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國家自然科學基金重點項目目錄項目總報告石教英課題組總結項目總報告一、項目概況二、項目研究背景、目標與內容三、項目成果統計四、四年來研究工作主要成果概述石教英課題組總結一、基于圖像的建模(IBM)技術二、基于圖像的繪制(IBR)技術三、基于預計算及采樣的實時高真實感圖 像的繪制技術四、統一數字幾何處理框架研究一、項目概況項目名稱:

虛擬現實中基于圖像的建模和繪制項目負責人:

石教英,浙江大學項目承擔單位和學術領導人:浙江大學石教英教授和彭群生教授,中科院自動化所胡占義研究員,軟件研究所吳恩華研究員起止年月:2001年1月至2004年12月資助金額:110.00萬元四年已到款金額:110.00萬元經費結余金額:4萬元二、研究背景,目標與內容(1)項目的研究背景虛擬現實(VR)技術是信息領域的前沿,對視覺建模和繪制的真實感和實時性有很高的要求計算機圖形學面臨的兩大挑戰:高度真實感,實時性IBMR(基于圖像的建模和繪制)是1990年代初提出的新興研究方向,鮮明特點:具有高度真實感和較好的實時性缺乏幾何信息二、研究背景,目標與內容(2)TraditionalComputerGraphicsInput:Geometry,MaterialProperties(Color,Reflectance,…etc.),Lighting.TransformationandRasterization.ComputerVisionmethodstorecovermodels.Transform(&Lighting)Rasterization二、研究背景,目標與內容(3)TopLevelSurvey3DGraphicsImage-BasedRendering&ModelingGeometryorSurfaceBasedRendering&ModelingSle-BasedGraphicsVolumeRendering二、研究背景,目標與內容(4)二、研究背景,目標與內容(5)WhyIBR?Problemsoftriangle-basedgraphics:Alwaysstartsfromscratch.Millionsofsub-pixeltriangles.GeometryIBRModelingDifficultEasyComplexity#triangles#pixelsFidelitySyntheticAcquired二、研究背景,目標與內容(6)項目的研究目標采用基于圖像的建模技術來替代傳統的建模,以及采用圖像空間變換操作來替代傳統的圖形繪制過程,試圖解決VR建模復雜度,繪制速度及繪制質量等相互制約的矛盾研究IBMR的基礎理論和算法二、研究背景,目標與內容(7)項目的研究內容基于圖像的三維場景表示及漫游基于像素采樣點的光照屬性和表面幾何重建虛擬景物與現實場景畫面的無縫合成IBMR采樣圖像的實時、高效壓縮和存取IBMR場景圖像采樣方法和技術優化實現一個在CAVE環境下的IBMR實時漫游系統三、項目成果統計(1)四年來已發表論文統計說明:論文數量較多,質量較高;國際著名期刊論文達13篇(未包括已錄用論文數)論文的年平均數也可看出四位學術帶頭人的平均產出,達31篇年度國際期刊國際會議國內一級學報小計SCIEIISTP20010515201134200231222374172200369153071592004492538792總計133577125195417年平均3.258.7519.25314.7513.54.75三、項目成果統計(2)2.人才培養統計 畢業博士生23名年均培養畢業博士生5.75名 畢業碩士生14名年均培養畢業碩士生3.5名 博士生平均發表論文125篇/23名=5篇四、四年來研究工作主要成果概述(1)1、杰出成果簡介 本項目推動了我國計算機圖形學與計算機視覺兩個學科的交叉研究,取得了一批矚目的成果。