SIGGRAPH 2017论文提出Dip Transform:全新的3D物体建模方法

3D 形状获取通过使用水位移作为形状传感器,从而重建复杂物体。


使用 Dip Transform 的 3D 扫描。使用机械臂将物体浸入水中,即可对物体形状进行建模。该团队的方法可以完整重建复杂的形态,甚至包括物体中隐藏和内部区域的轮廓。

近日,一支由全球科学家组成的团队开发出一种可以进行 3D 物体重建的新技术。值得一提的是,这一新技术的灵感源于古老的科学发现——阿基米德浮体原理,它成功地将目前的 3D 形状建模技术向前推进了一步。该方法将物体表面建模的任务转化为体积问题。此外,他们的方法可以准确重建物体中的隐藏部分,这比此前常见的 3D 激光扫描先进很多。

这项研究的论文Dip Transform for 3D Shape Reconstruction由以色列特拉维夫大学、山东大学、本·古里安大学以及不列颠哥伦比亚大学共同发表,将会在 7 月底于洛杉矶举行的 SIGGRAPH 大会上展示。

传统 3D 扫描和建模方法基于光学设备,其中最常见的是通过激光和摄像头对物体表面形状进行扫描。但这种方式易受干扰,且难以保证结果完整。因为光传播路径的限制,大多数设备都只能对物体的可见部分进行扫描,而无法触及隐藏部分。例如:典型的激光扫描仪无法准确捕捉大象雕像的腹部纹路,因为它隐藏在视线之外。

研究团队开发的复杂 3D 形体重建系统则利用了液体的流动性质,让计算机可以用体积来重建 3D 物体的外形轮廓。通过这种方法,任何具有复杂/隐藏特征的物体都可以进行 3D 重建。液体不受光传播路径的限制,它可以绕过障碍渗透到任何空腔和隐藏部分,也可以处理任何透明和光滑材料(处理效果与不透明材料相同),这意味着它可以轻松绕过光学设备面临的各种限制。

该团队在研究中使用一种廉价 3D 浸入装置——用机械臂将物体浸入水槽。他们将物体沿轴线浸入液体中,来测量液体体积的位移(displacement),进而形成该物体形状的一系列薄体切片。通过将物体从不同角度重复浸入水中,研究者能够捕捉给定物体的几何形状,包括正常状况下激光器或光学 3D 扫描仪无法发现的部分。

该团队的 dip transform 技术与计算机断层扫描(computed tomography)有关。计算机断层扫描是一种使用光学系统进行精确扫描或输出详细图像的传统成像方法。该方法面临的挑战是基于断层扫描的设备庞大且昂贵,只能在安全的专门环境中使用。该团队的方法既安全又低价,使用创新数据收集方法以低计算成本生成完整形状,是一种更有吸引力的方法。

该研究展示了一种生成各种复杂度的 3D 形状的新技术,包括攥成拳状的手、拥抱着的母子,以及 DNA 双螺旋。研究结果证明浸入重建几乎和原始的 3D 模型一样精确,这为非光学 3D 形状获取技术打开了局面。

论文:Dip Transform for 3D Shape Reconstruction

论文链接:http://irc.cs.sdu.edu.cn/3dshape/

摘要:本论文基于阿基米德浮体原理(即流体位移等于浸入体积),提出了一种全新的三维形状获取与重建的方法。通过将一个形状从不同的方向重复浸入液体中,并测量其体积位移,我们提出了 dip transform:一个全新的表征物体表面的体积形状表示。这一方法的关键特征是它采用了流体位移作为其形状传感器。与光学传感器不同,流体没有视线要求,可以渗入物体的空腔与隐藏部分以及透明和光滑材料,从而绕过了传统扫描设备的所有可见性和光学限制。新扫描方法的实现借助了一个可浸入水中的机器臂和一缸水,并由此测量了水位。我们展示了复杂 3D 形状的重建结果,并根据浸入次数来评估重建质量。

入门理论论文SIGGRAPH 20173D扫描山东大学
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