基于非刚性变换的激光扫描模型高质量纹理重建研究

激光扫描技术是精确三维重建的重要数据获取手段，在精密测量、虚拟地理环境、文物保护、虚拟现实等方面应用日益广泛。但是，对象表面高质量的纹理信息无法由激光扫描技术获得，需要用纹理重建的方式表现，而纹理重建涉及到的三维模型与二维影像的配准、纹理分块无缝拼接等问题均未得到很好的解决。本项目结合激光扫描模型的特点，以非刚性变换为基础，针对高质量纹理重建中存在的问题，以提出具有可操作性的激光扫描模型高质量纹理重建的解决方案为研究目标，并以文物三维数字化为例，进行方法验证与示范应用研究。研究内容包括非刚性变换模型的相关理论；融合强度和几何信息的模型与影像非刚性配准理论与方法；纹理映射局部非刚性调整技术等。本项目的创新之处表现在：将非刚性变换模型引入纹理重建技术，以纠正模型误差和影像畸变的影响；利用激光扫描强度信息为中介，配准几何模型与纹理影像，以获得更稳定和精确的纹理重建结果。

高质量纹理重建是文化遗产三维数字化保护中的重要步骤，而由于几何模型形体复杂、遮挡严重、数据量大，且几何模型和纹理影像在获取和处理中不可避免存在一定的误差，使得高保真度纹理重建非常困难。本项目即围绕着高保真度纹理重建中的这些难题展开研究，内容包括：激光回波信号强度检校，研究了激光回波信号强度与距离、入射角之间的关系，并对其进行纠正；激光扫描点云直线特征提取，研究了通过球面投影的方式，将单站激光扫描数据投影到球面上，并在球面上进行特征提取和分析，并改进了霍夫变换，能使其检测到投影到球面后的直线特征；激光扫描数据与影像的非刚性配准，研究了以兴趣边缘与梯度场为配准基元，薄板样条为配准函数的激光扫描数据与影像的配准方法；三维雕塑模型的纹理映射，改进了薄板样条模型，并将其应用到三维雕塑的纹理映射中，使得纹理在整体和局部都能很好的映射到三维模型上等。此外，本项目还整个这些研究成果，完善了纹理重建实验平台，该平台在敦煌莫高窟、桂林靖江王陵等文化遗产数字化保护工程项目中得到了重大应用。