作者:宋琪 沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2014/11/3 10:12:38
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科学家对中国古建筑进行三维重建

 

■通讯员 宋琪 本报记者 沈春蕾

颐和园石舫重建效果图

从五台山龙泉寺,到峨眉山金顶,再到颐和园石舫,中国科学院自动化研究所机器人视觉课题组对这些中国古建筑进行了三维重建。

你也许不了解,看起来很清晰的照片在拍照时照片中物体的深度信息也会丢失。三维重建是利用多幅数码图像来恢复物体深度的过程,机器人视觉课题组长期以来从事的工作就是如何给图像的每个像素赋予可靠的深度信息。此外,将三维计算机视觉推向应用,也是机器人视觉课题组的研究目标之一。

给计算机一双慧眼

人人都有两只眼睛,我们无时无刻不在用眼看东西,但看的目的是什么?或者说为什么要看?这些问题简单到很少有人去思考,但事实上又很少有人能说清楚。机器人视觉课题组用他们的工作回答了这些问题。

课题组成员、副研究员高伟向记者介绍说:“机器视觉也称计算机视觉,通俗地讲,就是使计算机具有‘看’的功能,用计算机来模拟人的视觉系统,实现人的视觉功能。”计算机视觉是以图像为输入,以模式识别技术为手段,对图像进行分析和理解的学科。

美国心理学家Gibson的理论认为,人的视觉不管有多少用处,但主要功能可概括为适应外界环境和控制自身的运动——看到汽车冲过来,你会赶快回避;看到前面有激流,你不会冒然蹚过去。

高伟介绍,为了适应外界环境和控制自身的运动,我们的视觉系统需要做到:能识别物体(可想而知,一个人连亲戚、同事、朋友都不认识,能怎样生活),能判断物体的运动以及确定物体的形状和方位(否则,无法抓取物体)。

因此,物体识别、物体定位、物体三维形状恢复和运动分析,就构成了计算机视觉的主要研究内容。

机器人视觉课题组隶属于自动化所模式识别国家重点实验室,课题组主要研究方向包括从图像重建三维场景、运动物体跟踪和机器人视觉导航等。

“合格砖”的生产者

在被问及课题组的研究目标时,机器人视觉课题组组长胡占义说:“我们的研究目标主要分为两个方面:一方面在计算机视觉理论方法上进行系统深入的研究,力争作出创新性和系统性成果;另一方面致力于研发一套基于图像的快速高精度三维自动重建系统,将三维计算机视觉推向应用。”

从二维图像到含深度的三维图像,是质的飞跃。这种具有深度信息的图像,是众多应用的共性基础技术,可以直接用来确定物体的位置、姿态,计算物体的体积和物体之间的距离等。

胡占义指出,我们给图像赋予可靠深度信息的过程,就像是建筑行业生产高质量砖的过程。高质量的砖可以用在不同的建筑,构建成“姿态各异”的优美形状。但砖绝不等于建筑,绝不能无限夸大。含深度信息的图像可以大大扩充视觉应用范围,但任何成功的应用,绝不仅仅是由于图像具有了深度信息。

“我们主体上是生产‘合格砖’的人,我们致力于把‘砖’做精做好。”他说。

胡占义曾写过一篇题为《画虎成猫》的文章,里面有这样的文字记录:画虎成猫,缺功夫也。研究不到位,缺功夫也。猫到虎,质之差别也。没有好啃的硬骨头,但只有啃下了硬骨头才叫真正啃下了骨头。聪明不足畏,贵在坚持,“几何之内无王道”。

“胡老师每天早晨6点半到办公室,一年四季基本上没有节假日,很多个周末都是在办公室里。”在机器人视觉课题组成员们的眼中,导师在用自己的勤奋刻苦潜移默化地引导大家。

在技术应用上求广

如今,在房山的北京文博数字产业园中,有一个文博考古三维数字化联合实验室,该实验室主要研究团队来自机器人视觉课题组,旨在将三维重建、计算机视觉先进技术与文物考古应用需求进行深度结合。

近年来,机器人视觉课题组将中国古代建筑作为载体和研究对象,正在系统研究基于海量无序图像数据的大场景三维重建技术。

一方面,中国古建筑结构复杂,重复纹理丰富,拍摄视点受限,遮挡严重,是测试三维重建技术水平的“典型重建对象”。另一方面,中国古建筑多为木质结构,较易损毁,亟待数字化保护,且这些建筑多分布于高山峻岭之中,相比于三维激光扫描仪等重建设备,基于图像的重建技术更加方便灵活。

为此,机器人视觉课题组做了大量的数据采集工作,在课题组的门户网站上,我们可以方便共享到课题组采集的五台、峨眉、九华、普陀中国四大佛教名山和武当、青城两大道教名山的典型古建筑图像数据。

高伟讲述了自己参与颐和园石舫三维重建的一段往事:为了获取石舫的图像信息,他们跨越了2005年暑寒两季。第一次是夏天去的,当时只拍到了石舫靠近堤岸的一面。为了获取另外一些信息,课题组成员于当年冬天又去了一次,在冰面上进行了另一面的图像采集,最终对石舫进行了完整的三维重建。

在机器人视觉课题组,类似这样出去拍摄采集原始图像的故事还很多。为了获得第一手图像资料,课题组成员常常跋山涉水,在付出了汗水后的收获,让大家更加深刻地体会到科研工作的甘甜。

机器人视觉课题组开发的三维重建技术也可用于无人机地形图的自动生成。目前,课题组已与国家文物局、国家遥感中心、国家天文台等开展广泛合作,相关技术已经在国防军事、文物保护、矿山安全、灾害评估等诸多领域得到了初步应用。

《中国科学报》 (2014-11-03 第6版 进展)
 
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