四、四年來研究工作主要成果概述(2)1、杰出成果簡介(1)在攝像機外參數標定的PnP問題上糾正了前人一直認為的基于距離的PnP問題和基于變換PnP問題相互等價的錯誤結論;深入研究了PnP多解的幾何分布問題。在攝像機自標定這一國際研究熱點問題上,證明了對變參數攝像機僅僅知道平移運動不足以達到仿射重建,糾正了存在于學術界長達十余年的錯誤結論;提出多種基于主動視覺的攝像機自標定理論和算法,包括新的線性攝像機自標定方法和基于射影重建的攝像機自標定方法等。有多篇論文發表在IEEETrans.PAMI,PatternRecognitionLetters,ImageandVisionComputing及國內一級學報上。四、四年來研究工作主要成果概述(3)1、杰出成果簡介(2)國際上首次解決了基于(深度)圖像自動重建基于點與平面混合表示模型的復雜虛擬場景的技術難題,提出一系列創新算法有:能自動地將龐雜輸入數據劃分為點與平面模型的像素分類算法;基于Jacobi矩陣的采樣密度比較算法;重建平面的空洞分析和預填補算法;針對基于點表達的物體的局部重建和重采樣算法以及針對點面混合表達的實時漫游算法等。該項工作作為KluwerAcademic出版社于2004年1月出版的“IntegratedImageandGraphicsTechnologies”專著的一章發表,是一項國際領先水平的成果。四、四年來研究工作主要成果概述(4)1、杰出成果簡介(3)提出了一個統一的數字幾何處理框架,解決了將網格模型參數化到球面(或平面)的全局參數化的方法。在該框架下,所有成熟的數字圖象處理技術都可以運用于3D幾何數據處理上。論文也為后續應用研究奠定了理論基礎。該項工作進一步促進了計算機圖形學和圖像處理兩個學科在表示和處理層次上的交叉和融合。應用統一的數字幾何處理框架,提出了曲面濾波處理方法,我們的主要貢獻在于提出了兩步法球面參數化方法。有關論文發表在國際著名期刊ComputerAidedDesign以及國內計算機學報英文版等期刊上。四、四年來研究工作主要成果概述(5)1、杰出成果簡介(4)基于預計算及采樣的實時高真實感圖像的繪制技術提出了一種球面光輻射傳輸映射的新繪制方法。已有的預計算光輻射傳輸函數方法局限于單個物體或靜態場景的繪制。我們提出一種處理包含動態場景的預計算方法,可以高效地繪制環境光源下動態場景中的軟陰影和相互反射。另外還提出了一種稱為光照相關紋理的新繪制方法——光照相關紋理技術。這是一種基于采樣的實時高真實感圖像繪制技術,是基于圖像繪制技術的新發展。相關論文發表在ComputerGraphicsForum和Computers&Graphics等國際著名期刊上。四、四年來研究工作主要成果概述(6)1、杰出成果簡介(5)提出了基于相關系數的多源圖像最優融合方法和線性最優融合方法,并證明了兩者的等價性,改進了計算的時空復雜性。考慮人類視覺對圖像局部區域的敏感程度,提出了一種新的基于人類視覺系統(HVS)的小波圖像融合新算法,大大改善了圖像融合的結果。有關論文發表在國內一級學報上。四、四年來研究工作主要成果概述(7)1、杰出成果簡介(6)開發了多個具有較高應用前景的基于圖像建模和繪制的原型系統,如基于序列圖像的建筑場景建模原型系統(SIBM),基于圖像繪制的胡雪巖故居及靈隱寺景觀漫游原型系統等。四、四年來研究工作主要成果概述(8)2、完成情況概述1)計劃任務書上所列6項研究內容都作了相關研究,并取得相應的結果(參見歷年年度進展報告),但是各項內容完成質量是不平衡的。作為本項目的基礎,即第1,2兩項內容取得了較多和較高水平的成果。這部分成果可以看作為本項目的代表性成果。2)完成多個具有重要應用前景的IBMR原型系統。3)本項目在完成原定研究計劃外,還新增了幾項與圖象、視頻以及真實感圖形實時繪制等方面相關的研究內容,也取得較高水平的結果。3、四位學術帶頭人總結報告四、四年來研究工作主要成果概述(9)

