,并应用曲面造型软件CAXA(制造工程师)进行曲面重构,从而验证了该方法的有效性和可行性。     

一种基于NL-SFS方法的三维人脸快速重建系统

针对快速重建三维人脸的需求,设计了一种基于非Lambert从明暗恢复形状(NL-SFS)方法的三维人脸快速重建系统。首先人脸表面采用非Lambert反射模型描述其反射特性,这更接近于人脸表面实际的反射特性;接着由遵循正交投影的摄像机获取光源作用下的人脸表面图像,同时假定摄像机方向与光源方向保持一致,建立人脸表面的图像辐照度方程;然后将该方程转化为包含人脸表面深度信息的Eikonal方程;最后根据上述方程的特点,利用fast marching方法设计了系统软件,能够快速求得Eikonal方程的解,进而重建出人脸的三维形状。实验结果表明,该系统可以在较短的时间内获得较高的重建精度,即0.9s内可达到0.43%的高度平均相对误差。     

MRT Letter: Guided filtering of image focus volume for 3D shape recovery of microscopic objects

In this letter, a shape from focus (SFF) method is proposed that utilizes the guided image filtering to enhance the image focus volume efficiently. First, image focus volume is computed using a conventional focus measure. Then each layer of image focus volume is filtered using guided filtering. In this work, the all‐in‐focus image, which can be obtained from the initial focus volume, is used as guidance image. Finally, improved depth map is obtained from the filtered image focus volume by maximizing the focus measure along the optical axis. The proposed SFF method is efficient and provides better depth maps. The improved performance is highlighted by conducting several experiments using image sequences of simulated and real microscopic objects. The comparative analysis demonstrates the effectiveness of the proposed SFF method. Microsc. Res. Tech. 77:959–963, 2014. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.     

融合SFS和主动视觉技术的未知物体重建方法

针对未知三维物体自动重建问题,提出一种结合明暗恢复形状的被动视觉和主动视觉技术的新颖三维重建方法.首先利用摄像机分别获取初始位置及旋转180°位置下的未知物体图像信息,采用改进的Tsai-SFS算法恢复物体表面粗糙轮廓,从而获取未知物体的最大尺寸信息.然后结合单目线激光主动视觉系统沿Z轴旋转方向和绕X轴翻转方向上的可视空间模型,预测出物体未知区域信息.最终依据下一视点的可见性判据,将规划过程分为物体侧表面重建规划和上表面重建规划.其中将能获取最大可视曲面面积和最佳表面重建精度的位置定义为下一最优视点位置.并经过实体模型的三维重建验证所提方法的可行性及有效性.     

MRT Letter: Optimal composite depth function for 3D shape recovery of microscopic objects

Generally, in shape from focus techniques, a single focus measure is used in estimating the three‐dimensional structure of microscopic objects. However, the performance of a single focus measure is limited to estimate accurately the depth map of diverse type of objects. To cope with this problem, we propose genetic programming based novel approach by developing an optimal composite depth (OCD) function for accurate depth estimation. This OCD function optimally combines the initial depth and focus information extracted from individual focus measures. An improved performance of this function is reported for synthetic and real world microscopic objects. Microsc. Res. Tech., 2010. © 2010 Wiley‐Liss, Inc.     

Searching surface orientation of microscopic objects for accurate 3D shape recovery

In this article, we propose a new shape from focus (SFF) method to estimate 3D shape of microscopic objects using surface orientation cue of each object patch. Most of the SFF algorithms compute the focus value of a pixel from the information of neighboring pixels lying on the same image frame based on an assumption that the small object patch corresponding to the small neighborhood of a pixel is a plane parallel to the focal plane. However, this assumption fails in the optics with limited depth of field where the neighboring pixels of an image have different degree of focus. To overcome this problem, we try to search the surface orientation of the small object patch corresponding to each pixel in the image sequence. Searching of the surface orientation is done indirectly by principal component analysis. Then, the focus value of each pixel is computed from the neighboring pixels lying on the surface perpendicular to the corresponding surface orientation. Experimental results on synthetic and real microscopic objects show that the proposed method produces more accurate 3D shape in comparison to the existing techniques.     

MRT letter: A total variation based method for 3D shape recovery of microscopic objects through image focus

Generally, shape from focus methods use a single focus measure to compute focus quality and to obtain an initial depth map of an object. However, different focus measures perform differently in diverse conditions. Therefore, it is hard to get accurate 3D shape based on a single focus measure. In this article, we propose a total variation based method for recovering 3D shape of an object by combining multiple depth hypothesis obtained through different focus measures. Improved performance of the proposed method is evaluated by conducting several experiments using images of synthetic and real microscopic objects. Comparative analysis demonstrates the effectiveness of the proposed approach. Microsc. Res. Tech. 76:877–881, 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.     

基于运动恢复的双目视觉三维重建系统设计

对基于双目立体视觉的一种三维重建系统进行了改进和扩展。将视差细化处理环节引入现有系统,使原视差及相邻视差的匹配代价拟合为一条二次曲线,并为该曲线重新寻找更加精确的视差。进一步将运动恢复计算环节引入系统,通过估计当前视角的摄像机运动矩阵和以跟踪点和摄像机运动矩阵为参数构造能量函数,对能量函数进行优化来有效缩小误差,恢复出准确的运动矩阵。实验结果表明:新增的视差细化处理环节有效提升了重建点云的精度,使细化前后三维重建结果误差平均减少了16.3%,避免了片状点云现象;新增的运动恢复优化环节,能够精确地恢复摄像机的运动矩阵,优化后三维重建结果平均重投影误差减少了95.5%;重构后不同视角的点云之间不再孤立,重建模型整体拼接自然。     

具有三维力反馈的原子力显微镜纳米操作系统

在基于原子力显微镜的纳米操作过程中，由于缺乏实时反馈信息，造成纳米操作效率低下且灵活性差，同时探针因受力过大而损坏。为此，本文通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测到的悬臂变形信号、新的参数获取与校准方法，从而获取探针所受的实时三维纳米力。将此三力经比例放大后送人力／触觉设备进行感知，操作者就可以实时调节施加在探针上力的大小及探针的运动轨迹，使得操作的效率及灵活性明显提高，且可以避免探针因受力过大而造成损坏。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了系统的有效性。