基于二维照片的三维重建的研究设计开题报告
2021-03-23 11:03
1. 研究目的与意义（文献综述）
计算机视觉技术的蓬勃发展，凭借多核心的高速中央处理器（CPU）和具有超强并行计算机能力的图形处理器（GPU），以及功能越来越强大的三维特效制作软件和三维游戏引擎，电影和游戏的逼真度已经达到和接近照片级。同时，众多领域如生物，医学，建筑，以及教育也同时对三维的重建在该领域的应用有了更迫切的需求。
三维技术在电影、游戏、人机交互、视频行为监控、体育运动分析、视频压缩编码、医疗诊断、和目前很火的虚拟现实（VR）等领域均有着广阔的应用前景。
基于二维照片的三维重建发展最大的意义我认为将是彻底地改变人类的生活方式。近年来，人们对虚拟空间的想象在电影和文学创作中表达的淋漓尽致。如果能够有效的将我们现在所生活的世界在计算机的空间中重建出来，这个意义将不亚于哥伦布发现美洲新大陆和人类登月。我们不但在寻找着新的空间的同时，也在创造着新的生活空间。
另外就是具有专业领域特性的虚拟仿真、分析软件。这方面国内基本处于空白状态。如医疗手术辅助(模拟手术、手术导航)软件、铸造分析仿真软件、军事领域仿真与战场推演分析、飞行模拟分析与培训、计算机辅助设计与仿真分析、特殊工种(如煤矿、焊接、消防)仿真模拟等。国内虽然有部分公司涉及以上领域，但是其深入程度往往只停留在肤浅表面，而没有完善的行业理论和实践数据作为支撑，这样弄出来的产品只能说是简单的游戏，而不能作为专业的应用软件，导致其市场、服务价值也大大降低。
硬件方面：国内公司硬件方面的研发继承了中国其他行业的市场经验—山寨！从立体投影到裸眼立体显示器，从数据手套到三维扫描等。但是这种仿制还只停留在简单产品层面，做工和集成紧凑性也有所差距。复杂或者专业性较强的产品还无法山寨，如果触觉力反馈设备、眼动分析系统、动作捕捉及分析、三维打印快速成型机等。
与国内其他制造业类似，国内并没有专业从事三维重建硬件产品设计与生产的企业，而三维重建的相关硬件产品本身市场需求与汽车、数码等民用产品无法相比，属于比较专业的产品。具有一定客户需求的产品，国内都是代理销售。市场需求不多的产品国内一般也没有正规的代理商，大部分产品通过国外的网络直销订购，然后通过香港、台湾等免税渠道进入国内。
国内的硬件研发水平，属于手工作坊，但是却达不到手工作坊的精细度。这一点主要是我们没有产品设计和生产制造的完善流程和体系。完全是靠个人观察、分析类似产品，然后付诸实施（很多人说中国人有才）。甚至有的欧洲公司产品不销售给中国客户，就是担心到了中国人手里大卸八块，然后仿制。
1.2国外发展现状
这里之所以重点提及Unity，是因为正好Unity是在2008年推出windows版本的，与本人接触三维重建时间基本同步。这期间，与其他的Unity爱好者共同关注其发展、讨论技术实现和应用，我们发现，Unity的发展确实跨越性的，2008推出windows版本,2009年注册用户已达3.5万，并荣登2009年游戏引擎前五名，同时针对视景仿真方面，unity公司于2011年2月份推出了多通道立体开发插件。Unity技术首席创意官尼古拉斯·弗朗西斯（Nicholas Francis） 说：“把这种可视化、身临其境的新技术扩展到Unity平台是非常令人兴奋的，因为Unity系统在就已经在建筑师、医疗成像和其他领域使用。我们期待着开发人员在我们传统基础以外的更多行业应用Unity平台，把Unity拓展到新的领域。” 。与此形成鲜明相比的是国内的类似公司的发展始终停滞不前，如蜗牛上树。尽管某些软件推出10.0甚至11.0版本，但是却不见实质性内容的提升。
2. 研究的基本内容与方案
三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机环境下对其进行处理、操作和分析其性质的基础,也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。但是专业的3d摄像机的价格不菲，不能使广大的普通民众受益。三维重建也是下一代科技vr（虚拟现实）的基础。如果能通过一定角度的二维照片，通过一定的算法进行简单的三维重建，那么将大大降低三维重建的各项成本。本论文将进行基于二维照片的三维重建的研究设计。
目标：
1 编写，设计一种算法或软件，通过采集前，后，左，右（条件允许下也可由上，下方位）四个方位的二维照片，进行简单的目标实物的三维重建。
2 三维重建后的文件可以转化为stl或其他的三维文件格式，并且实现目标实物的各项参数可调整。
2.1拟采用的技术方案及措施
本设计拟通过采集一个物体前后左右四个方向的照片，通过提取边界的方法获取每一张照片实物尺寸的信息，计算边界线具体的像素大小，从而得到物体长宽高（即xyz轴）的尺寸信息，再通过autodesk 123d catch软件进行三维重建。流程图如下图1所示。
3. 研究计划与安排
3、进度安排
第 1~4 周：查阅相关文献资料；在明确设计内容的基础上撰写并提交开题报告；
第 5~6 周：学习并掌握相关理论知识，论文开题；
第 7~12 周：进入毕业论文环节，撰写论文初稿；
第 13~16 周：修改并提交毕业论文；
第 17 周：毕业答辩。
4. 参考文献（12篇以上）
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[2] d. yuan，m. liu，j. yin，j. hu, camera motion estimation through monocular normal flow vectors [j]， pattern recognition letters，2015(52):59-64
[3] f. raudies, and h. neumann, an efficient linear method for the estimation of ego-motion from optical flow [c]，pattern recognition-31st dagm symposium jena, germany, september 9-11, 2009 proceedings，2009(50):21-28
