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基于轨迹基的非刚体运动恢复研究

基于轨迹基的非刚体运动恢复研究

作者：王晶浙江理工大学

学位级别：硕士

运动恢复，即从图像序列的二维特征点恢复出其三维结构信息和运动信息，是模式识别和计算机视觉领域中一项很重要的研究。目前该技术已经广泛应用于服装及织物的仿真、视频监控、安防等各种领域。其中的非刚体运动恢复，因其复杂的结构... 详细信息

运动恢复，即从图像序列的二维特征点恢复出其三维结构信息和运动信息，是模式识别和计算机视觉领域中一项很重要的研究。目前该技术已经广泛应用于服装及织物的仿真、视频监控、安防等各种领域。其中的非刚体运动恢复，因其复杂的结构和不规则的形状，而成为一项更为困难的工作。当前的非刚体运动恢复大都是在形态空间中，即把非刚体的三维结构看成是一系列形态基的线性加权组合。由于形态基的局限性，对于不同的运动类型要用不同的形态基，比如走路和喝水的运动恢复中要用不同的形态基，因此在形态空间中进行恢复亦会造成较大的误差。为解决这个问题，可以将非刚体结构看作是一系列预定义轨迹基的线性加权组合，实现在轨迹空间的运动恢复。而且，现有的非刚体运动恢复大都是在正交投影模型或是弱透视投影模型下进行的，而这些投影方法都属于仿射模型，是真实摄像机模型的近似。其中正交投影模型完全忽略了深度信息和位置信息，弱透视投影模型虽未忽略深度信息，但却丢失了物体的位置信息。且这些近似方法只有在物体的深度信息变化不明显时才成立，当物体深度信息变化较大是会造成较大的误差甚至使非刚体的运动恢复成病态。针对这些问题，本论文进行了相关的研究，主要工作如下：1、实现了在轨迹空间中的从图像序列中恢复非刚体三维结构和运动信息。由于形态基的局限性，因此基于三维空间中特征点的时间平滑性，可以将其表示为一系列轨迹基的线性加权组合。通过的形态基和轨迹基的对偶性，可以将形态空间的运动恢复变换到轨迹空间中。通过对不同轨迹基类型和数目的恢复效果分析，选取合适轨迹基种类及数目。由于轨迹基的独立性且可以预定义，因此可以减少误差积累，提高运动恢复的稳定性和精确性。2、提出一种迭代算法，在轨迹空间中，通过二维图像特征点序列，实现透视投影模型下的非刚体运动恢复。目前的算法大都是在弱透视投影模型下进行的，该模型是对真实透视投影模型的近似，忽略了位置信息，会造成较大的误差。本文根据透视投影模型和弱透视投影模型之间的关系，对特征点矩阵进行加权，通过迭代算法来不断逼近实现透视投影模型下的运动恢复。通过对真实的二维图像特征点序列的实验表明，本文的改进算法具有较好的精确性和稳定性。

关键词：运动恢复非刚体轨迹基弱透视投影透视投影

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面向图像的非刚体三维重建技术研究与应用

面向图像的非刚体三维重建技术研究与应用

作者：陈宇电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,对物体三维重建的研究多数是在形状大小不会发生改变的刚性物体上,而非刚体作为现实世界的重要组成部分,早期对其三维重建的方式也是基于刚体重建。这些方式将物体尽量作为一个整体进行建模,易产生模型重建偏差,导致很难还原非... 详细信息

