小型物件三維重建及其在高職信息教育中的作用

張漫 張小清

摘 要

在高職信息教育中，如何提高學生的興趣是每個老師需要考慮的。通過開設小型物件三維重建課程改變課堂教學方式，讓學生了解、參與到整個三維重建過程中，在制作過程中進行學習，提高學生的學習興趣和課堂效率。

關鍵詞

三維重建;課堂教學

中圖分類號： G712 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.029

0 引言

在傳統的信息科學教學中，教師注重的是基本原理的講解，讓學生掌握扎實的基礎知識，學生短時間內對信息科學難以形成良好的直觀印象，教學的初期不容易引起學生主觀興趣，進而影響課堂的授課效果。

近年來，隨著三維打印技術的發展，三維立體模型廣泛用于多種生活、生產領域，人們對小型物件三維立體模型的需求進一步擴大，然而現有三維立體模型主要使用各種昂貴的專業設備對目標進行高精度測量，進而進行數字化處理，顯然這種方式難以滿足普通用戶的現實需求。因此，有必要發展使用簡易數據采集方式，利用普通設備提取物件三維立體模型的方法。

日常生活中，數碼相機以及攝影機已經隨處可見，可以方便地拍攝對應物件的照片，記錄對應物件某個方向的投影，且拍攝結果易于計算機讀取。如果能利用照片這種二維圖像進行三維模型重建，并從圖像中為三維結構模型提取紋理信息，就能構建具有真實紋理特征的三維立體模型，便于物件的數字化管理及其后續三維打印輸出。

基于照片的小型物件三位重建技術，僅需使用數碼相機或者攝像機拍攝被測物的二維圖像，用計算機視覺算法來提取對應物件的三維模型，具有真實、快捷、簡便的優點。可以說，如何有效利用日常設備所獲取的二維照片，使用日常計算機實現照片到三維模型的轉換，是現今計算機圖像研究領域的重要方向之一。因此，可以在教學中有效利用先進多種成型的商業軟件，在課堂中展示信息獲取技術與計算機圖形處理技術在生活中應用，吸引學生對計算機科學技術的興趣。

1 小型三維模型建模方法及其效果

通過對小型物件的實時三維重建，吸引學生對計算機與信息科學的興趣，提高授課效率。實際課堂中，對小型物件從多個視角拍攝高分辨率照片后，利用相片間同名點的空間幾何關系反演相片間的空間姿態關系，進而利用多視立體匹配算法提取物件表面三維點云，刪除雜點后構建三角網提取物件表面模型，隨后將每個三角形返回原始相片提取相應紋理，完成小型物件的三位重建研究，實現二維相片到三維立體模型的自動化建模過程。

本文使用一只常見的戶外鞋子為目標進行了三維建模過程。我們使用Iphone8 plus手機，采集了58張從不同角度拍攝的照片，以Agisoft Metashape軟件為載體，進行了目標的三維重建，如圖1所示。

如圖1所示，圖1（a）顯示了本文所用的58張二位照片，圖1（b）顯示了58張照片空間位置及其稀疏點云計算結果，而圖1（c）給出了密集點云重建結果，圖1（d）給出了戶外鞋的三維重建結果，可見三維重建結果與實物基本一致，拍攝照片與目標間的拍攝距離、方位也與實際拍攝情況一致，且建模過程較為簡單，給學生直觀的結果顯示。

2 教學中的應用與效果

在技術演示中，需要與學生面對面完成照片三維重建中所需進行的各項處理步驟，從視覺效果上演示每一步的效果。對小型物件從多個視角拍攝高分辨率照片后，利用相片間同名點的空間幾何關系反演相片間的空間姿態關系，進而利用多視立體匹配算法提取物件表面三維點云，刪除雜點后構建三角網提取物件表面模型，隨后將每個三角形返回原始相片提取相應紋理，完成小型物件的三位重建研究，實現二維相片到三維立體模型的自動化建模過程。

從建模對象選取到模型建立，學生可以全程參與建模的全過程，了解小型物件三維重建的處理過程，構建生活中常見的目標。建模對象可以是生活中的常見小型物品，如書包、運動鞋等生活必須品，但是沒有觀察過這些物品的空間尺寸、紋理等細節問題，僅僅是在日常生活中下意識使用這些物品。在學生的理解中，大部分人對三維物體與三維重建僅僅停留在電影中展現出來的特技效果，潛意識中認為這些信息科學技術離他們較遠，但是利用相片重建三維模型的過程中，他們近距離親手采集照片、構建模型，了解信息科學的魅力。

應該來說，學生現在都有采集數字照片的基本設備與能力，在日常的生活中進行了大量的拍攝過程，有豐富的經驗。在本項目實驗中，學生可以選取書包、玩偶、運動鞋等多種小型物件，基于前文所限定的照片采集方式，針對不同的物件，采用不同的相片拍攝模式，親手獲取實驗所需要的照片。在具體的照片采集過程，學生會發現物件存在透明、反光、弱紋理等現象，這些會導致三維重建結果出現重大問題，會產生特征點少、紋理錯位等現象，直接影響最終的三維模型效果，這將進一步刺激學生從源頭上分析問題解決問題，最終引導學生主動學習。

在建模過程中，學生可以看到圖像與目標對象間的空間關系，當學生回憶起拍攝時相機與目標之間的拍攝過程，可以直接建立起照片與目標對應的基本映像，盡管學生并不明白其中具體的算法過程，但是通過直觀的圖像演示，可以幫助學生建立起照片空間關系恢復過程在思維上的認同感，同時直接關聯到學生前期所參與的照片拍攝工作，從而有效提升學生的課程代入感。

在進一步進行小型物件的建模過程中，學生會看到具體的物件是如何在計算機中一步一步計算出來，并且自動貼上真實的紋理，當他們對比計算機三維重建結果與真實對象時，會發現計算機三維重建結果已經能夠清晰展現目標對象，從而讓學生從心理上認同三維重建技術。Agisoft Metashape軟件的簡易使用，也能讓學生在課后反復實驗，在多次的使用與觀察中，一步一步提升學生對信息科學技術的興趣與認同感。

3 結論

綜上所述，基于照片的三維重建技術，在課堂中展示信息獲取技術與計算機圖形處理技術在生活中應用，吸引學生對計算機科學技術的興趣。相關建模過程可以提升教師的理論應用能力和軟件使用能力，也有助于加深高職信息類學生對信息科學的理解，增強對所學理論知識的認知，拓寬學生對計算機科學的認識。

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