《光度立體學》課件

光度立體學光度立體學是計算機視覺領域的重要研究方向，它通過分析圖像的光度信息來重建三維場景。課程概述光度立體學概述光度立體學是利用光學原理，從多個角度獲取物體圖像，通過計算機視覺算法重建三維模型，并進行虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等應用。課程目標掌握光度立體學基本理論，了解常用光學設備，熟悉三維重建算法，學習應用場景。學習內(nèi)容光度立體學基礎空間視覺功能光學設備與成像三維重建算法應用場景與趨勢光度立體學的基本原理11.光照信息利用多角度光源照射目標物體，獲取物體表面的光照信息。22.圖像采集使用相機或傳感器從不同角度拍攝物體的圖像，記錄光照信息。33.幾何重建根據(jù)多個圖像之間的幾何關(guān)系，計算出物體表面的三維結(jié)構(gòu)。44.深度信息根據(jù)圖像中的光照變化和幾何信息，推算出物體表面的深度信息。認知基礎視覺神經(jīng)元人腦中負責視覺信息的處理和感知。人眼結(jié)構(gòu)光線通過角膜、瞳孔和晶狀體聚焦在視網(wǎng)膜上，轉(zhuǎn)化為電信號。視覺通路從視網(wǎng)膜到大腦皮層的信號傳遞路徑，負責處理視覺信息。視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)人類視覺系統(tǒng)是一個復雜而精密的系統(tǒng)，由眼睛、視神經(jīng)和大腦共同構(gòu)成。眼睛負責收集光線并將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，視神經(jīng)將神經(jīng)信號傳遞給大腦，大腦負責處理和解讀視覺信息。視覺系統(tǒng)能夠感知顏色、形狀、大小、運動等信息，并識別物體、判斷距離、理解場景等。視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四個主要部分：眼球、視神經(jīng)、視覺中樞和視覺皮層。眼球負責將光信號轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，視神經(jīng)負責將神經(jīng)信號傳遞到大腦，視覺中樞負責處理和解讀視覺信息，視覺皮層負責將視覺信息與其他感官信息整合。雙眼視覺機理視網(wǎng)膜成像雙眼分別捕捉物體，形成兩幅略有差異的視網(wǎng)膜圖像。視差信息兩幅圖像間存在視差，即物體在不同視角下的位置偏移。深度感知大腦通過分析視差信息，計算出物體距離，形成三維深度感知。立體視覺結(jié)合深度信息和物體形狀，大腦構(gòu)建三維模型，實現(xiàn)立體視覺效果?？臻g視覺功能深度感知空間視覺功能使我們能夠感知物體之間的距離，并構(gòu)建三維世界模型。深度感知讓我們能夠準確地導航，抓住物體，并與周圍環(huán)境互動。立體視覺立體視覺使我們能夠從不同的角度感知物體，并感知它們的立體形狀。立體視覺增強了我們的空間感知能力，使我們能夠更好地理解和互動周圍世界。運動感知運動感知讓我們能夠感知物體的運動方向和速度，并預測其未來軌跡。運動感知對我們做出快速反應，避免危險，并協(xié)調(diào)身體運動至關(guān)重要。光學設備相機相機是光度立體學系統(tǒng)的重要組成部分。它們負責捕獲圖像，為三維重建提供原始數(shù)據(jù)。光源光源是光度立體學系統(tǒng)中用于照亮場景的關(guān)鍵設備。光源的類型、強度和方向都會影響三維重建的精度和質(zhì)量。投影儀投影儀用于將特定的光圖案投射到場景中，以獲取場景的三維信息。其他設備光度立體學系統(tǒng)中還會用到其他設備，例如掃描儀、傳感器、同步裝置等。成像原理1光學成像光度立體學利用光學原理獲取物體的三維信息。光線照射物體，反射的光線被光學系統(tǒng)采集，形成圖像。2透鏡成像透鏡會對光線產(chǎn)生折射，改變光線方向。通過透鏡組合，光線匯聚在成像平面，形成清晰的圖像。3傳感器采集圖像傳感器捕捉光線信息，將其轉(zhuǎn)換為電信號，并通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字圖像。光學系統(tǒng)構(gòu)建顯微鏡系統(tǒng)顯微鏡使用透鏡組合，放大微小物體的圖像，是研究微觀世界的重要工具。望遠鏡系統(tǒng)望遠鏡通過透鏡或反射鏡組合，收集來自遠處的光線，增強物體的視力，用于天文觀測。