Realisztikus 3D modellek készítése



Hasonló dokumentumok
3D rekonstrukcióhoz. Megyesi Zoltán. Témavezető: Dr. Csetverikov Dmitrij. Informatikai Doktori Iskola Vezető: Dr.

Kétdimenziós mesterséges festési eljárások. Hatások és alkalmazások

3D számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

SZABAD FORMÁJÚ MART FELÜLETEK

Bevezetés. Kató Zoltán. Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika tanszék SZTE (

3D számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

Előrenéző és paraméter tanuló algoritmusok on-line klaszterezési problémákra

Szabad formájú mart felületek mikro és makro pontosságának vizsgálata

Nagy pontosságú 3D szkenner

AZ A PRIORI ISMERETEK ALKALMAZÁSA

3D - geometriai modellezés, alakzatrekonstrukció, nyomtatás

3D-s számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

8. Pontmegfeleltetések

A KUTATÁS EREDMÉNYEI ZÁRÓJELENTÉS

Pannon Egyetem Vegyészmérnöki és Anyagtudományok Doktori Iskola

Előadás célja: ERDAS IMAGINE történelem a Georgikon Karon. ERDAS IMAGINE alkalmazása Karunk oktatási feladataiban

Irányítási struktúrák összehasonlító vizsgálata. Tóth László Richárd. Pannon Egyetem Vegyészmérnöki és Anyagtudományok Doktori Iskola

Publikációs lista. Gódor Győző július 14. Cikk szerkesztett könyvben Külföldön megjelent idegen nyelvű folyóiratcikk...

Élpont osztályozáson alapuló robusztus tekintetkövetés

P-gráf alapú workflow modellezés fuzzy kiterjesztéssel

Sergyán Szabolcs augusztus 26.

OTKA nyilvántartási szám: T ZÁRÓJELENTÉS

Útjelzések, akadályok felismerése valós időben

Az e-kereskedelem elvárásai a biometriával szemben

Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar. Intelligens Mérnöki Rendszerek Intézet

Komputergrafika és Képfeldolgozás tanszék Cím: 4028 Debrecen, Kassai út. 26.

Köszönetnyilványítás. Digitális képelemzés alapvető algoritmusai. A kurzus témái. Képelemzés és képszűrés alapfogalmai. Csetverikov Dmitrij

Virtuális Egér. Horváth Zsolt, Schnádenberger Gábor, Varjas Viktor március 20.

Információ-visszakeresı módszerek egységes keretrendszere és alkalmazásai. Kiezer Tamás

Mérnök informatikus (BSc) alapszak levelező tagozat (BIL) / BSc in Engineering Information Technology (Part Time)

A képfeldolgozás matematikája I.

REVERSE ENGINEERING ALKALMAZÁSA AZ NC TECHNOLÓGIA TERVEZÉSÉBEN FRIEDRICH ATTILA

Drótposta: ; ; Honlapom:

PÁLYÁZAT. a SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM MŰSZAKI TUDOMÁNYI KAR KUTATÁSI FŐIRÁNY pályázati felhívásához. 1. A pályázó kollektíva vezetőjének adatai:

Mérnök informatikus (BSc) alapszak levelező tagozat (BIL) / BSc in Engineering Information Technology (Part Time)

VALÓS HULLÁMFRONT ELŐÁLLÍTÁSA A SZÁMÍTÓGÉPES ÉS A DIGITÁLIS HOLOGRÁFIÁBAN PhD tézisfüzet

KÉPALKOTÁSRA ALAPOZOTT RUHAIPARI

5. 3D rekonstrukció. Kató Zoltán. Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika tanszék SZTE (

HÁROMDIMENZIÓS SZÁMÍTÓGÉPES LÁTÁS HAJDER LEVENTE

Papp Ferenc Barlangkutató Csoport. Barlangtérképezés. Fotómodellezés. Holl Balázs negyedik változat hatodik kiegészítés 4.6

A 3D-2D leképezés alatt melyek maradnak robusztus képjellemzők?

