[发明专利]基于GPU构架的点线光流场三维重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种点线光流场三维重建方法，尤其涉及一种基于GPU构架的点线光流场三维重建方法。

背景技术

现实世界是三维的，长久以来由于受到科学技术发展水平的限制，我们所能够得到并能对之进行有效处理及分析的绝大多数是二维数据，使得大量的物体的三维信息丢失。随着计算机技术的发展，人们对信息的获取已经从传统的二维平面图像，转向了三维立体图像。三维重建能快速获取物体的外形、颜色信息以及纹理信息，是人们了解外界环境的有效途径。近年来，GPU技术快速发展，OpenGL显示技术日益成熟，快速处理图像，精确获得3D物体的运动和结构以及真实实感3D场景成为可能。

从二维图像光流场重建3D运动和结构是一个具有挑战性的研究。基于像素点光流场的3D重建能得到物体的细节，计算量很大，几乎不能实时处理。基于直线光流场重建3D运动和结构可以获得物体的轮廓信息。由于像素点和图像直线表达的参数维数不一样，因此能同时重建物体点信息和轮廓信息的统一模型尚未建立。另外，以前的三维重建计算均是使用CPU的，随着GPU技术的日益成熟，基于GPU架构技术的三维重建能克服重建计算量大的困难，实现实时三维重建。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于GPU构架的点线光流场三维重建方法，能快速完成三维重建；能精确处理物体的细节；能完整实现物体三维重建。

本发明是这样来实现的，方法为：首先建立基于像素点和轮廓直线光流场重建三维运动和结构的统一模型，将图像直线表达维数设置成和像素点维数一致，因此能够将像素点和图像直线光流场重建统一到一个三维重建计算模型下，对于直线轮廓，使用上述模型重建，曲率较大的曲线可以用分段直线近似拟合。然后设计求解算法，将待求的旋转矩阵                                                和平移向量设置成未知量，像素点和图像直线光流场为已知量，由于光流场的数量超过了待求的未知量数目，因此该模型是一个超定方程组，可以用最小二乘法求解。其次设定三维重建策略，在最初尺度的低分辨率（例如5*5像素）下计算点光流，随着层数的增加，分辨率越来越高，将得到的计算结果加上初值当做下一层计算的初值，代入下一个更高分辨率图层上进行点和直线光流三维重建计算，如此反复，直到达到满分辨率图像层数上的三维重建为止。最后，由于图像运算量大，采用GPU构架技术的图像运算加速三维重建的计算速度，使用OpenGL显示重建结果。本发明采用VC++语言编程实现算法。

本发明的技术效果是：能快速完成三维重建；能精确处理物体的细节；能完整实现物体三维重建。

具体实施方式

本发明是这样实现的：首先建立基于像素点和轮廓直线光流场重建三维运动和结构的统一模型。在低分辨率下计算点光流，在高分辨率下计算直线光流。将图像直线表达维数设置成和像素点维数一致，因此能够将像素点和图像直线光流场重建统一到一个三维重建计算模型下。同时考虑像素点和图像直线光流场的三维重建，能重建物体的局部点信息，如拐点、角点以及凸起等细节。对于直线轮廓，使用上述模型重建，曲率较大的曲线可以用分段直线近似拟合，因此本方法还能重建三维物体的轮廓信息。然后设计求解算法。将待求的旋转矩阵和平移向量设置成未知量，像素点和图像直线光流场为已知量。由于光流场的数量超过了待求的未知量数目，因此该模型是一个超定方程组，可以用最小二乘法求解。最后采用VC++语言编程实现算法。本发明重要的环节是图像数据运算，这部分耗时较多。本方法的策略是直接将图像数据载入至GPU运算单元。由于基于GPU构架技术的图像运算能加速三维重建的计算速度，而使用OpenGL显示技术能实时快速地显示重建结果，并可提供三维物体的纹理和光照，因此本方法使上述两者共同搭建三维重建平台，大量提高了三维重建速度。