相機鏡頭系統(tǒng)相機鏡頭系統(tǒng)是光學系統(tǒng)構(gòu)建的重要應用，利用不同焦距的透鏡，實現(xiàn)對焦和改變視角。光學參數(shù)設計光學參數(shù)設計是光度立體學系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，影響著三維重建的精度和效率。根據(jù)應用場景和需求，合理選擇光學參數(shù)，例如焦距、光圈、傳感器尺寸等，對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。通過參數(shù)優(yōu)化，可以提高圖像質(zhì)量，降低噪聲水平，提升三維重建效果。光路仿真與分析1光線追蹤模擬光線在光學系統(tǒng)中的傳播路徑2幾何光學模型基于光線折射和反射定律3光學軟件提供仿真和分析功能4優(yōu)化設計調(diào)整光學參數(shù)以獲得最佳成像效果光路仿真可以幫助理解光學系統(tǒng)的功能和性能。通過模擬光線在系統(tǒng)中的傳播路徑，可以分析成像質(zhì)量、光學畸變等問題。光學軟件可以幫助進行光路仿真和分析，并進行光學參數(shù)優(yōu)化設計。圖像采集與處理圖像采集相機采集原始圖像，并進行初步處理，如曝光校正和白平衡。圖像處理對采集的圖像進行處理，包括噪聲去除、幾何校正和特征提取。數(shù)據(jù)分析對處理后的圖像數(shù)據(jù)進行分析，提取目標物體的三維信息，并進行空間重建?？臻g重建算法1三維模型點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化模型2點云配準對齊不同視角下的點云數(shù)據(jù)3特征提取從圖像中提取關(guān)鍵信息，如邊緣和角點4深度信息通過立體視覺或其他技術(shù)獲取5圖像采集從多個角度獲取圖像空間重建算法將二維圖像轉(zhuǎn)換為三維模型。首先，從多個角度獲取圖像，然后提取圖像特征，并使用深度信息計算每個像素點在三維空間中的坐標。接下來，對齊來自不同視角的點云數(shù)據(jù)，最后生成三維模型。三維點云數(shù)據(jù)三維點云數(shù)據(jù)是光度立體學中重要的中間產(chǎn)物，它記錄了物體表面每個點的空間坐標信息。點云數(shù)據(jù)可以通過各種傳感器獲取，例如深度相機、激光掃描儀等。點云數(shù)據(jù)包含了豐富的信息，可用于創(chuàng)建三維模型、進行物體識別和場景理解等。100M點1B點100TB數(shù)據(jù)30fps采集三維網(wǎng)格模型表面表示通過三角形、四邊形等幾何元素來描述物體的表面，提供精確的幾何信息，常用于虛擬現(xiàn)實、計算機圖形學領域。拓撲結(jié)構(gòu)定義網(wǎng)格模型中頂點、邊、面之間的連接關(guān)系，決定了模型的形狀和結(jié)構(gòu)，對模型的編輯和渲染至關(guān)重要。屬性信息可以存儲顏色、紋理、材質(zhì)等屬性信息，增強模型的真實感和視覺效果，用于創(chuàng)建復雜、逼真的物體模型。實時三維重建1數(shù)據(jù)采集使用傳感器獲取三維場景的圖像數(shù)據(jù)。2特征提取識別圖像中的關(guān)鍵特征，例如邊緣、紋理和形狀。3深度估計計算圖像中每個像素點的深度信息。4三維模型構(gòu)建將深度信息與圖像特征整合，生成三維模型。5渲染與顯示使用圖形引擎將三維模型渲染并顯示出來。實時三維重建技術(shù)利用傳感器和算法，從圖像或視頻流中實時生成三維模型。這項技術(shù)可以用于各種領域，例如虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、自動駕駛、機器人和醫(yī)學影像。顯示技術(shù)原理11.立體視覺通過模擬人眼觀看現(xiàn)實世界的過程，利用視差信息，實現(xiàn)3D圖像的呈現(xiàn)。22.光場渲染記錄并重現(xiàn)場景中每個點的光線信息，實現(xiàn)更加真實的3D效果。33.空間成像通過光學器件或其他技術(shù)手段，直接在空間中形成立體圖像。44.多視點顯示使用多個投影儀或顯示設備，從不同的視角呈現(xiàn)立體圖像。裸眼三維顯示裸眼三維顯示技術(shù)是指無需佩戴任何輔助設備，直接用肉眼觀看三維影像的技術(shù)。該技術(shù)利用人眼視覺系統(tǒng)對不同方向光線的感知差異，構(gòu)建立體圖像，使觀眾能夠感受到深度和層次感。立體顯示器立體顯示器利用光學技術(shù)，將圖像信息以立體效果呈現(xiàn)，為用戶提供逼真的三維觀感。