Free Viewpoint Television: új perspektíva a 3D videó továbbításban

Mérnök informatikus mesterszak mintatanterve (GE-MI) nappali tagozat/ MSc in, full time Érvényes: 2011/2012. tanév 1. félévétől, felmenő rendszerben

Automatikus épület-felismerés ortofotókon objektum-alapú eljárással

Összeállította Horváth László egyetemi tanár

Geoelektromos tomográfia alkalmazása a kőbányászatban

VI. Magyar Földrajzi Konferencia

ÉPÜLETEK TŰZVÉDELME A TERVEZÉSTŐL A BEAVATKOZÁSIG TUDOMÁNYOS KONFERENCIA A BIM és a tűzvédelem The BIM and the fire protection

Telefonszám(ok) Mobil Fax(ok) Egyetem u. 10., 8200 Veszprém. Tehetséggondozás (matematika)

PONTFELHŐ REGISZTRÁCIÓ

Háromdimenziós képkészítés a gyakorlatban és alkalmazási területei

MÉLYFÚRÁSI GEOFIZIKAI ADATOK ÉRTELMEZÉSÉNEK MODERN INVERZIÓS MÓDSZEREI

Kvartó elrendezésű hengerállvány végeselemes modellezése a síkkifekvési hibák kimutatása érdekében. PhD értekezés tézisei

2014/2015. tavaszi félév

Adatfolyam alapú RACER tömbprocesszor és algoritmus implementációs módszerek valamint azok alkalmazásai parallel, heterogén számítási architektúrákra

Teljesen elosztott adatbányászat alprojekt

Képek illesztése: kamera regisztráció és képi lényegkiemelés CNN architektúrával

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

A megerosítéses tanulás és a szimulált hutés kombinált használata: algoritmusok és alkalmazások

Kamera-projektor rendszer radiometrikus kalibrációja

KARBON SZÁLLAL ERŐSÍTETT ALUMÍNIUM MÁTRIXÚ KOMPOZITOK AL/C HATÁRFELÜLETÉNEK JELLEMZÉSE

1. Bevezetés 1. Köszönetnyilvánítás A számítógépes játékfejlesztésről 3

EEE Kutatólaboratórium MTA-SZTAKI Magyar Tudományos Akadémia

Sztereó képfeldolgozás mobilrobot platform tájékozódásához Önálló laboratórium 2007/2008. tavaszi félév

Városi légszennyezettség vizsgálata térinformatikai és matematikai statisztikai módszerek alkalmazásával

A fotogrammetria ismeretek és a szakmai tudás fontossága

R3-COP. Resilient Reasoning Robotic Co-operating Systems. Autonóm rendszerek tesztelése egy EU-s projektben

Számítógépes látás alapjai

YANG ZIJIAN GYŐZŐ 杨子剑

TÁMOP A-11/1/KONV WORKSHOP Június 27.

XVII. econ Konferencia és ANSYS Felhasználói Találkozó

A SZÍNMEMÓRIA VIZSGÁLATA

Süle Zoltán publikációs listája

International GTE Conference MANUFACTURING November, 2012 Budapest, Hungary. Ákos György*, Bogár István**, Bánki Zsolt*, Báthor Miklós*,

Kamerakalibráció és pozícióbecslés érzékenységi analízissel, sík mintázatokból. Dabóczi Tamás (BME MIT), Fazekas Zoltán (MTA SZTAKI)

Adatbányászati és gépi tanulási algoritmusok szoftver szenzorok fejlesztésére. Kulcsár Tibor

Hivatkozások. Dr. Balázs Péter Attila, február 01.

Hibatűrő TDMA ütemezés tervezése ciklikus vezeték nélküli hálózatokban. Orosz Ákos, Róth Gergő, Simon Gyula. Pannon Egyetem

Publikációs lista. Dr. Molnárka-Miletics Edit Széchenyi István Egyetem Matematika és Számítástudományi Tanszék

Kódverifikáció gépi tanulással

A TANTÁRGY ADATLAPJA

Általánosan, bármilyen mérés annyit jelent, mint meghatározni, hányszor van meg

Grafikonok automatikus elemzése

Forráskód minőségbiztosítás

3D rekonstrukció több nézet alapján és alkalmazásai. Bódis-Szomorú András

Munkabeszámoló. Sinkovicz Péter. Témavezető: Szirmai Gergely. Kvantumoptikai és Kvantuminformatikai Osztály. Lendület program

Kétszemélyes játékok

Önálló labor beszámoló Képek szegmentálása textúra analízis segítségével. MAJF21 Eisenberger András május 22. Konzulens: Dr.

