山東大學計算機科學與技術學院院長陳寶權教授率領北京電影學院未來影像高精尖創新中心和山東大學研究團隊，聯合以色列、加拿大的研究人員，提出了一種新穎的 3D 物體形狀重建法，將液體（水）作為獲取物體形狀的介質，巧妙地把 3D 形狀獲取轉化為體積問題，類似用水對物體做 CT。新的方法比常用的激光掃描更先進，能夠準確重建物體隱藏部分，應用范圍廣，性價比高。
3D物體形狀重建是近年來熱門的話題：影視制作，先進制造，智慧城市，無人駕駛等許多方面，都離不開它。說起 3D 物體形狀重建，你可能首先想到了先進的激光掃描儀。但是，最近一項在 SIGGRAPH 2017 發表的研究卻另辟蹊徑，用水（而非光）這一介質來獲取物體表面，將 3D 物體表面建模的任務轉化為體積問題，成功將目前的 3D 形狀建模技術向前推進了一步。這種新的方法可以準確重建物體中的隱藏部分，比常見的 3D 激光掃描先進很多。它與現有影像傳感方法有本質上的區別，會啟發更多相關的研究工作——一旦介質突破了傳統的光介質，就會生出很多可以考慮的選擇。
相關論文《基于浸入轉換 3D 形狀重建》（Dip Transform for 3D Shape Reconstruction） 由陳寶權教授率領北京電影學院未來影像高精尖創新中心和山東大學研究團隊，聯合以色列特拉維夫大學、本·古里安大學（Ben-Gurion University），還有加拿大英屬哥倫比亞大學的研究人員合作完成，涉及從算法到裝置原型的設計與制造。整個硬件的實現是由山東大學完成的。這一課題得到了國家重點基礎研究發展計劃（“973”）項目和國家自然科學基金委員會重點項目、中國-以色列國際合作重點專項的支持。
全新的數據獲取方法：將 3D 物體形狀建模轉化為體積問題
這項研究最大的突破就在于能夠方便地測量物體看不見的部分，陳寶權教授在接受采訪時說。
傳統 3D 掃描和形狀建模方法基于光學設備，最常見的是使用激光掃描儀和攝像頭對物體表面進行掃描。但是，這樣做有一定的局限，比如光線照不到的地方無法取樣，縫隙、微小突起等結構取樣不完整，還有透明等特殊的材料難以處理。
為了解決這些問題，研究人員將液體作為獲取物體形狀的介質，將物體浸入水中，測量物體的排水量，然后利用這種體積上的信息重建物體的表面形狀。這時，使用液體（水）的優勢就體現了出來，水能很好地貼合復雜的表面，還能滲透到空腔里，計算排水量也不需要考慮光線的折射率和偏振等問題，輕松繞過了光學設備面臨的種種限制。
實驗中，研究人員制作了一套簡便的“3D 浸入裝置”——用機械臂夾住物體，將物體浸入水槽，然后測量水位上升變化的曲線，得出沿當前角度浸入水中的物體的橫截面。這樣，通過多次將物體以不同角度浸入水中，研究人員就能得出物體多個橫截面的信息，進而精確地計算出物體的幾何形狀，包括平時激光掃描儀很難捕捉到的部分。
以不同角度將 3D 大象浸入水槽，記錄排水信號，得到不同橫截面的信息：左邊代表 20°、50°、90°和 130°浸入的正弦值，右邊代表形狀重建的結果。
（從左到右）浸入 100 次、500 次和1000 次的結果以不同角度浸入物體，浸入次數越多，浸入轉換重建的結果也越精確。
用水做 CT：結果精確，應用范圍廣
這種方法讓人想起了計算機斷層成像（Computed Tomography），也即平時說的 CT。陳寶權教授告訴大山，他們的確借鑒了CT掃描的原理。不過，CT 設備體積龐大，而且只能在特定的環境中使用，成本也很高。相比之下，研究人員提出的浸入轉換法以較低的計算成本生成完整的形狀，性價比高，而且應用范圍更廣。
“只要是能浸入水槽的物體，不論多大，都能進行重建。”陳寶權教授介紹道。此外，浸入轉換裝置搭建起來也很簡單。
不過，他們必須解決新的難題。最大的難點在于兩個方面，一是軟件（算法）上，如何從多個局部信息重建完整信息；一是硬件上，針對物體的浸入水中，如何連續精確測量容器里水體積的變化。
論文中，研究人員還展示了其他復雜 3D 形狀重建的示例。實驗表明，浸入重建的結果與幾乎與原始的 3D 模型一樣。
3D 浸入重建比較：
（a）浸入期間的物體
（b）3D 打印的物體
（c）結構化光掃描重建的結果
（d）使用浸入機器進行 3D 重建的結果。
可以發現，在隱蔽和復雜部分的重建上，3D 浸入是優于結構化光掃描的。
不僅如此，為了改善浸入轉化法數據采集速度較慢的問題——機械臂一步一步垂直浸入物體，而且必須每一步都讀數，研究團隊正在開發新的方法，比如連續浸入和讀取，或者基于壓縮感測的稀疏恢復技術。
研究人員表示，利用多模式的形狀獲取，比如結合激光掃描和浸入變換，我們能夠進行更加精確的 3D 形狀重建。
那么，浸入變換距離大規模應用在現實生活中還有多遠呢？從理論上講，技術已然完全成熟，關鍵是針對具體應用中的物體大小和精度需求開發相應的裝置，來達到最好高的性價比。
▲陳寶權院長陳寶權，山東大學計算科學與技術學院與軟件學院院長、國家“萬人計劃”領軍人才，長江特聘教授，國家杰青，兼中國科學院深圳先進技術研究院研究員，博士生導師。獲電子工程學士（91年西安電子科技大學）、碩士（94 年清華大學），和計算機科學博士（99 年紐約州立大學石溪分校）。研究領域為計算機圖形學與可視化，主要研究方向為基于車載移動激光掃描的大規模城市場景三維建模及海量數據可視化，擔任973項目“城市大數據計算理論與方法”首席科學家，和北京電影學院未來影像高精尖創新中心首席科學家。研究領域為計算機圖形學與可視化，主要研究方向為基于車載移動激光掃描的大規模城市場景三維建模及海量數據可視化，入選973項目“城市大數據計算理論與方法”首席科學家。在 ACM SIGGRAPH 、 IEEE VIS、ACM TOG等國際會議和刊物發表論文 100 余篇。
（文中圖片來源于新智元）
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