常見的立體顯示器類型包括主動式和被動式，分別采用不同的技術(shù)原理實現(xiàn)立體效果。主動式立體顯示器使用快門眼鏡同步控制圖像的顯示，而被動式立體顯示器則采用偏振光技術(shù)分離左右眼圖像，兩者各有優(yōu)劣。頭戴式顯示器頭戴式顯示器，又稱虛擬現(xiàn)實頭盔，是光度立體學中重要的顯示技術(shù)。這類設備將虛擬現(xiàn)實場景投射到用戶眼前，營造沉浸式體驗。通過佩戴頭戴式顯示器，用戶可以進入虛擬世界，體驗與現(xiàn)實世界不同的感知，進行游戲、教育、醫(yī)療等多種應用。體積顯示技術(shù)原理體積顯示技術(shù)利用光學投影或掃描方法在三維空間中創(chuàng)建虛擬物體，并允許用戶從多個角度觀察和交互。通過光線的投射和控制，在空間中構(gòu)建出物體的輪廓和細節(jié)。特點體積顯示技術(shù)具有高度的真實感和沉浸感，能夠提供與真實物體相同的視覺體驗。它可以實現(xiàn)全方位觀察和交互，并提供多種交互方式，例如手勢操作和觸覺反饋。全息顯示技術(shù)1波前再現(xiàn)利用干涉和衍射原理，記錄并重現(xiàn)光波的振幅和相位信息。2三維圖像全息顯示技術(shù)可以生成逼真的三維圖像，具有深度感和立體感。3沉浸式體驗為用戶提供身臨其境的體驗，例如虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實應用。4應用前景廣闊在醫(yī)療、教育、娛樂等領域有著廣泛的應用潛力。應用場景分析醫(yī)療影像光度立體學在醫(yī)療影像領域應用廣泛，用于重建三維器官模型，幫助醫(yī)生進行診斷和手術(shù)規(guī)劃。工業(yè)檢測光度立體學可用于工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測，如零件缺陷識別、尺寸測量和表面紋理分析。虛擬現(xiàn)實光度立體學可以創(chuàng)建逼真的三維虛擬場景，為用戶提供沉浸式體驗，用于游戲、教育、培訓等領域。醫(yī)療影像診斷輔助光度立體學可以生成三維圖像，幫助醫(yī)生更直觀地理解人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。手術(shù)規(guī)劃利用三維影像數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以提前規(guī)劃手術(shù)方案，提高手術(shù)效率和安全性。疾病監(jiān)測通過對患者三維圖像的跟蹤，醫(yī)生可以監(jiān)測疾病發(fā)展情況，及時調(diào)整治療方案。虛擬現(xiàn)實訓練模擬真實手術(shù)場景，幫助醫(yī)學生進行虛擬手術(shù)訓練，提高臨床技能。工業(yè)檢測光度立體學技術(shù)可用于工業(yè)制造中的質(zhì)量控制和缺陷檢測。例如，可以識別零件表面裂紋、劃痕、凹陷等缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量。光度立體學技術(shù)還可以用于測量零件尺寸、形狀和位置，提高生產(chǎn)效率。例如，可以自動測量零件的尺寸和形狀，并進行質(zhì)量檢驗，提高生產(chǎn)線的效率。虛擬現(xiàn)實沉浸式體驗模擬現(xiàn)實世界場景，用戶可自由探索，進行互動。娛樂與游戲提供更逼真、更具互動性的游戲體驗，提升娛樂效果。培訓與教育模擬真實場景，進行安全高效的技能培訓，提升學習效率。設計與創(chuàng)作提供可視化設計工具，進行更直觀、更具創(chuàng)造力的設計創(chuàng)作。增強現(xiàn)實融合現(xiàn)實與虛擬增強現(xiàn)實技術(shù)將計算機生成的虛擬物體疊加到現(xiàn)實世界中，使人們能夠?qū)崟r地感知和交互虛擬信息。信息疊加顯示AR系統(tǒng)通過攝像頭捕捉現(xiàn)實場景，將虛擬物體疊加到圖像中，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬信息的融合。應用范圍廣泛增強現(xiàn)實技術(shù)在游戲、醫(yī)療、教育、工業(yè)、零售等多個領域都有著廣泛的應用。未來發(fā)展趨勢增強現(xiàn)實技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)更加逼真的交互體驗，為人們的生活帶來更多便利。未來發(fā)展趨勢融合技術(shù)光度立體學將與人工智能、大數(shù)據(jù)