簡介
三維重建的英文術語名稱是3D Reconstruction.
三維重建是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型,是在計算機環境下對其進行處理、操作和分析其性質的基礎,也是在計算機中建立表達客觀世界的虛擬現實的關鍵技術。
在計算機視覺中, 三維重建是指根據單視圖或者多視圖的圖像重建三維信息的過程. 由於單視頻的信息不完全,因此三維重建需要利用經驗知識. 而多視圖的三維重建(類似人的雙目定位)相對比較容易, 其方法是先對攝像機進行標定, 即計算出攝像機的圖象坐標系與世界坐標系的關係.然後利用多個二維圖象中的信息重建出三維信息。
物體三維重建是計算機輔助幾何設計(CAGD)、計算機圖形學(CG)、計算機動畫、計算機視覺、醫學圖像處理、科學計算和虛擬現實、數字媒體創作等領域的共性科學問題和核心技術。在計算機內生成物體三維表示主要有兩類方法。一類是使用幾何建模軟體通過人機互動生成人為控制下的物體三維幾何模型,另一類是通過一定的手段獲取真實物體的幾何形狀。前者實現技術已經十分成熟,現有若干軟體支持,比如:3DMAX、Maya、AutoCAD、UG等等,它們一般使用具有數學表達式的曲線曲面表示幾何形狀。後者一般稱為三維重建過程,三維重建是指利用二維投影恢復物體三維信息(形狀等)的數學過程和計算機技術,包括數據獲取、預處理、點雲拼接和特徵分析等步驟。
步驟
三維重建的步驟
（1） 圖像獲取：在進行圖像處理之前，先要用攝像機獲取三維物體的二維圖像。光照條件、相機的幾何特性等對後續的圖像處理造成很大的影響。
（2）攝像機標定：通過攝像機標定來建立有效的成像模型，求解出攝像機的內外參數，這樣就可以結合圖像的匹配結果得到空間中的三維點坐標，從而達到進行三維重建的目的。
（3）特徵提取：特徵主要包括特徵點、特徵線和區域。大多數情況下都是以特徵點為匹配基元，特徵點以何種形式提取與用何種匹配策略緊密聯繫。因此在進行特徵點的提取時需要先確定用哪種匹配方法。
特徵點提取算法可以總結為：基於方嚮導數的方法，基於圖像亮度對比關係的方法，基於數學形態學的方法三種。
（4）立體匹配：立體匹配是指根據所提取的特徵來建立圖像對之間的一種對應關係，也就是將同一物理空間點在兩幅不同圖像中的成像點進行一一對應起來。在進行匹配時要注意場景中一些因素的干擾，比如光照條件、噪聲干擾、景物幾何形狀畸變、表面物理特性以及攝像機機特性等諸多變化因素。
（5）三維重建：有了比較精確的匹配結果，結合攝像機標定的內外參數，就可以恢復出三維場景信息。由於三維重建精度受匹配精度，攝像機的內外參數誤差等因素的影響，因此首先需要做好前面幾個步驟的工作，使得各個環節的精度高，誤差小，這樣才能設計出一個比較精確的立體視覺系統。
三維重建的方法
立體視覺法（stereoscopic）
傳統的立體成像系統使用兩個放在一起的攝影機，平行注視待重建之物體。此方法在概念上，類似人類藉由雙眼感知的圖像相疊推算深度（當然實際上人腦對深度信息的感知歷程複雜許多），若已知兩個攝影機的彼此間距與焦距長度，而截取的左右兩張圖片又能成功疊合，則深度信息可迅速推得。此法須仰賴有效的圖片像素匹配分析（correspondenceanalysis），一般使用區塊比對（blockmatching）或對極幾何（epipolargeometry）算法達成。
使用兩個攝影機的立體視覺法又稱做雙眼視覺法（binocular），另有三眼視覺（trinocular）與其他使用更多攝影機的延伸方法。
色度成形法（ShapefromShading）
早期由B.K.P.Horn等學者提出，使用圖像像素的亮度值代入預先設計之色度模型中求解，方程式之解即深度信息。由於方程組中的未知數多過限制條件，因此須藉由更多假設條件縮小解集之範圍。例如加入表面可微分性質（differentiability）、曲率限制（curvatureconstraint）、光滑程度（smoothness）以及更多限制來求得精確的解。此法之後由Woodham派生出立體光學法。
立體光學法（PhotometricStereo）
為了彌補光度成形法中單張照片提供之信息不足，立體光學法採用一個相機拍攝多張照片，這些照片的拍攝角度是相同的，其中的差別是光線的照明條件。最簡單的立體光學法使用三盞光源，從三個不同的方向照射待測物，每次僅打開一盞光源。拍攝完成後再綜合三張照片並使用光學中的完美漫射（perfectdiffusion）模型解出物體表面的梯度矢量（gradients），經過矢量場的積分後即可得到三維模型。此法並不適用於光滑而不近似於朗伯表面（Lambertiansurface）的物體。
輪廓法
此類方法是使用一系列物體的輪廓線條構成三維形體。當物體的部分表面無法在輪廓在線上展現時，重建後將丟失三維信息。常見的方式是將待測物放置於電動轉盤上，每次鏇轉一小角度後拍攝其圖像，再經由圖像處理技巧去除背景並取出輪廓線條，蒐集各角度之輪廓線後即可“刻劃”成三維模型。
用戶輔助
另外有些方法在重建過程中需要用戶提供信息，藉助人類視覺系統之獨特性能，輔助完成重建程式。
這些方式都是基於照片攝影原理，針對同個物體拍攝圖像以推算三維信息。另一種類似的方式是全景重建（panoramicreconstruction），乃是在定點上拍攝四周圖像使之得以重建場景環境。
