Reconstruction of 3D object's surface image using linear beam

Abstract

This dissertation investigates issues relevant to virtualization of a real 3D object – that is, producing a model of the object from its image data, and then visualizing this model as an image seen on the computer screen The object of investigation is methods and algorythms for reconstruction of a complex geometric shape from a number of unorganised point sets in to electronic form. Unorganised point sets are obtained by scanning the 3d object from defferent points of view. The choise of the complex oject is made so that it can not be described by a simple mathematical expression. To attain the aim, the following tasks were put forward: developing a model for a source of linear beam (scanner) and generating an unorganized point set that approximates the object scanned, filtering the unorganized point set and aggregating the unorganized point set to build an entire image of the object and reconstruct its surface. The aim of this work was to reconstruct the surface image of a 3D object using linear beam. This aim was sought by modifying the existing methods, or proposing new methods, and evaluating the accuracy of the reconstruction using statistical techniques The work consists of the general characteristic, four chapters, conclusions, list of literature and list of publications. The first section reviews the human visual system, computer vision and three-dimensional imaging technologies. The second section is addressed to a problem of linear beam’s centreline extraction in 2d image data and unorganised point set formation by rotating object around vertical axis as wel as moving plane of the beam. The third section deals with pre-processing and filtering the object’s unorganised point set using octree hierarchial data structure. Finaly the fourth section describes the merging of several unirganised point sets it to one unique representation and object’s 3d surface reconstruction. The total scope of the dissertation – 94 pages, 34 equations 54 pictures and 6 tables. The dissertation is based on 102 references of other authors. Main results of the dissertation were published in 7 scientific papers, 4 of which appeared in peer-reviewed scientific journals. Results were also presented in 8 scientific conferences in Lithuania and abroad.

Šioje disertacijoje nagrinėjamas realaus trimačio objekto virtualizavimas – t. y. objekto paviršiaus modelio sukūrimas iš skenuotų vaizdų aibės, po to vizualizuojant šį modelį atvaizdo kompiuterio monitoriaus ekrane pavidalu. Tyrimų objektas – sudėtingos geometrinės formos erdvinio objekto paviršiaus atkūrimo elektroniniu pavidalu iš keleto nestruktūrizuotų taškų rinkinių, gautų nuskaitant objektą skirtingomis apžvalgos kryptimis, metodai ir algoritmai. Sudėtinga objekto forma pasirinkta tam, kad jos nebūtų galima perteikti paprasta matematine išraiška. Erdvinio objekto virtualizavimo procesą galima išskaidyti į šiuos keturis etapus: nestruktūrizuotų taškų rinkinio formavimą, filtravimą, apjungimą ir rekonstravimą. Pirmojo etapo metu, naudojant optinius jutiklius ir kontaktinį skaitymo metodą, objektas nuskaitomas skirtingomis apžvalgos kryptimis, taip gaunant keletą objekto paviršiaus nestruktūrizuotų taškų rinkinių. Antrame etape pašalinami taškai, atsiradę dėl optinių iškraipymų, atspindžių ir šešėlinių sričių įtakos. Trečiame etape atskiri taškų rinkiniai apjungiami į visumą. Paskutinis etapas skirtas erdvinio objekto paviršių aproksimuojančiam tinkleliui gauti. Pagrindinis šio darbo tikslas buvo rekonstruoti erdvinio objekto paviršiaus atvaizdą, objektą apšviečiant linijiniu šviesos pluoštu. Šio tikslo buvo siekiama tobulinant esamus metodus arba kuriant naujus, o taip pat statistiniais metodais vertinant rekonstrukcijos tikslumą. Disertacijos aiškinamąjį raštą sudaro keturi skyriai. Pirmame skyriuje analitiškai apžvelgiama žmogaus regos sistema, kompiuterinė rega ir trimačių atvaizdų formavimo technologijos. Antrame skyriuje nagrinėjami būdai linijinio šviesos pluošto pėdsako dvimačiuose atvaizduose centrui rasti, sukant skaitomąjį objektą aplink vertikalią ašį ir taip pat keičiant skaitytuvo plokštumos padėtį erdvėje. Šiame skyriuje taip pat siūloma, kaip taikyti tokią metodiką disertacijos uždaviniams spręsti. Trečiame skyriuje aptariamas nestruktūrizuotų taškų rinkinių, aproksimuojančių nuskaitytojo objekto paviršių, pirminis apdorojimas ir filtravimas, taikant aštuntainio medžio struktūrą. Ketvirtame skyriuje aprašomas viso erdvinio objekto paviršiaus atvaizdo rekonstravimas, apjungiant nestruktūrizuotų taškų rinkinius. Darbo apimtis – 94 puslapiai, kuriuose pateikta: 34 formulės, 54 paveikslai ir 6 lentelės. Disertacijoje remtasi 102 kitų autorių literatūros šaltiniais. Disertacijos tematika paskelbti 7 straipsniai, iš kurių 4 straipsniai paskelbti recenzuojamuose mokslo žurnaluose. Rezultatai viešinti 8 mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir užsienyje.