A kutatási projekt keretében a következő feladatokat tűztük ki:

Kémiai és bioipari adatrendszerek és folyamatok minőségellenőrzésének informatikai eszközei. Viczián Gergely

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Módszer köztes tárolókat nem tartalmazó szakaszos működésű rendszerek ütemezésére

Képfeldolgozás Szegmentálás Osztályozás Képfelismerés Térbeli rekonstrukció

Searching in an Unsorted Database

DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI

Normál látók és színtévesztők szemkamerás vizsgálatainak statisztikai megközelítése

Foglalkozási napló a 20 /20. tanévre

Autópálya forgalomszabályozás felhajtókorlátozás és változtatható sebességkorlátozás összehangolásával és fejlesztési lehetőségei

Al-Mg-Si háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram közelítő számítása

DTMF Frekvenciák Mérése Mérési Útmutató

Átírás:

Realisztikus 3D modellek készítése valós tárgyakról Jankó Zsolt Doktori értekezés tézisei Témavezető: Dr. Csetverikov Dmitrij Eötvös Loránd Tudományegyetem Informatikai Doktori Iskola Vezető: Dr. Demetrovics János Számítástechnikai és Automatizálási Kutató Intézet Magyar Tudományos Akadémia Budapest 2006

1. Bevezető Realisztikus 3D modellek készítése valós tárgyakról alapvető feladat mind a számítógépes látáson, mind a számítógépes grafikán belül. A 3D modelleknek számos lehetséges alkalmazása létezik: virtuális múzeumok, műtéti tervezés orvosi képfeldolgozásban, elektronikus kereskedelem, építészet, számítógépes játékok vagy filmek. Az ilyen modelleknél fontos a precíz geometria és a részletes és pontos textúra is. A realisztikus megjelenés tovább javítható, ha a felületi érdességet is modellezni tudjuk. Számos különböző módszer létezik 3D modellek készítésére. A számítógépes látásban a képalapú 3D rekonstrukciónak komoly irodalma van. A rekonstrukciós módszerek sztereó látás, shape from structure, shape from shading, stb. közös jellemzője, hogy a 3D modelleket képekből vagy képsorozatokból állítják elő. Ugyanakkor, ha pontos geometriára van szükség, 3D lézerszkennereket érdemes használni. A lézerszkennerek hátránya, hogy csak a felület geometriáját mérik, a színekről nem adnak információt. Néhány lézerszkenner képes a színt is mérni, de ezek egyrészt nem elég pontosak, másrészt nagyon drágák. A mi célunk egy olyan egyszerű rendszer felépítése, amivel jó minőségű, realisztikus 3D modelleket készíthetünk viszonylag kicsi (max. 50 cm) valós tárgyakról. Egy kézi vezérlésű, nem túl drága lézerszkennert használunk a geometria mérésére, amit azután kiegészítünk fényképekből nyert színekkel és textúrával. A fényképeket egy hétköznapi digitális fényképezővel készítjük, ami független a 3D szkennertől. A rendszerhez tartozik még egy egyszerű mozgatható 1

asztali lámpa és egy számítógép, amivel az adatokat feldolgozzuk. A legnagyobb nehézséget az jelenti, hogy hogyan kapcsoljuk össze a különböző jellegű, különböző forrásból származó adatokat. A rendszer bemenetként egy 3D modellt és különböző nézőpontból, vagy különböző megvilágítás mellett készült képeket kap az adott tárgyról. A 3D modellről és a képek halmazáról is feltételezzük, hogy teljesen fedi az alakzatot. Emellett a különböző nézőpontból felvett képeknek úgy kell készülniük, hogy legyenek közös részeik, átfedések, ahol össze tudjuk őket illeszteni. A doktori értekezésben bemutatjuk, hogyan lehet a rendelkezésünkre álló adatokat felhasználva realisztikus 3D modellt készíteni. A rendszerünk működését az alábbi ábrával szemléltetjük. Kamera Képfeldolgozás 3D s szkenner Geom. modellezés Regisztráció Multitextúrázás Felületi érdesség 2

2. A doktori értekezés felépítése A doktori értekezés hat részből áll, leszámítva két fejezetet, a dolgozat elején a bevezetést és a végén az összefoglalást. A 2. fejezet egy áttekintést tartalmaz azokról a kamera- ill. fényvisszaverődési modellekről, amelyek ismerete szükséges a dolgozat megértéséhez. A 3. fejezet négy projektet mutat be, amik a legközelebb állnak a mi munkánkhoz. A dolgozat új tudományos eredményeit a 4 7. fejezet tartalmazza. A 4. fejezetben bemutatunk egy, az ún. fotokonzisztencián alapuló regisztrációs algoritmust. A módszer újdonsága, hogy a korábbról ismert regisztrációs eljárást kiterjeszti kalibrálatlan képekre is, valamint hogy egy genetikai algoritmust használ az optimalizációs feladat megoldására. Regisztráció után a képeket a modellre vetítve megkapjuk a textúrázott 3D modellt. A modellt teljesen befedő textúra több képből áll össze. Fontos, hogy a részleges textúraképeket úgy illesszük egymáshoz, hogy ne látszódjon az illesztés helye. Az 5. fejezetben szereplő módszerünk a 3D felületet kiteríti a síkba, ezáltal a textúraképek összeillesztésének nehéz feladatát visszavezetjük a 3D térből a 2D térbe. A 2D térben hagyományos eljárásokat alkalmazva a textúrák egyszerűbben összefűzhetőek. Néhány esetben a 3D lézerszkenner által mért geometria nem elég precíz. A felületen jelentkező apró érdességet nagyon nehéz pontosan megmérni. A fotometrikus sztereó módszerei alkalmasak arra, hogy változó fényviszonyok mellett készült fényképekből pontos és részletes 3

