超越傳統(tǒng)三維重建：中科君達(dá)視界提出一種適用于高速透明流體的體素級動態(tài)建模新方法

   1、技術(shù)背景

   非剛體三維重建（Non-Rigid 3D Reconstruction）是指從多視角圖像序列中重建具有時變性、可變形性、半透明性的三維物體幾何信息及動態(tài)演化過程，在科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用中具有重要價值：如流體力學(xué)重建高速水射流、噴霧的三維形態(tài)，用于驗證流體動力學(xué)模擬的準(zhǔn)確性；生物力學(xué)領(lǐng)域重建軟組織運動、模擬血流，可為醫(yī)學(xué)研究提供三維可視化工具；工業(yè)工程領(lǐng)域重建火焰、電弧、流體，利于優(yōu)化噴霧燃燒、焊接過程、流體機械等工藝參數(shù)，提升能效與安全。

   2、技術(shù)路徑

   非剛體三維重建主流技術(shù)多視角立體視覺（MVS）技術(shù)針對非剛體的易形變性，引入時空一致性約束和形變模型，算法不再局限于單幀圖像之間的特征匹配，而是關(guān)注一個時空體積的對應(yīng)關(guān)系，通過構(gòu)建一個包含空間鄰域和時間連續(xù)性的圖模型并施加平滑性約束，解算出三維點軌跡。因該方法本質(zhì)仍是依賴非剛體表面紋理進(jìn)行圖像特征匹配，故適用于生物軟組織如皮膚、面部等，但無法重建流體、煙霧等無紋理特征、透明或發(fā)光的非剛體。

   3、技術(shù)突破

   中科君達(dá)視界的研發(fā)工程師們?yōu)榻鉀Q上述局限，提出一種改進(jìn)型多視角非剛體三維重建系統(tǒng)，創(chuàng)新性引入同步乘法代數(shù)SMART重建技術(shù)，該技術(shù)不再依賴局部特征匹配，而是將三維空間劃分為體素網(wǎng)格，并假設(shè)每個體素具有一定的發(fā)射或散射強度，通過將多視角二維圖像視為該三維場在不同方向上的投影，反演體素強度分布，最終獲得三維結(jié)構(gòu)，解決無紋理非剛體重建問題。

   千眼狼改進(jìn)型多視角非剛體三維重建系統(tǒng)硬件部分包括：

   高速攝像機采集陣列：由4臺千眼狼超高清高速攝像機G2110_Pro組成，5120×4096 @1000fps, 環(huán)繞性布設(shè)，確保立體視角覆蓋非剛體。

   同步觸發(fā)系統(tǒng)：通過B碼授時實現(xiàn)納秒級同步曝光，確保高速攝像機采集的多視角圖像序列嚴(yán)格對齊某一物理時刻。

   標(biāo)定系統(tǒng)：結(jié)合棋盤格或球形標(biāo)定物，完成相機內(nèi)外參數(shù)聯(lián)合標(biāo)定，建立像素-體素映射關(guān)系，為三維反演提供幾何基礎(chǔ)。

   GPU計算平臺：用于執(zhí)行SMART算法，支持大規(guī)模體素空間并行計算。

   千眼狼改進(jìn)型多視角非剛體三維重建系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)步驟：

   第一步，4臺高速攝像機同步曝光，獲取瞬時觀測數(shù)據(jù)集。

   第二步，定義三維重建空間為規(guī)則體素網(wǎng)格，每個體素初始化為非負(fù)強度值。

   第三步，對于每臺高速攝像機，建立從體素空間到圖像平面的投影映射。

   第四步，采用同步乘法代數(shù)重建技術(shù)SMART對體素初始值進(jìn)行迭代優(yōu)化，逐輪修正投影誤差，逼近真實體素分布。

   第五步，當(dāng)體素強度場收斂后，提取強度高于閾值的體素，生成初始三維點云，并運用泊松曲面重建算法處理稀疏點云，擬合成光滑閉合表面，進(jìn)而生成拓?fù)湔_的三維模型。

   4、技術(shù)差異化

   相較于MVS擴展技術(shù)，千眼狼改進(jìn)型多視角非剛體三維重建技術(shù)在適用對象、先驗知識依賴、物理真實性、時間分辨率、重建精度上具有差異化特征：

   綜上，中科君達(dá)視界提出的引入同步乘法代數(shù)的非剛體三維重建技術(shù)適用于高速高動態(tài)無紋理透明非剛體三維重建任務(wù)。

   5、應(yīng)用案例

   在典型無紋理透明非剛體高速水射流三維形態(tài)重建案例中，中科君達(dá)視界工程師們使用4臺千眼狼高速攝像機同步捕捉水柱表面毛細(xì)波、初始破碎點及液滴飛濺，并采用SMART技術(shù)成功重建出水柱主體及其邊緣破碎產(chǎn)生的液滴三維結(jié)構(gòu)。

   6、總結(jié)

   本文介紹了一種基于同步乘法代數(shù)重建技術(shù)的非剛體三維重建方法，通過將問題轉(zhuǎn)化為體素空間的反演問題，采用MLOS初始化與SMART迭代優(yōu)化，解決了MVS擴展技術(shù)路徑在重建流體、煙霧、電弧等離子體等無紋理、半透明高速動態(tài)非剛體時的局限性，在流體力學(xué)研究、燃燒診斷、環(huán)境煙霧擴散分析、高速工業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價值。