Эта проблема также сохраняется в науке и технике, где точное 3D-изображение зеркальных поверхностей уже давно находится в центре внимания как оптической метрологии, так и исследований в области компьютерного зрения. Несмотря на существование специализированных методов, присущие им ограничения часто ограничивают их применение узкими областями, препятствуя более широкому междисциплинарному использованию.

В исследовании, опубликованном 27 марта в журнале Optica, исследователи Университета Аризоны из Лаборатории вычислительной 3D-визуализации и измерений (3DIM) при Колледже оптических наук Вайанта представляют новый подход, который значительно улучшает 3D-визуализацию зеркальных поверхностей.

Их метод органично сочетает в себе информацию, полученную с помощью двух известных методов - дефлектометрии с измерением фазы (PMD) и определения формы по поляризации (SfP), которые обычно используются в оптической 3D-метрологии и исследованиях компьютерного зрения соответственно. В новом методе преимущества обоих методов дополняют друг друга способом, который никогда полностью не реализовывался в предыдущих работах, прокладывая путь к получению 3D-изображений зеркальных объектов, которые одновременно являются высокоточными и широко применимыми.

Хорошо известная своей высокой точностью, обычная дефлектометрия с фазовым измерением (PMD) широко используется в высококлассных приложениях для проверки оптических линз и телескопических зеркал или для обнаружения дефектов в кузовах автомобилей. Однако PMD также сопряжен с трудностями.

Флориан Вилломитцер, доцент кафедры оптических наук, директор лаборатории 3DIM и главный исследователь исследования, объяснил: "В частности, PMD страдает от присущих ему проблем неоднозначности. Преодоление этих проблем обычно требует либо дополнительного оборудования, либо предварительных знаний о форме объекта и расстоянии до него, что ограничивает гибкость PMD для общего использования.

"С другой стороны, форма на основе поляризации (SfP) - это хорошо зарекомендовавший себя метод 3D-визуализации в сообществе специалистов по компьютерному зрению, который отличается высокой гибкостью", - сказал он. "Однако определенные геометрические допущения ограничивают его точность. Это ограничивает применение метода приложениями с низкими требованиями к точности или случаями чисто качественного контроля."

Преодоление разрыва между оптической 3D-метрологией и исследованиями в области компьютерного зрения

Новая методика команды объединяет сильные стороны PMD и SfP, преодолевая при этом их слабые стороны. Используя геометрическую информацию, полученную в результате дефлектометрии, с помощью поляризационных сигналов, форма поверхности и нормальное поле зеркального объекта могут быть точно восстановлены - без необходимости в предварительных знаниях об объекте, сложных настройках или конкретных предположениях о модели изображения.

"Мы разработали математически строгий и творческий подход, чтобы объединить эти два набора информации", - сказал Цзячжан Ван, аспирант лаборатории Вилломитцера, первый автор и ведущий исследователь исследования. "В результате получается новый метод измерения, который точно определяет форму объекта и нормали к поверхности без типичных неточностей, обеспечивая как высокую точность, так и широкое применение. По сути, наш новый метод устраняет существующий технологический разрыв между оптической 3D-метрологией и компьютерным зрением".

Однократная 3D-реконструкция: скачок к практичным измерениям, основанным на динамике

Традиционные методы PMD и SfP являются "многокадровыми" и требуют последовательного захвата от 8 до 30 или более изображений с камер для восстановления одной 3D-модели, что делает их очень чувствительными к артефактам движения.

"Малейшее движение во время этой последовательности приводит к серьезным ошибкам реконструкции и делает результаты непригодными для использования", - объяснил Ван. "Благодаря интеграции новых аппаратных разработок с передовыми алгоритмами реконструкции, наш метод теперь может извлекать всю необходимую информацию из одного изображения с камеры. Это позволяет проводить измерения вручную в режиме реального времени и получать высокоскоростную визуализацию динамичных сцен".

Ван, Вилломитцер и соавтор Оливер Коссэйрт, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в предыдущем учебном заведении Вилломитцера и Вана - Северо-Западном университете, поделились своим восхищением возможностями исследования.

"Возможность однократного выстрела является важным достижением для приложений, где важна надежность движения, - сказал Ван, - таких как измерение быстро движущихся деталей на конвейерной ленте или сканирование объектов с помощью ручного наведения датчика".

Расширяя границы возможностей 3D-сенсоров следующего поколения

Ключевым аспектом этого исследования было понимание и анализ существующих ограничений 3D-визуализации на зеркальных поверхностях и использование этих знаний для разработки концепции датчика, которая преодолевает эти проблемы, опираясь при этом на сильные стороны современных методов PMD и SfP.

Вилломитцер пришел к выводу, что этот способ решения текущих задач в области визуализации имеет преимущества, выходящие далеко за рамки проблемы измерения зеркальных поверхностей в "доме зеркал".

"Такое мышление тесно связано с одной из основных тем нашей лаборатории", - сказал он. "Мы стремимся исследовать и использовать физические и информационно-теоретические ограничения для изобретения, разработки и создания следующего поколения вычислительных систем 3D-визуализации".