近年来,对物体三维重建的研究多数是在形状大小不会发生改变的刚性物体上,而非刚体作为现实世界的重要组成部分,早期对其三维重建的方式也是基于刚体重建。这些方式将物体尽量作为一个整体进行建模,易产生模型重建偏差,导致很难还原非刚体的局部特征与生理形态。基于此,本文以研究非刚体的鸟类为例,分析与研究已有数据集,重定义鸟类骨架与关键点信息,设计基于局部刚度能量优化的非刚体三维重建算法。对比已有算法并进行实验,本算法取得了对细节还原更好的三维重建效果。本文的主要研究内容分为以下部分:（1）提出了非刚体局部刚度的形变算法。通过对鸟类的骨架分析,本文重定义了鸟类关键点,重点标注了易产生形变的关键部位。同时基于旋转矩阵与局部刚度的定义,结合壳能量函数优化方法,设计了非刚体局部刚度的形变算法。本算法将各个局部的刚度能量根据产生形变的权值分配来最小化,使得模型局部部位的微小形变更加拟合图像的局部特征的同时,不影响模型其余部位的形变。对比实验表明,关键点正确估计指标（PCK）平均高出对比算法模型2.55%,验证了局部刚度对于非刚体模型局部形变的促进作用。（2）提出了面向图像的非刚体三维重建算法。基于非刚体局部刚度的形变算法,旨在重建出完整的非刚体,本算法融合非刚性形变模块、相机位姿预测模块与纹理预测模块,将优化后的数据集预处理,通过最小化联合损失函数,执行对鸟类平均模型形变,重建出鸟类在关键点标注与局部非刚性形变约束下的三维模型,进而拟合鸟类这一非刚体物种的生理形态特征。本算法在交并比（Io U）指标中优于平均模型,以及在关键点正确估计指标（PCK）高出局部算法3.01%,证明了本算法在面向图像的非刚体三维整体重建中取得了正向效果。（3）设计并实现了面向图像的非刚体三维重建系统。基于本文算法框架,分析了非刚体重建的具体需求及其意义,设计了系统整体下各个模块的功能,实现了基于Django的面向图像的非刚体三维重建Web应用系统。本系统不仅能为用户展示已有的模型重建结果,还提供对自定义上传图像实现三维重建的功能。另外,本系统为用户提供了丰富的交互界面与良好的交互体验。本文着重关注非刚体在局部的形变,使得重建模型在一定指标上达到非刚性形变的效果,因此也设计与实现了面向图像的非刚体三维重建系统形成应用。

关键词：三维重建非刚体局部刚度关键点

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基于无监督神经网络模型的非刚体三维重建

基于无监督神经网络模型的非刚体三维重建

作者：彭向阳浙江理工大学

学位级别：硕士

基于单目相机的非刚性运动重建(Non-Rigid Structure from Motion,NRSf M)是计算机视觉的研究热点之一。由于在整个观测过程中,被观测物体始终处于非刚性运动状态,所以该问题本质上是一个欠约束问题。仅仅考虑单一的重投影约束无法得到... 详细信息

基于单目相机的非刚性运动重建(Non-Rigid Structure from Motion,NRSf M)是计算机视觉的研究热点之一。由于在整个观测过程中,被观测物体始终处于非刚性运动状态,所以该问题本质上是一个欠约束问题。仅仅考虑单一的重投影约束无法得到一个唯一并且准确的解,需要额外的约束。现有NRSf M解决方案可以很好的处理简单运动情况下的三维重建,但面临具有复杂运动的情况或特征点数目较多的情况时,仍然存在缺陷。此外,由于缺少大量高精度的NRSf M数据集,所以使用无监督的方式对网络进行训练更加合理,并且重建结果可以与现有方法进行比较。针对以上问题,本文提出了两种基于无监督神经网络模型的NRSf M解决方案,分别应用在复杂运动的稀疏数据集和稠密数据集上,本文的主要贡献如下:1、在复杂运动的稀疏数据集上,以不变性和封闭性为理论基础,本文提出了基于自监督网络和WGAN-GP网络(Wasserstein Generative Adversarial Networks with Gradient Penalty,带有梯度惩罚的生成对抗网络)的稀疏三维运动重建算法。根据同一三维结构在任意视角下的二维观测结果的重建结果应当相似的不变性理论,本文首次将图卷积应用于三维运动重建中,提出了基于图卷积和Transformer编码器的自监督网络。基于二维投影概率分布相似性的封闭性理论,本文在上述自监督网络中添加二维结构鉴别器构成WGAN-GP架构。本文通过大量实验分析了邻接矩阵作为先验知识的重要性以及二维结构鉴别器的有效性。2、在稠密数据集上,本文提出了重建与优化神经网络(Reconstruction and Optimization Neural Network,RONN)。RONN通过深度估计代替原有直接求解三维结构的方式,降低了理论计算量。RONN网络主要由卷积神经网络实现,具有三个模块,分别用于融合、重建和优化。损失函数主要包含两个:时间平滑损失和普氏对齐损失。其中时间平滑和普氏对齐均采用最小奇异值比(Minimum Singular Value Ratio,MSR)进行加权。实验结果表明,在稀疏情况下,本文提出的基于自监督网络和WGAN-GP网络模型在基准数据集以及CMU MOCAP数据集中都展现了优越的性能。在稠密情况下,RONN具有优秀的重建性能,并且在稀疏数据集上也有不错的重建效果。

