摘要：一种新方法显着进步了反射表面的3D成像。该方法集成了从高精度光学3D计量和计算机视觉中知道的技术，并且可以使从工业检查和医学成像到虚拟现实和文化遗产保护的应用有益。...

在工业检查，医学成像，虚拟现实和文化遗产保存等领域，镜面或类似镜面的表面的准确，健壮的3D成像至关重要。然而，任何访问了游乐园里镜子房屋的人都知道判断反射物体的形状和距离有多困难。

这一挑战也持续在科学和工程学中，在这种挑战中，镜面表面的准确3D成像长期以来一直是光学计量学和计算机视觉研究的重点。尽管存在专门的技术，但它们的固有局限性通常将它们限制在狭窄的特定于领域的应用中，从而阻止了更广泛的跨学科使用。

在3月27日发表在《期刊》上的一项研究中Optica，亚利桑那大学的研究人员来自怀特光学科学学院的计算3D成像和测量（3DIM）实验室，提出了一种新颖的方法，可以显着提高镜面表面的3D成像。

他们的方法无缝地结合了从两种已建立的技术中捕获的信息 - 相位测量挠度测定法（PMD）和极化（SFP）的形状 - 分别用于光学3D计量学和计算机视觉研究。在新方法中，这两种技术的好处都以一种从未在以前的工作中完全实现的方式相互补充，为3D成像铺平了镜头对象，既高度准确又广泛地适用。

众所周知，常规相测量挠度测定法（PMD）以其高精度和精确度而闻名，并且被广泛用于高端应用中，以检查光镜和望远镜镜子或检测汽车体中的缺陷。但是，PMD也面临挑战。

光学科学副教授，3DIM实验室主任和研究首席研究员Florian Willomitzer解释说：“尤其是，PMD遭受了固有的歧义问题。克服这些挑战通常需要其他硬件或有关对象的形状和距离的先验知识 - 限制PMD的一般使用的灵活性。

他说：“另一方面，极化（SFP）的形状是计算机视觉社区中建立的3D成像方法，它非常灵活。” “但是，某些几何假设限制了其准确性。这将方法限制在准确性要求或纯粹定性检查案例的应用中。”

弥合光学3D计量学与计算机视觉研究之间的差距

该团队的新技术融合了PMD和SFP的优势，同时克服了弱点。可以通过极化线索利用几何信息，可以准确地重建镜子的表面形状和正常场 - 而无需先验了解对象，复杂设置或有关成像模型的特定假设。

该研究的第一作者兼首席研究员Jiazhang Wang说：“我们开发了一种数学上严格和创造性的方法来结合这两组信息。” “这导致了一种新颖的测量技术，该技术可以准确地确定物体的形状和表面正常状态，而没有典型的歧义，从而确保了高准确性和广泛的适用性。本质上，我们的新方法正在弥合光学3D计量学和计算机视觉之间的当前技术差距。”

单杆3D重建：朝着实践运动射击测量的飞跃

传统的PMD和SFP是“多拍”方法，需要连续捕获8至30个或更多的相机图像，以重建一个单个3D模型，使其非常容易受到运动伪像。

Wang解释说：“此序列中最小的运动引入了严重的重建误差，并使结果无法使用。” “通过将新颖的硬件设计与高级重建算法集成在一起，我们的方法现在可以从一个单个相机图像中提取所有必需的信息。这可以实现实时，手动指导的测量和动态场景的高速成像。”

Wang，Willomitzer和合着者Oliver Cossairt是Willomitzer's and Wang的电气和计算机工程兼职副教授，以及Wang的先前机构西北大学，分享了他们对这项研究可能性的兴奋。

王说：“对于运动鲁棒性至关重要的应用，单发能力是一种至关重要的进步，例如在传送带上测量快速移动零件或通过手动引导传感器进行扫描对象。”

推动下一代3D传感器的极限

这项研究的一个关键方面是理解和分析3D成像对镜面表面的当前局限性，并使用这些知识来开发一种传感器概念，该概念克服了这些挑战，同时建立了当前PMD和SFP方法的优势。

威利米策得出的结论是，这种应对当前成像挑战的方式远远超出了测量镜面表面的“镜子之屋”问题。

他说：“这种心态与我们实验室的核心主题之一紧密相符。” “我们努力探索和利用物理和信息理论限制，以发明，开发和建立下一代计算3D成像系统。”