információt nyerjünk a felület apró egyenetlenségeiről. A 6. fejezetben egy ilyen módszert mutatunk be. Módszerünk újdonságát az adja, hogy a képek mellett egy kezdeti, durva 3D modellt is felhasználunk a fényforrások kalibrálásához és a felületi normálisok meghatározásához. A 7. fejezet lényegében független az előzőektől. Ebben a fejezetben azt vizsgáljuk, hogy hogyan lehet kihasználni az ún. Helmholtzféle reciprocitást a felületek rekonstrukciójánál. Ha ismeretlen egy felület fényvisszaverő képessége, a rekonstrukciós feladat nagyon bonyolulttá válik. A Helmholtz sztereó módszer kihasználja az ismert törvényszerűséget, ami szerint a fényvisszaverődést leíró függvény, a BRDF, szimmetrikus. A fejezetben bemutatunk egy módszert egy Helmholtz sztereó rendszer radiometrikus kalibrálására, ami a pontos mérésekhez alapvető fontosságú. 4

3. Új tudományos eredmények A doktori értekezés új tudományos eredményeit a következő négy tézis foglalja össze. 1. tézis Egy új, fotokonzisztencián alapuló algoritmus kalibrálatlan képeknek egy 3D felületi modellhez történő regisztrációjára. 1.1 Kidolgoztunk egy új módszert egy adott tárgyról készült képpárnak a tárgy 3D modelljéhez történő regisztrációjára. A módszer megoldást ad a fotokonzisztencián alapuló pozícióbecslési feladat kiterjesztésére, ahol a kamerák sem belső, sem külső paraméterek szempontjából nincsenek kalibrálva. Definiáltunk egy alkalmas célfüggvényt, és kipróbáltunk különböző optimalizációs módszereket, végül egy genetikai algoritmus alkalmazása mellett döntöttünk. Az algoritmust két input képre fogalmaztuk meg, de egyszerűen kiterjeszthető több képre is. 1.2 A takarási problémából adódó outlierek kiküszöbölésére a módszert módosítottuk. Felhasználtuk a 3D mérésből adódó felületi normálisokat a látható felületi pontok detektálására, és sikeresen alkalmaztunk két, egymáshoz hasonló technikát, nevezetesen a Trimmed Squares és az α-trimmed mean eljárásokat a módszer robusztussá tételére. A kameramodellre tett ésszerű megszorításokkal a módszer hatékonyságát tovább növeltük. 1.3 A módszer teljesítményét valódi és félig szintetikus adatokon végrehajtott szisztematikus tesztekkel értékeltük. A félig 5

szintetikus adatok segítségével az eredményeket számokkal is jellemeztük. Számos futtatást végeztünk, amivel sikerült letesztelni a módszer érzékenységét a színmodellek és a genetikai paraméterek változtatására. Valódi adatokon végrehajtott további kísérletek is a módszer hatékonyságát mutatják. 2. tézis Multitextúrázás Egy új módszer teljesen textúrázott 3D modellek készítésére valós tárgyakról a felület síkba terítésének segítségével. 2.1 Kidolgoztunk egy új módszert, ami a felület síkba terítésének technikáját alkalmazza részleges textúraképek összefűzésére. Ezáltal teljesen textúrázott 3D modelleket kapunk. A módszer lényege, hogy a felület kiterítésével a textúraképek 3D térben történő összeillesztésének bonyolult feladatát áthelyezzük a 2D térbe, ahol alkalmas módszerekkel a képek törésmentes összefűzése egyszerűbben megoldható. 2.2 Négy különböző módszert próbáltunk ki a képek törésmentes összefűzésére. A szintetikus adatokon végrehajtott tesztek eredményeit számokkal jellemeztük, értékeltük és összehasonlítottuk. A valódi adatokon végrehajtott tesztek és az eredményül kapott, teljesen textúrázott, törésmentes 3D modellek a módszer hatékonyságát mutatják. 6