关键词：非刚体三维重建图卷积生成对抗网络最小奇异值比

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基于形迹融合约束的非刚体三维运动重建研究

基于形迹融合约束的非刚体三维运动重建研究

作者：张静浙江理工大学

学位级别：硕士

非刚体的三维运动重建是计算机虚拟表达客观世界的一项关键技术,主要研究如何从一组给定的二维动态图像序列中恢复出相机的旋转信息和非刚体的三维结构。主流的重建方案有两种:基于形状空间下的三维重建和基于轨迹空间下的三维重建。基... 详细信息

非刚体的三维运动重建是计算机虚拟表达客观世界的一项关键技术,主要研究如何从一组给定的二维动态图像序列中恢复出相机的旋转信息和非刚体的三维结构。主流的重建方案有两种:基于形状空间下的三维重建和基于轨迹空间下的三维重建。基于形状空间的三维重建具有简单便捷的优点,但在重构过程中对所有不同序列重新构建新的形状基,导致引入大量未知数而使得该算法求解复杂,适用范围受限;基于轨迹基方法的重建虽然解决了上述形状基的局限性问题,但该方法中预定义的轨迹基的数目大小和种类却难以选择,基原子选择的太大或太小都不利于精确重建。为了解决形状基重建方法未知数多及运算复杂的问题,以及轨迹基方法中基原子数目和种类的选择难题,本文提出了基于形迹融合约束的重建方案,获得了较好的重建效果,同时本文方法计算复杂度低,通用性强。对此,本文基于形-迹对偶空间,主要做了以下工作:(1)求解出较为精确的相机旋转矩阵。首先将已知的测量矩阵进行因式分解,然后提出将矫正矩阵所满足的正交约束和格拉姆矩阵的迹最小化约束相结合,并利用半正定规划工具包求解。一旦矫正矩阵被唯一确定,进而就能得到相机的旋转矩阵。由于旋转矩阵恢复后被作为初始条件应用于非刚体结构矩阵的求解,因此其重建结果对结构矩阵的求解精度有着较大的影响。(2)针对轨迹基方法中基的数目与种类难以确定的问题,提出直接对非刚体运动轨迹施加平滑约束的重建方法。在三维重建投影模型基础上定义两个平滑矩阵,并建立轨迹速度和加速度残差最小目标函数,通过求导推导出闭式最优解析解。该方法不需要引入预定义基的任何数目和种类信息,从而直接避免基大小和种类选择的限制。所提的平滑性约束是轨迹空间的本质约束,具有一般性,且实现简便,运算复杂度小。在不同运动模型上的实验结果表明,所提方法下运动模型的重建效果得到了有效改善,算法的鲁棒性也更好。(3)为进一步提高重建精确度,提出基于形迹融合约束的非刚体三维重建方法。首先对非刚体结构所矩阵具有得低秩性进行分析,然后通过矩阵置换排列寻找到形状空间更强的低秩约束,并与轨迹上的平滑约束相结合得到新的形迹融合约束项,利用交替方向乘子算法求解和优化目标结构矩阵。最后在四种经典的运动模型上进行重建实验,并从多个角度对实验结果进行了分析和讨论。本文所提出的轨迹平滑约束和结构矩阵的的强低秩性约束均为非刚体运动的本质性约束,适用性强。实验结果验证了本文方法的有可行性和有效性。

关键词：非刚体三维重建形迹对偶平滑约束强低秩约束交替方向乘子算法

基于最优轨迹空间搜索的非刚体三维重建算法研究

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基于最优轨迹空间搜索的非刚体三维重建算法研究

作者：程建敏浙江理工大学

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三维重建，即从二维图像序列中恢复物体的三维结构和运动信息，是计算机视觉和模式识别领域中研究的重点和难点。其中非刚体的三维重建更是难点中的难点。因式分解法由于其具有较好的稳定性和精确性而被广泛应用。然而，要将为静态刚体... 详细信息

