三維重建技術
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-23
三維重建技術的實例教程
基于視覺的三維重建關鍵技術研究綜述. 自動化學報, 2020, 46(4): 631-652. doi: 10.16383/j.aas.2017.c170502
三維重建經過數十年的發展, 已經取得巨大的成功。基于視覺的三維重建在計算機領域是一個重要的研究內容, 主要通過使用相關儀器來獲取物體的二維圖像數據信息, 然后, 再對獲取的數據信息進行分析處理, 最后, 利用三維重建的相關理論重建出真實環境中物體表面的輪廓信息。基于視覺的三維重建具有速度快、實時性好等優點, 能夠廣泛應用于人工智能、機器人、無人駕駛、SLAM (Simultaneous localization and mapping)、虛擬現實和3D打印等領域。三維重建技術的分類方法如下圖所示：
三維重建技術的分類
三維重建技術優缺點對比一覽
基于主動視覺的三維重建技術
基于主動視覺的三維重建技術主要包括激光掃描法、結構光法、陰影法和TOF技術、雷達技術、Kinect技術等。
1、激光掃描法
激光掃描法其實就是利用激光測距儀來進行真實場景的測量。首先, 激光測距儀發射光束到物體的表面, 然后, 根據接收信號和發送信號的時間差確定物體離激光測距儀的距離, 從而獲得測量物體的大小和形狀。
展開 三維重建主要通過使用相關儀器來獲取物體的二維圖像或三維點云等數據信息, 然后, 再對獲取的數據信息進行分析處理, 最后, 利用三維重建的相關理論重建出真實環境中物體表面的輪廓信息，廣泛應用于人工智能、機器人、無人駕駛、SLAM (Simultaneous localization and mapping)、虛擬現實和 3D 打印等領域, 具有重要的研究價值也是未來發展的重要研究方向。
三維重建技術分類如下圖所示
三維重建技術分類
目前三維重建方法較多，但主要聚焦在激光和視覺，因為二者能輸出較出色的重建效果，激光和視覺重建的效果又有一些差異：
激光重建精度較高，不受光線影響，但是不具有顏色屬性。
視覺重建精度一般，具有顏色屬性，但效果易受光線影響。
無論是激光和是視覺做三維重建都需要做特征匹配，但是匹配都不能保證精度足夠，在一些特征不好的時候，建圖的效果較差，所以一般會加入IMU做匹配約
束，IMU傳感器能智能地融合多軸陀螺儀和加速度計，即只用內部傳感器就可以得到測量數據，而不需要任何外界幫助，提供可靠的位置和運動識別。
IMU在三維重建中采用的方法一般是通過卡爾曼濾波器或者優化的預積分模型進行對匹配進行相對約束，能大大提升匹配的精度和魯棒性。
基于濾波的IMU融合框架如下圖所示
基于濾波的IMU融合
基于優化的IMU融合如下圖所示
基于優化的IMU融合
兩種融合方式都有其應用的優點，基于濾波的計算量小，基于優化的計算兩較大，精度一般高于濾波方法。
激光三維重建的匹配原理如下圖所示
激光三維重建過程
激光匹配的本質就是對應點關聯，做剛體變換完成，典型算法是ICP,NDT。
展開 </p><p><br></p><p>衍射圖案與相位算法</p><p>目標衍射圖案的設計直接影響重建效果：若重建場景中存在規則形狀物體，均勻光點陣列可能避開物體邊緣導致輪廓信息丟失，而隨機點陣列可在保證點數充足的前提下，使部分光點覆蓋物體邊緣，保留邊緣細節。該隨機點陣列對應的相位分布通過 Gerchberg-Saxton（GS）算法求解獲得。</p><p><br></p><p>技術優勢與前沿應用展望</p><p>與傳統激光點云三維重建技術相比，基于超表面的結構光技術具有兩大核心優勢：一是顯著提升視場角覆蓋范圍，二是在系統集成性上表現出突出優勢。該技術為實時虛擬現實（VR）、全息通信、數字城市建設等前沿領域的發展奠定基礎，未來有望在上述領域拓展更廣泛的應用場景，具備廣闊的技術應用潛力。</p><p><br></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong style="color: rgb(13, 80, 201);">OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷</strong>，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。</p>
展開 在本論文中通過對三維數據可視化理論、醫學圖像三維重建技術及實現方法的分析和研究，設計了一褰實用魄蒸于腹部CT平片的器臟三維重建軟件。實驗結果表明，該軟件較憲整地實現了基于斷層圖像序列的三維重建，重建結果的三維效果較明顯，交互性操作性強。達到了剝用腹部CT平片實現野臟三終重建,從而輔助醫生對肝臟腫瘤進行診斷的目的
基于腹部CT平片的肝臟三維重建研究.pdf
在混凝土細觀研究中，基于掃描數據的三維重建技術可精準還原混凝土中骨料、砂漿的分布及微觀結構特征，結合數字圖像處理與數值模擬方法，能夠量化分析材料非均質性對力學性能、裂縫擴展路徑及破壞模式的影響機制。
混凝土細觀模型三維重建的有限元模擬為優化混凝土配比設計、評估耐久性劣化行為及預測結構服役壽命提供關鍵數據支撐，同時推動細觀力學理論與先進成像技術的深度融合，具有重要的學術價值與工程應用前景。
