镜面的准确和快速三维成像
（中国AI网 2024年12月17日）镜面的准确和快速三维成像依然是一个挑战。常用的方法依赖于对被测量对象的强假设，限制了它们在更广泛的应用领域的通用性，如虚拟现实。在一项研究中，美国亚利桑那大学团队介绍了一种利用新技术来有效地编码和解码从镜面反射光场中包含的信息的测量原理。
他们将SfP的偏振线索与PMD获得的几何信息结合起来，以解决三维测量中出现的所有歧义。另外，所述方法消除了SfP不切实际的正射影成像假设，从而显著改善了各自的结果。
高光表面的精确、鲁棒和快速3D重建在虚拟现实等领域起着至关重要的作用。然而，最先进的3D成像方法在测量镜面，特别是复杂形状对象时依然面临重大挑战。相位测量偏转仪（PMD）经常用于光学计量界，并因其使用相对便宜的现成组件来实现高达亚微米深度分辨率的能力而脱颖而出。
标准PMD在使用单个摄像头和显示器估计表面法线时存在高度法向模糊性，因为来自显示器的入射光线不能仅根据其相应的发射像素来确定。由于这个原因，大多数PMD方法依赖于对物体表面的强先验假设来获得法向场。
其他常见的方法通过使用第二个摄像头或第二个显示器来提供缺失的额外信息以缓解这个问题。然而，这种解决方案增加了设置的复杂性，并引入了额外的校准挑战。
偏振形状（SfP）这种三维测量原理在计算机视觉界非常受欢迎，并已发展成为一种完善的定性3D成像方法。在研究中，美国亚利桑那大学团队关注了SfP测量镜面的能力。典型的SfP装置用非偏振光源照亮物体表面，如热灯泡或太阳。正如菲涅耳方程和斯涅耳定律所描述的一样，未偏振的入射光在反射或散射到物体表面时变成部分偏振。
最终，反射光或散射光被偏振敏感成像仪捕获。由于偏振的变化取决于被测表面的斜率和摄像头位置，因此可以提取表面的法线图。然而，这一过程并非没有严重的局限性：它假设了一个正交射线模型，这意味着所有摄像头光线都假设平行。由于这种情况通常不能满足没有复杂的光学设置，正射影假设通常产生严重的法向量误差在偏离中心的图像区域（~ 5◦甚至25◦）。
SfP的另一个问题是在评估的表面法向量场中存在额外的模糊性，而这需要关于被测量表面的先验信息或来自第二个传感器的附加信息才能解决。在这方面，用SfP测量镜面尤其具有挑战性，因为与漫射表面（只有方位角）相比，表面会导致更多的模糊性。
为了解决正常的模糊性，之前的研究将SfP与其他成像原理相结合。然而，所述方法主要局限于漫射曲面，并依然依赖于正交假设。
针对所述问题，团队介绍了一种用于镜面绝对形状和法向测量的新方法。研究人员将偏转测量的几何信息与偏振线索融合在一起，以恢复被测表面的法线图和形状的精确重建。
由于不同信息源的独特组合，所述方法能够解析解决系统中所有的正常和深度歧义。另外，这一解决方案不依赖于不切实际的正交假设，而与传统的SfP相比，这显着提高了捕获法向场的准确性。
总的来说，团队引入了一种全新的3D成像概念以用于精确和快速测量复杂形状的镜面。所述方法使用来自SfP的偏振信息，并以以前研究从未完全实现的方式将其与来自PMD的几何信息相补充。
新方法改进了最先进的PMD，解决了高度法向模糊问题，不需要第二个显示器或摄像头。他们维持了单摄像头PMD设置，而不依赖于关于对象的先验知识。同时，所述方法通过计算表面法线和深度，而不依赖于正交投影模型假设，从而显着改进了最先进的SfP。
这提高了所示测量中估计法线的误差，从高达25◦到低于0.6◦。
相关论文：3D Imaging of Complex Specular Surfaces by Fusing Polarimetric and Deflectometric Information
然而，这个新方法并非没有缺点。与标准PMD相比，由于偏振片网格，信噪比（SNR）有所降低，这会导致曝光时间变长，或者需要更亮的光源。与标准SfP相比，所述方法需要一个校准的显示器，并且不能与任意的非偏振光源（如太阳）一起工作。
在实践中，需要为每个应用程序找到速度、准确性和健壮性之间的权衡。在未来，团队希望这一新方法将有助于进一步加强计算机视觉和光学计量表面测试之间的多学科联系，并在AR/VR等领域带来更多令人兴奋的成像解决方案。