三维重建，即从二维图像序列中恢复物体的三维结构和运动信息，是计算机视觉和模式识别领域中研究的重点和难点。其中非刚体的三维重建更是难点中的难点。因式分解法由于其具有较好的稳定性和精确性而被广泛应用。然而，要将为静态刚体设计的因式分解法直接应用于动态非刚体的三维重建，还存在许多困难和问题。已有的大多数非刚体因式分解算法都是在形状空间下，将非刚体的三维结构看作是一系列线性形状基的加权组合。这就表明因式分解法的重建结果依赖于形状基选取。然而形状基有独特性，每个形状基都各不相同。显然，舞动的旗帜和运动的人体不能使用相同的形状基进行三维重建，也就是说形状基没有普遍适用性。将因式分解算法应用到轨迹空间可以解决这个问题。轨迹空间下的非刚体三维重建算法的一个主要思想是将特征点的运动轨迹看成是一系列预先定义的轨迹基的线性组合。所以轨迹基类型的选择和轨迹基的个数就显得十分重要。什么样的轨迹基和多少个轨迹基才能准确的重建非刚体的三维结构呢？使用不同的轨迹基进行三维运动重建会产生不同的效果。目前的算法并没有对轨迹基选择问题做深入的研究。在轨迹空间中，轨迹基个数的选择也是一个重要问题。然而，现有的算法或是根据大量的实验结果选取一个合适的基个数，目前还没有对轨迹基个数估计的算法出现。针对上述问题，本文主要做了以下两方面的工作： (1)分析了轨迹基的选择对轨迹空间下非刚体三维运动重建算法的影响。很多小波变换基的线性组合都可以用来表示特征点的运动轨迹。每种类型的小波变换轨迹基的特点都不相同，不同的轨迹基在使用时都会产生不同的效果。不同的小波变换基使用的场合不同，因此预先定义轨迹基类型对轨迹空间下的三维重建算法而言就显得非常重要。本文将讨论常用小波变换基的特性，并通过比较两种经典小波基，分析小波基选择对非刚体三维重建结果的影响。 (2)提出了一种基于自适应阈值选取轨迹基个数的方法。轨迹基个数对因式分解的三维重建方法来说十分重要的，而现有的研究很少有为轨迹基个数设计的算法。轨迹基个数选取过多，算法耗时就比较长;轨迹基个数选择过少，算法的精度就会降低。由于特征点的运动轨迹是非刚体形变程度的直接反映，因此根据轨迹转角差来判断特征点内部角度变化，进而选择轨迹基个数是实际可行的。为使算法更实用，本文根据转角差幅度，通过计算类间方差选取最佳阈值，再将转角差矩阵二值化，最后得到轨迹基的个数。

关键词：三维重建非刚体自适应阈值小波基最优轨迹空间

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基于内容的非刚体模型检索的研究

基于内容的非刚体模型检索的研究

作者：匡振中中国石油大学（华东）

学位级别：硕士

随着计算机软硬件技术的发展，三维模型得到了越来越广泛的应用。不但在计算机辅助设计、生命科学、医学、化学、工业和军事等领域中得到了广泛的应用，而且在我们的日常生活中也随处可见（3D游戏、3D影视动画等）。由于市场对三维模型... 详细信息