石教英課題組總結報告1、基于圖像的建模(IBM)技術2、基于圖像的繪制(IBR)技術3、基于預計算及采樣的實時高真實感圖像的繪制技術4、統一數字幾何處理框架研究1、基于圖像的建模(IBM)技術主要貢獻論文[文1]提出了一種強壯的特征點匹配算法。論文提出了基于硬幾何約束的“匹配強度”概念,可減少匹配歧義性,同時提出了一種擴展指派算法用于全局優化,可達到最終消除匹配歧義問題。論文還改進了Harris特征點提取算法,增強對噪聲的扼制能力。特征點匹配是計算機視覺的一項重要研究內容,具有重要應用價值,特別在基于圖象建模方向上更是一個基礎性工作,本文算法為下步基于圖象建模工作打下了扎實基礎。四、四年來研究工作主要成果概述(10)

石教英課題組總結報告四、四年來研究工作主要成果概述(11)

石教英課題組總結報告四、四年來研究工作主要成果概述(12)

石教英課題組總結報告四、四年來研究工作主要成果概述(13)

石教英課題組總結報告1、基于圖像的建模(IBM)技術主要貢獻論文[文72,73,74]針對建筑物模型的規則性,提出一種基于平面的建筑物模型重建算法,包括相機定標,基平面提取,平面位置和方向計算等子過程,最后通過交互操作指明場景中各平面之間的相互關系,遞歸求解各平面位置和法向,達到根據圖像重建建筑物場景表面模型的目的。四、四年來研究工作主要成果概述(14)

石教英課題組總結報告基于序列圖像建筑場景建模軟件原型系統(SIBM)SIBM系統功能模塊

采樣圖像重建模型

四、四年來研究工作主要成果概述(15)

石教英課題組總結報告2、基于圖像的繪制(IBR)技術主要貢獻提出了一種新的基于圖像的場景表示方法:平面狹縫圖像場,以及一種稱為深度狹縫圖像全景拼圖的新方法,形成一種新的基于圖像的繪制方法,可實時生成具有高真實感的漫游場景。四、四年來研究工作主要成果概述(16)

石教英課題組總結報告2、基于圖像的繪制(IBR)技術主要貢獻論文[會28,29]是對著名的“畫中游”(Tourintopicture-TIP)技術的一種改進,提出了TIP建模中相對深度的新概念,應用相對深度概念可以方便地定義參考圖象的位置,從而可以方便地構建TIP的模型。論文給出了單滅點TIP和雙滅點TIP相對深度的計算方法。實驗證明本文方法的可行性和正確性。四、四年來研究工作主要成果概述(17)

石教英課題組總結報告

胡雪巖故居及靈隱景區漫游系統界面(點擊左圖進入視頻演示)四、四年來研究工作主要成果概述(18)

石教英課題組總結報告3、基于預計算及采樣的實時高真實感圖像的繪制技術主要貢獻論文[文8]提出了一種球面光輻射傳輸映射的新繪制方法。球面光輻射傳輸映射是一種預計算的光輻射傳輸函數技術,該技術用于實時的全局光照繪制。已有的預計算的光輻射傳輸函數方法局限于單個物體或靜態場景的繪制。我們提出一種處理包含動態場景的預計算方法。球面光輻射傳輸映射技術可以高效地繪制環境光源下動態場景中地軟陰影和相互反射。

DEMO1

DEMO2四、四年來研究工作主要成果概述(19)

石教英課題組總結報告3、基于預計算及采樣的實時高真實感圖像的繪制技術主要貢獻論文[文9]提出了一種稱為光照相關紋理的新繪制方法——光照相關紋理技術。利用這一技術,可以將真實材料表面的三維紋理移植到虛擬模型上,在環境光的照射下,進行實時繪制。這是一種基于采樣的實時高真實感圖像繪制技術,是基于圖像繪制技術的新發展。

DEMO四、四年來研究工作主要成果概述(20)

石教英課題組總結報告4、統一數字幾何處理框架研究主要貢獻論文[文33]提出了一個統一的數字幾何處理框架,即提出了將網格模型參數化到球面(或平面)的全局參數化方法。在論文的框架下,所有成熟的數字圖象處理技術都可以運用于3D幾何數據處理上。論文也為后續應用研究奠定了理論基礎。四、四年來研究工作主要成果

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