[发明专利]一种基于曲率滤波的表面重构方法

说明书

本发明公开了一种基于曲率滤波的表面重构方法，属于表面重构技术领域，特别涉及一种通过单张数字影像的表面重构方法。该方法首先固定合适的光源方向，通过数字图像采集设备拍摄被测表面；随后将二维数字影像通过Monge patch方法嵌入到三维空间；定义了8个方向上的方向曲率，从而提出了一种线性近似的方向曲率计算方法；通过灰度信息的变化隐性的进行曲率的滤波；随后通过这种曲率的滤波对影致留形方法中的光滑约束项进行替代，从而提出了一种曲率滤波影致留形方法；在迭代终止条件的约束上采用全平均曲率进行限定，保留原始曲面信息。该重构方法硬件成本较低，即可完成表面的重构，适合进行微观表面的重构和测量。

技术领域

本发明属于表面重构技术领域，具体是指一种基于曲率滤波的表面重构方 法。

背景技术

针对单张图像进行三维重构对工程应用有着重要的现实意义，其中影致留 形(shape from shading,SFS)是一种常用的由物体表面在光源作用所产生的亮度 信息恢复其三维空间位置的方法，参见Sun W,Chen B,Yao B,et al.Complex wavelet enhancedshape from shading transform for estimating surface roughness of milledmechanical components[J].Journal of Mechanical Science Technology, 2017,31(2):823-833。

影致留形(SFS)方法是物体成像机理在数学上的反演。一般情况下物体表 面灰度分布主要与物体表面几何形状、光源方向和强度、观察位置、被测物体 表面反射特性等因素有关。与传统的非接触方法不同，该方法利用光照模型对 数字影像辐照度方程进行反向求解。然而由于成像噪声等不可控因素，该方法 难以进行前期校正，另外，同时传统方法在进行影致留形计算时，并无终止项 条件，只能依靠迭代次数来进行限制。

曲率滤波是一种新型的图像滤波方法，得到了越来越多的关注，该方法基 于数字影像的离散特性隐式的进行数字影像曲率的优化，即减小曲率而不需要 计算曲率，这样就可以避免传统曲率流滤波需要计算离散数字影像曲率的问题。 由于不需要计算曲率避免了计算曲率和几何流数值稳定性、步长、时间离散化 等问题，其计算速度非常快，比传统几何流计算效率得到了极大的提升。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于曲 率滤波的表面重构方法，该方法采用曲率滤波进行影致留形方法的光滑项控制， 通过全平均曲率对影致留形计算进行约束，以避免对被测物体固有原始形状进 行破坏，保留原始曲面信息。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括：

S1:以固定的光源方向，采集重构对象的二维数字影像；

S2:通过Monge patch方法(数字影像像素点位置作为x、y轴，灰度信 息作为z轴信息)将二维数字影像嵌入到三维空间；

S3:定义并计算三维空间中8个方向(分别为：水平方向、垂直方向、45° 方向、135°方向和四个通过混合邻域上的切平面)上的方向曲率，并通 过灰度信息变化找到了方向曲率与灰度差之间的关系，并基于该关系提 出线性近似的方向曲率计算模型，通过灰度信息的变化隐性的进行曲率 的滤波；

S4:随后通过曲率的滤波对影致留形方法中的光滑约束项进行替代，从 而提出了一种曲率滤波影致留形计算模型；

S5:在迭代终止条件的约束上采用全平均曲率进行限定，以避免对被测重 构对象固有原始形状进行破坏，保留其原始曲面信息。

进一步设置是所述的步骤S3包括：

S31:定义并计算三维空间中8个方向上的方向曲率的具体算法为：