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重磅 | 以水为媒的三维重建——中心科学家团队亮相SIGGRAPH



导语:在刚刚结束的SIGGRAPH大会上,组委会精选了6篇新发表文章面向大众进行科普宣传,未来影像高精尖创新中心科学家发表的论文《基于浸入变换的三维物体重建》被选为6篇之一,并得到了大量国际媒体的转载,本文编译自SIGGRAPH官方发布的文章。                                                                    


 


以排水量为形状传感器,实现复杂物体的三维重建                    



芝加哥,2017年7月21日——近日,一项能够更加完整地重建复杂三维物体的科技创新引起了人们关注,其研发团队由全球计算机科学家和计算机工程师组成。这一新颖的扫描方案有效地解决了目前三维形状重建的历史遗留问题,但其理论基石却是一个古老的科学方法,即众所周知的阿基米德定律。


科学家们利用物体排水体积等于物体体积这一简单观测巧妙的将表面重建问题转换为体积问题。最值得注意的是,该方法甚至能够准确重建物体的隐藏部位,这是普通的三维激光扫描仪无法捕捉到的信息。


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图注:基于浸入变换的三维物体重建。利用机械手臂将物体浸入到水中(左图),根据浸入变换关系实现物体表面重建(右图)。研究团队的这一方法完整地重建物体复杂的形状,包括其隐藏部位及内部形状的重建。

 

该研究课题名为《基于浸入变换的三维物体重建》,由北京电影学院、特拉维夫大学、山东大学、班古里昂大学以及英属哥伦比亚大学组成的研究团队联合发表。团队成员于7月30日至8月3日出席了洛杉矶的计算机图形学顶级国际会议SIGGRAPH

2017并进行了口头报告,展示研究成果。SIGGRAPH每年举行一次,突出报道全球计算机图形学研究与交互技术方面的最新进展。


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传统的三维形状获取和重建的方法一般都需要使用光学传感设备,如最常见的激光扫描仪和相机等,对可见表面进行扫描实现。这种方法最大的局限是采集数据噪音大,有严重缺失;且由于硬件设备本身局限,只能够扫描物体的可见表面,无法触及物体的隐藏部位。比如说,普通的扫描仪就无法准确捕捉到大象雕塑的肚子或底部的形状


为重建复杂三维形状,研究团队采用了浸入转换法,以液体作为媒介,通过对三维物体的体积进行计算间接恢复物体的表面形状。这种方法大大弥补了光学设备的采集限制,其利用液体可以穿透物体的空心部位和隐藏部位这一性质,可以更全面的获取物体形状,包括内部的隐藏细节。此外,该方法还可以对具有透明材质、高亮材质的物体进行精确的扫描与重建。


在此项研究中,团队仅仅使用了一套低成本的浸入装置,使用机械手臂将物体缓慢浸到水槽里,并记录浸入过程中水面的变化量,并生成一系列的形状体积切片。通过将物体以不同角度反复浸入到水中,获得不同方向的体积切片信息,并通过算法恢复特定物体的几何形状,包括激光扫描仪和光学三维扫描仪通常捕捉不到的一些部位的信息。



以水为媒的三维重建


团队的这一液体转换技巧与计算机断层扫描相关。计算机断层扫描利用光学系统用于准确扫描或生成精细图像。但是,这一传统方式也有其缺陷。断层扫描仪器体积大,价格昂贵,只能在一个特定的安全环境里使用。而团队的这个方法安全、经济,用全新的数据搜集方式,以低廉的计算成本实现物体形状的完整再现,是一个更有吸引力的选择。


研究中,团队成员通过一系列复杂的三维形状对这项新技术进行了演示,包括握拳的手、母亲与孩子的拥抱,以及DNA双螺旋。演示结果表明,通过液体技术重建出来的模型与原始的三维模型几乎一模一样,由此开启了非光学三维形状获取技术的新世界的大门。


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Kfir Aberman(图一左一)、Oren Katzir(图一左二)在SIGGRAPH现场


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该研究得到了北京市政府(通过北京电影学院的协助)、以色列科学基金会以及中国自然科学基金会(山东大学)的支持。研究团队成员有:未来影像高精尖创新中心、特拉维夫大学研究员、Kfir Aberman、Oren Katzir,山东大学研周强、罗泽刚,班古里昂大学教授Andrei Sharf,英属哥伦比亚大学Chen Greif,未来影像高精尖创新中心首席科学家、山东大学计算机学院院长陈宝权,未来影像高精尖创新中心国际顾问、特拉维夫大学教授Daniel Cohen-Or。

 

完整论文和视频请访问 http://irc.cs.sdu.edu.cn/3dshape/






关于ACM, ACMSIGGRAPH和SIGGRAPH 2017 国际计算机协会(简称ACM)是世界上最大的教育性、科研性计算机协会,汇集教育家、研究学者和专业人士,促进跨行业对话,共享资源,共同解决计算机领域的难题。ACM SIGGRAPH是ACM的一个特别利益团体,是由在计算机图形学和交互技术方面做研究、技术开发与应用的人员组成的一个跨学科团队。SIGGRAPH是世界领先的一年一度的跨学科教育性会议,展示计算机图形学和交互技术的最新研究成果。SIGGRAPH 2017是ACM SIGGRAPH主持的第44届年度会议,将于7月30日至8月3日在洛杉矶的洛杉矶会议中心举行。