3. tézis Felületi érdesség kinyerése Egy új, fotometrikus sztereón alapuló módszer felületi érdesség kinyerésére. 3.1 Kidolgoztunk egy új módszert valós tárgyak felületi érdességének kinyerésére. A módszer a jól ismert fotometrikus sztereón alapszik. Újszerűsége abban rejlik, hogy felhasználja az inputként adott kezdeti 3D modellt is, ami a valódi modell egy durva közelítése. A részletes normálvektormező becslése két lépésben történik: először a fényforrásokat kalibráljuk a kezdeti 3D modell felhasználásával, majd a kalibrált fényforrások segítségével kiszámoljuk a normálvektorokat. 3.2 A módszert leteszteltük valós és szintetikus adatokon is. A módszer pontosságát a szintetikus adatokon végzett tesztek kiértékelésével szemléltettük. 4. tézis Helmholtz sztereó Egy Helmholtz sztereoszkopikus rendszer radiometrikus kalibrálása. 4.1 Kidolgoztuk az elméletét egy új eljárásnak egy Helmholtz sztereoszkopikus rendszer radiometrikus kalibrálására. Az eljárás során pontos becslést adunk a szenzor effektív érzékenységére a képpontokban. A radiometrikus kalibrálás módszerének szükségességét és pontosságát tesztek mutatják. 7

4. A szerző publikációi a dolgozat témakörében [1] Zsolt Jankó: Helmholtz reciprocity in surface reconstruction: an overview. In Proc. II. Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, pp. 103 108, 2003. [2] Zsolt Jankó, Dmitry Chetverikov: Precise registration based on photo-consistency. In Proc. Képfeldolgozók és Alakfelismerők IV. Konferenciája, pp. 137 143, 2004. [3] Zsolt Jankó, Ondřej Drbohlav, Radim Šara: Radiometric calibration of a Helmholtz stereo rig. In Proc. IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp. 166 171, 2004. [4] Zsolt Jankó, Dmitry Chetverikov: Registration of an uncalibrated image pair to a 3D surface model. In Proc. 17 th International Conference on Pattern Recognition, pp. 208 211, 2004. [5] Zsolt Jankó, Dmitry Chetverikov: Photo-consistency based registration of an uncalibrated image pair to a 3D surface model using genetic algorithm. In Proc. 2 nd International Symposium on 3D Data Processing, Visualization & Transmission, pp. 616 622, 2004. [6] Zsolt Jankó: Combining multiple texture mappings using surface flattening. In Proc. Joint Hungarian Austrian Conference on Image Processing and Pattern Recognition, pp. 155 162, 2005. [7] Zsolt Jankó, Dmitry Chetverikov: Data fusion for photorealistic 3D models. In Proc. 11 th International Conference on Compu- 8

ter Analysis of Images and Patterns, Lecture Notes in Computer Science, 3691:240 247, 2005. [8] Zsolt Jankó, Evgeny Lomonosov, Dmitry Chetverikov: Building photorealistic models using data fusion. In Proc. III. Magyar Számítógépes Grafika és Geometria Konferencia, pp. 37 42, 2005. [9] Zsolt Jankó, Géza Kós, Dmitry Chetverikov: Creating entirely textured 3D models of real objects using surface flattening. International Journal of Machine Graphics & Vision, Vol. 14, pp. 379 398, 2005. [10] Zsolt Jankó, Dmitry Chetverikov, Anikó Ekárt: Using a genetic algorithm to register an uncalibrated image pair to a 3D surface model. International Journal of Engineering Applications of Artificial Intelligence, 19:269 276, 2006. [11] Dmitry Chetverikov, Zsolt Jankó, Evgeny Lomonosov, Anikó Ekárt: Creating photorealistic models by data fusion with genetic algorithms. Fejezet a Soft Computing in Image Processing: Recent Advances című kötetben, megjelenés előtt, Studies in Fuzziness and Soft Computing, Springer, pp. 239 266, 2006. [12] Zsolt Jankó, Evgeny Lomonosov, Dmitry Chetverikov: Fusing spatial, pictorial and photometric data to build photorealistic models. In Proc. 16 th International Conference on Computer Graphics and Applications (GraphiCon), pp. 32 39, 2006. [13] Zsolt Jankó, Dmitry Chetverikov: Adding Surface Bumpiness to a 3D Model Using Photometric Stereo. In Proc. Virtual Environment on a PC Cluster Workshop, közlésre elfogadva, 2006. 9