随着计算机软硬件技术的发展，三维模型得到了越来越广泛的应用。不但在计算机辅助设计、生命科学、医学、化学、工业和军事等领域中得到了广泛的应用，而且在我们的日常生活中也随处可见（3D游戏、3D影视动画等）。由于市场对三维模型应用的需求不断扩大，使得网络上涌现出了海量的模型，这导致了用户在庞大的模型库中查找所需模型时变得非常困难。因此，海内外很多图形学研究机构及公司积极投入到三维模型检索的相关研究当中。首先，本文从不同的角度调研并总结了经典的三维模型检索技术，包括刚体检索技术及非刚体检索技术。本文的研究侧重于非刚体模型的描述及检索，因此重点分析总结了非刚性三维模型检索中已有技术存在的问题。在众多非刚体描述方法中，基于扩散模型的特征描述方法是目前最好的方法之一。这种特征能够很好地描述可变形模型的形状并且对噪音、拓扑扰动及部分缺失等问题都有很好的稳定性。但是，这种方法缺少了完备的空间信息，因此在描述模型的精确度上受到了很大的约束。其次，在认识到目前方法不足的基础上，本文提出了一种新的密度无关的模型检索方法。针对HKS特征在不同局部密度模型上用词包进行投票的不稳定性的问题进行了研究，提高了检索精度。除此之外，本文针对国际上现有的非刚体模型检索方法的检索稳定性问题进行了研究，提出了一种新的联合特征模型检索方案。这种方案采用了局部和全局特征相结合的方法来提高模型的整体描述能力，提升了检索精度。本文提出的联合特征模型检索技术，首先分别计算不同范畴的特征（局部和全局），然后采用加权的方式将其结合得到描述能力更强的特征。其特点是能够从局部和全局的角度来描述模型并在不降低特征本身描述性能的基础上增强模型的整体描述能力。最后，本文详细阐述了所提出的方法并设计了一个高效地检索系统。经实验验证，本文提出的方法可以减小冗余并且具有高效地描述能力。在检索精度及稳定性方面，本文的方法与传统的方法相比得到了显著的提升。

关键词：模型检索对调和特征非刚体联合特征

基于结构光的非刚体目标快速三维重建关键技术研究

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基于结构光的非刚体目标快速三维重建关键技术研究

作者：常宏光中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

基于视觉的三维重建技术是计算机视觉领域中的一个重要研究方向,根据是否发射光信号,可分为被动视觉法和主动视觉法。主动视觉法中的结构光技术由于非接触,精度高,速度快,成本低等优点成为三维重建领域的研究重点,同时在工业界中被广泛... 详细信息

基于视觉的三维重建技术是计算机视觉领域中的一个重要研究方向,根据是否发射光信号,可分为被动视觉法和主动视觉法。主动视觉法中的结构光技术由于非接触,精度高,速度快,成本低等优点成为三维重建领域的研究重点,同时在工业界中被广泛应用。由于传统三维重建技术主要针对静态或刚体目标进行研究,因此在非刚体目标的三维重建方面还存在许多问题。本文工作主要是针对基于结构光的非刚体目标快速三维重建技术,围绕服装三维数字化技术和实时三维重建技术开展研究,主要工作可分为以下三个方面:(1)基于RealSense深度相机研究了一种服装三维数字化技术以及开发了相应系统。本文使用3个深度相机和1个旋转平台搭建出一个服装旋转三维扫描系统,利用该系统可获得服装周身的多个视角的点云。本文基于SIFT算法和ICP算法提出了一种相机位姿标定方法,基于该方法和转台标定法可以得到各相机和转台之间的位姿关系参数,将这些参数用于服装各部分点云的配准可以得到完整的服装点云。本文开发了相应的服装三维数字化系统,并对多种样式的衣服进行了实验,结果表明,在使用较少深度相机的情况下,该系统可以较快的得到具有较高精度的服装三维模型。(2)基于近红外高频二值编码结构光算法研究了一种实时三维重建技术。本文使用1个工业相机和1个近红外DLP投影仪搭建组成一套结构光扫描系统。本文基于现有的二值编码结构光算法,通过投影仪将编码图案高频投射到目标表面,同时将重建计算过程改写为在GPU中执行,实现实时重建的目的。本文开发了相应的实时三维重建系统对非刚体目标进行实时扫描重建,并与多种深度相机进行对比。实验结果表明,在室内场景下,本系统重建速度可达29帧/秒,重建精度可达0.05毫米,明显好于已有方法。(3)基于实时三维重建技术研究了一种多视角同步实时三维扫描及重建技术。本文使用3个结构光扫描系统搭建出一个多视角三维扫描系统。本文通过让每个结构光系统分别投射和接收不同波长的光来解决扫描过程中不同系统的投射图案互相干扰问题。本文基于棋盘格角点检测技术提出一种相机位姿标定方法,用于实时配准不同视角的目标点云。本文开发了相应的多视角实时三维重建系统对非刚体目标进行实时重建。本文针对上述三项工作分别进行了相关实验及误差分析,得到了可视化的实验结果,验证了各系统的可行性和可靠性。另外本文也存在一些不足,如服装三维数字化系统中的纹理色差校正,实时三维重建系统的重建速度等工作还有待深入研究。

关键词：结构光非刚体实时三维重建