小型物件三维重建及其在高职信息教育中的作用

张漫 张小清

摘 要

在高职信息教育中，如何提高学生的兴趣是每个老师需要考虑的。通过开设小型物件三维重建课程改变课堂教学方式，让学生了解、参与到整个三维重建过程中，在制作过程中进行学习，提高学生的学习兴趣和课堂效率。

关键词

三维重建;课堂教学

中图分类号： G712                文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.029

0 引言

在传统的信息科学教学中，教师注重的是基本原理的讲解，让学生掌握扎实的基础知识，学生短时间内对信息科学难以形成良好的直观印象，教学的初期不容易引起学生主观兴趣，进而影响课堂的授课效果。

近年来，随着三维打印技术的发展，三维立体模型广泛用于多种生活、生产领域，人们对小型物件三维立体模型的需求进一步扩大，然而现有三维立体模型主要使用各种昂贵的专业设备对目标进行高精度测量，进而进行数字化处理，显然这种方式难以满足普通用户的现实需求。因此，有必要发展使用简易数据采集方式，利用普通设备提取物件三维立体模型的方法。

日常生活中，数码相机以及摄影机已经随处可见，可以方便地拍摄对应物件的照片，记录对应物件某个方向的投影，且拍摄结果易于计算机读取。如果能利用照片这种二维图像进行三维模型重建，并从图像中为三维结构模型提取纹理信息，就能构建具有真实纹理特征的三维立体模型，便于物件的数字化管理及其后续三维打印输出。

基于照片的小型物件三位重建技术，仅需使用数码相机或者摄像机拍摄被测物的二维图像，用计算机视觉算法来提取对应物件的三维模型，具有真实、快捷、简便的优点。可以说，如何有效利用日常设备所获取的二维照片，使用日常计算机实现照片到三维模型的转换，是现今计算机图像研究领域的重要方向之一。因此，可以在教学中有效利用先进多种成型的商业软件，在课堂中展示信息获取技术与计算机图形处理技术在生活中应用，吸引学生对计算机科学技术的兴趣。

1 小型三维模型建模方法及其效果

通过对小型物件的实时三维重建，吸引学生对计算机与信息科学的兴趣，提高授课效率。实际课堂中，对小型物件从多个视角拍摄高分辨率照片后，利用相片间同名点的空间几何关系反演相片间的空间姿态关系，进而利用多视立体匹配算法提取物件表面三维点云，删除杂点后构建三角网提取物件表面模型，随后将每个三角形返回原始相片提取相应纹理，完成小型物件的三位重建研究，实现二维相片到三维立体模型的自动化建模过程。

本文使用一只常见的户外鞋子为目标进行了三维建模过程。我们使用Iphone8 plus手机，采集了58张从不同角度拍摄的照片，以Agisoft Metashape软件为载体，进行了目标的三维重建，如图1所示。

如图1所示，图1（a）显示了本文所用的58张二位照片，图1（b）显示了58张照片空间位置及其稀疏点云计算结果，而图1（c）给出了密集点云重建结果，图1（d）给出了户外鞋的三维重建结果，可见三维重建结果与实物基本一致，拍摄照片与目标间的拍摄距离、方位也与实际拍摄情况一致，且建模过程较为简单，给学生直观的结果显示。

2 教学中的应用与效果

在技术演示中，需要与学生面对面完成照片三维重建中所需进行的各项处理步骤，从视觉效果上演示每一步的效果。对小型物件从多个视角拍摄高分辨率照片后，利用相片间同名点的空间几何关系反演相片间的空间姿态关系，进而利用多视立体匹配算法提取物件表面三维点云，删除杂点后构建三角网提取物件表面模型，随后将每个三角形返回原始相片提取相应纹理，完成小型物件的三位重建研究，实现二维相片到三维立体模型的自动化建模过程。

从建模对象选取到模型建立，学生可以全程参与建模的全过程，了解小型物件三维重建的处理过程，构建生活中常见的目标。建模对象可以是生活中的常见小型物品，如书包、运动鞋等生活必须品，但是没有观察过这些物品的空间尺寸、纹理等细节问题，仅仅是在日常生活中下意识使用这些物品。在学生的理解中，大部分人对三维物体与三维重建仅仅停留在电影中展现出来的特技效果，潜意识中认为这些信息科学技术离他们较远，但是利用相片重建三维模型的过程中，他们近距离亲手采集照片、构建模型，了解信息科学的魅力。

应该来说，学生现在都有采集数字照片的基本设备与能力，在日常的生活中进行了大量的拍摄过程，有丰富的经验。在本项目实验中，学生可以选取书包、玩偶、运动鞋等多种小型物件，基于前文所限定的照片采集方式，针对不同的物件，采用不同的相片拍摄模式，亲手获取实验所需要的照片。在具体的照片采集过程，学生会发现物件存在透明、反光、弱纹理等现象，这些会导致三维重建结果出现重大问题，会产生特征点少、纹理错位等现象，直接影响最终的三维模型效果，这将进一步刺激学生从源头上分析问题解决问题，最终引导学生主动学习。

在建模过程中，学生可以看到图像与目标对象间的空间关系，当学生回忆起拍摄时相机与目标之间的拍摄过程，可以直接建立起照片与目标对应的基本映像，尽管学生并不明白其中具体的算法过程，但是通过直观的图像演示，可以帮助学生建立起照片空间关系恢复过程在思维上的认同感，同时直接关联到学生前期所参与的照片拍摄工作，从而有效提升学生的课程代入感。

在进一步进行小型物件的建模过程中，学生会看到具体的物件是如何在计算机中一步一步计算出来，并且自动贴上真实的纹理，当他们对比计算机三维重建结果与真实对象时，会发现计算机三维重建结果已经能够清晰展现目标对象，从而让学生从心理上认同三维重建技术。Agisoft Metashape软件的简易使用，也能让学生在课后反复实验，在多次的使用与观察中，一步一步提升学生对信息科学技术的兴趣与认同感。

3 結论

综上所述，基于照片的三维重建技术，在课堂中展示信息获取技术与计算机图形处理技术在生活中应用，吸引学生对计算机科学技术的兴趣。相关建模过程可以提升教师的理论应用能力和软件使用能力，也有助于加深高职信息类学生对信息科学的理解，增强对所学理论知识的认知，拓宽学生对计算机科学的认识。

参考文献

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