本案例介紹通過CAD斷層掃描三維重建插件將混凝土切片掃描圖像在AutoCAD內進行骨料及水泥砂漿基體的三維實體模型重建，并導入Abaqus CAE軟件內分別建立Part部件，實現模型的裝配及網格劃分，后續可完成不同工況的混凝土細觀有限元模擬分析。
首先需要獲取混凝土的切片掃描圖像文件，并通過CAD斷層掃描三維重建插件建立AutoCAD實體模型。
在AutoCAD內將粗骨料及砂漿基體部件分別導出為iges格式文件后，以部件的形式導入到Abaqus軟件內。
對骨料及砂漿部件分別指派材料屬性，水泥砂漿部分采用混凝土損傷塑性模型（CDP），可采用EasyCDP插件快速生成不同強度的材料參數。
將骨料及砂漿部件進行裝配。
可對模型進行網格劃分，及完成后續的有限元仿真模擬。
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軟件介紹
VolViz CT三維可視化軟件可將CT掃描獲取的薄層文件進行三維重建并渲染出圖。
在使用軟件的可視化功能前，需采用文件菜單下的“構建3D模型”功能對斷層掃描文件進行三維重建，軟件支持png、jpg、bmp、tif、tiff等格式的CT斷層掃描文件。構建完成后點擊“加載3D模型”，并設置模型的尺寸信息，即可進行模型的可視化查看。可視化調整完成后
上期我們深入講解了波場合成技術 (WFS) 及其在電影院、歌劇院、體育場館等娛樂場所的空間聲重放應用。相信大家還記得，WFS 雖然能實現高質量聲場重構，但需要幾百通道的揚聲器陣列，堪稱聲學領域的 "土豪級" 系統。
那么，有沒有更加經濟實用、部署更靈活的三維聲場重構方案呢？
今天，我們就來系統介紹另一種主流的聲場重構技術 ——高階 Ambisonics (HOA)。從基本原理
上篇文章介紹了基于圖像進行混凝土細觀模型的幾何重構法，詳細步驟可查看下面的連接。
ABAQUS二維混凝土細觀模型的數字化重建技術(一)幾何重構
https://www.yqgqt.org.cn/post/1990726
本篇介紹二維混凝土細觀模型在ABAQUS
在基于ABAQUS開展混凝土細觀力學模擬時，數字化重建技術是構建能夠真實反映混凝土內部多相結構（如骨料、砂漿、界面過渡區ITZ及孔隙等）的關鍵前置步驟。混凝土細觀模型研究中主流的數字化重建方法主要分為以下兩類：一是幾何重構法，從CT或照片圖像中提取真實骨料輪廓，通過AutoCAD等軟件重建混凝土骨料、ITZ幾何模型，再導入ABAQUS進行網格劃分；二是圖像映射法，將混凝土高分辨率掃描圖像通過預處理將不同材料進行顏色區分后
01/簡介
零波像差雙遠心物鏡以“視場全域波前畸變趨近于零、物像比例恒定”的特性，成為3D NAND、精密微納制造等場景的核心光學器件，但其對成像模型的維度適配性提出嚴苛要求。
二維矢量成像模型雖能滿足平面圖形的偏振態表征需求，卻因忽略深度方向光場耦合與厚掩模衍射效應，無法適配三維堆疊圖形的成像預測。三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律
<p class="ql-align-center"><strong>織物結構化網格生成的兩種思路</strong></p><p>首先介紹一下什么是結構化網格。這個結構不是力學里面結構的概念，在流體網格講的比較多。所謂結構化，指的是生成網格的基本型面和節點布置，由明確的映射關系，可以得到符合規律的網格（一般指的四邊形、六面體）。</p><p>我們在前面文章介紹了三維機織（2.5D）復合材料的基本概念
01/簡介
零波像差非雙遠心物鏡憑借“波前畸變趨近于零、適配大視場與復雜物距場景”的優勢，在精密光刻、微納檢測等領域廣泛應用，但其視場邊緣物像比例變化特性，對成像模型的維度適配性提出更高要求。
二維矢量成像模型雖能表征平面圖形偏振態，卻因忽略深度光場耦合、厚掩模衍射及視場-深度耦合效應，無法精準預測三維圖形成像質量。三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉非雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律
三維機織復合材料簡介
三維機織又稱2.5D，和平面機織材料相比，它的經紗可以穿越厚度方向的其他層，上下交織，經緯互鎖。
這種結構本質上還是由經緯兩組紗構成，但是又具有了厚度方向紗線，因此稱2.5D。
這種結構的好處就是經緯互鎖，層層交聯，抗分層特性好。
層合板確實容易分層，但是成型前層層不相干，實際制造中逐層鋪貼過程可以讓樹脂和纖維充分浸潤。或者直接每層制成預浸料
01/簡介
零波像差雙遠心物鏡以“視場全域波前畸變趨近于零、物像比例恒定”的特性，成為3D NAND、精密微納制造等場景的核心光學器件，但其對成像模型的維度適配性提出嚴苛要求。二維矢量成像模型雖能滿足平面圖形的偏振態表征需求，卻因忽略深度方向光場耦合與厚掩模衍射效應，無法適配三維堆疊圖形的成像預測。
三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律
01/簡介
3D NAND、3D IC等立體集成電路的高密度堆疊需求，推動光刻圖形向三維立體化深度演進，傳統二維模型已難以適配厚掩模深度衍射及偏振態三維演化的復雜物理過程。高數值孔徑（NA>1）光刻系統下，厚掩模的多層結構引發光場多次反射與耦合衍射，疊加三維偏振像差的視場-深度耦合效應，導致關鍵尺寸均勻性（CDU）與側壁傾斜度控制精度驟降。
