超越模糊反射：桥接光学 3D 计量和计算机视觉

快速阅读: 据《科学日报》最新报道，研究人员提出一种新方法，结合相位测量偏折法和基于偏振的形状恢复法，大幅提升镜面物体三维成像精度。新技术从单张图像提取信息，实现实时测量，突破传统方法局限，为跨学科应用铺路。

这项挑战同样存在于科学和工程领域，其中对镜面表面进行高精度三维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。尽管已有专门技术，但其固有限制往往将其应用局限于狭窄领域，难以广泛应用于跨学科。在3月27日发表于《光学学报》的一项研究中，来自亚利桑那大学Wyant光学科学学院计算三维成像与测量（3DIM）实验室的研究人员提出了一种新方法，显著提升了镜面表面三维成像技术。他们的方法巧妙融合了两种已建立技术的信息——相位测量偏折法（PMD）和基于偏振的形状恢复法（SfP），这两种技术分别在光学三维计量学和计算机视觉研究中被广泛应用。在新方法中，这两种技术的优势以一种前所未有的方式相互补充，为高度准确且广泛应用的镜面物体三维成像开辟了道路。

利用偏折测量中的几何信息与偏振线索，该团队能够精准重建镜面物体的表面形状及其法向量场，而无需先验知识、复杂设置或特定的成像模型假设。正如威尔莫泽尔实验室的博士后研究员、该研究的第一作者兼首席研究员王佳章所述：“我们开发了一种数学严谨且富有创意的方法来结合这两组信息，从而产生一种新的测量技术，能准确确定物体的形状与表面法线，避免典型歧义，确保高精度与广泛应用性。简而言之，我们的新方法正在弥合当前技术在光学三维计量学与计算机视觉之间存在的差距。”

传统PMD和SfP均为“多帧”方法，需连续捕捉8至30或多张相机图像以重建单一三维模型，这使它们极易受运动伪影影响。王解释道：“这一过程中的任何微小移动都会引入严重重建错误，使结果不可用。”通过结合新颖硬件设计与先进重建算法，该方法如今可从一张单独的相机图像中提取所有必要信息，从而实现实时手持测量与动态场景的高速成像。

王、威尔莫泽尔及共同作者奥利弗·科萨特，西北大学电气与计算机工程系的兼职副教授，对这项研究的潜力感到兴奋。王表示：“单次拍摄能力对于运动鲁棒性至关重要的应用至关重要，例如测量传送带上的快速移动部件或用手持传感器扫描物体。”推动下一代三维传感器的性能边界。

这项研究的关键方面在于理解并分析当前镜面表面三维成像的局限性，并利用这些知识开发一种传感器概念，克服这些挑战，同时充分利用现有PMD和SfP方法的优势。威尔莫泽尔总结道，这种解决当前成像难题的方式远不止于“镜子屋”问题的镜面表面测量。他指出：“这种思维方式与我们实验室的核心理念高度契合。我们致力于探索并利用物理与信息理论的极限，研发并构建下一代计算三维成像系统。”

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