張漫 張小清

摘 要

在高職信息教育中，如何提高學(xué)生的興趣是每個老師需要考慮的。通過開設(shè)小型物件三維重建課程改變課堂教學(xué)方式，讓學(xué)生了解、參與到整個三維重建過程中，在制作過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂效率。

關(guān)鍵詞

三維重建;課堂教學(xué)

中圖分類號： G712 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.029

0 引言

在傳統(tǒng)的信息科學(xué)教學(xué)中，教師注重的是基本原理的講解，讓學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)知識，學(xué)生短時間內(nèi)對信息科學(xué)難以形成良好的直觀印象，教學(xué)的初期不容易引起學(xué)生主觀興趣，進(jìn)而影響課堂的授課效果。

近年來，隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展，三維立體模型廣泛用于多種生活、生產(chǎn)領(lǐng)域，人們對小型物件三維立體模型的需求進(jìn)一步擴大，然而現(xiàn)有三維立體模型主要使用各種昂貴的專業(yè)設(shè)備對目標(biāo)進(jìn)行高精度測量，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)字化處理，顯然這種方式難以滿足普通用戶的現(xiàn)實需求。因此，有必要發(fā)展使用簡易數(shù)據(jù)采集方式，利用普通設(shè)備提取物件三維立體模型的方法。

日常生活中，數(shù)碼相機以及攝影機已經(jīng)隨處可見，可以方便地拍攝對應(yīng)物件的照片，記錄對應(yīng)物件某個方向的投影，且拍攝結(jié)果易于計算機讀取。如果能利用照片這種二維圖像進(jìn)行三維模型重建，并從圖像中為三維結(jié)構(gòu)模型提取紋理信息，就能構(gòu)建具有真實紋理特征的三維立體模型，便于物件的數(shù)字化管理及其后續(xù)三維打印輸出。

基于照片的小型物件三位重建技術(shù)，僅需使用數(shù)碼相機或者攝像機拍攝被測物的二維圖像，用計算機視覺算法來提取對應(yīng)物件的三維模型，具有真實、快捷、簡便的優(yōu)點。可以說，如何有效利用日常設(shè)備所獲取的二維照片，使用日常計算機實現(xiàn)照片到三維模型的轉(zhuǎn)換，是現(xiàn)今計算機圖像研究領(lǐng)域的重要方向之一。因此，可以在教學(xué)中有效利用先進(jìn)多種成型的商業(yè)軟件，在課堂中展示信息獲取技術(shù)與計算機圖形處理技術(shù)在生活中應(yīng)用，吸引學(xué)生對計算機科學(xué)技術(shù)的興趣。

1 小型三維模型建模方法及其效果

通過對小型物件的實時三維重建，吸引學(xué)生對計算機與信息科學(xué)的興趣，提高授課效率。實際課堂中，對小型物件從多個視角拍攝高分辨率照片后，利用相片間同名點的空間幾何關(guān)系反演相片間的空間姿態(tài)關(guān)系，進(jìn)而利用多視立體匹配算法提取物件表面三維點云，刪除雜點后構(gòu)建三角網(wǎng)提取物件表面模型，隨后將每個三角形返回原始相片提取相應(yīng)紋理，完成小型物件的三位重建研究，實現(xiàn)二維相片到三維立體模型的自動化建模過程。

本文使用一只常見的戶外鞋子為目標(biāo)進(jìn)行了三維建模過程。我們使用Iphone8 plus手機，采集了58張從不同角度拍攝的照片，以Agisoft Metashape軟件為載體，進(jìn)行了目標(biāo)的三維重建，如圖1所示。

如圖1所示，圖1（a）顯示了本文所用的58張二位照片，圖1（b）顯示了58張照片空間位置及其稀疏點云計算結(jié)果，而圖1（c）給出了密集點云重建結(jié)果，圖1（d）給出了戶外鞋的三維重建結(jié)果，可見三維重建結(jié)果與實物基本一致，拍攝照片與目標(biāo)間的拍攝距離、方位也與實際拍攝情況一致，且建模過程較為簡單，給學(xué)生直觀的結(jié)果顯示。

2 教學(xué)中的應(yīng)用與效果

在技術(shù)演示中，需要與學(xué)生面對面完成照片三維重建中所需進(jìn)行的各項處理步驟，從視覺效果上演示每一步的效果。對小型物件從多個視角拍攝高分辨率照片后，利用相片間同名點的空間幾何關(guān)系反演相片間的空間姿態(tài)關(guān)系，進(jìn)而利用多視立體匹配算法提取物件表面三維點云，刪除雜點后構(gòu)建三角網(wǎng)提取物件表面模型，隨后將每個三角形返回原始相片提取相應(yīng)紋理，完成小型物件的三位重建研究，實現(xiàn)二維相片到三維立體模型的自動化建模過程。

從建模對象選取到模型建立，學(xué)生可以全程參與建模的全過程，了解小型物件三維重建的處理過程，構(gòu)建生活中常見的目標(biāo)。建模對象可以是生活中的常見小型物品，如書包、運動鞋等生活必須品，但是沒有觀察過這些物品的空間尺寸、紋理等細(xì)節(jié)問題，僅僅是在日常生活中下意識使用這些物品。在學(xué)生的理解中，大部分人對三維物體與三維重建僅僅停留在電影中展現(xiàn)出來的特技效果，潛意識中認(rèn)為這些信息科學(xué)技術(shù)離他們較遠(yuǎn)，但是利用相片重建三維模型的過程中，他們近距離親手采集照片、構(gòu)建模型，了解信息科學(xué)的魅力。

應(yīng)該來說，學(xué)生現(xiàn)在都有采集數(shù)字照片的基本設(shè)備與能力，在日常的生活中進(jìn)行了大量的拍攝過程，有豐富的經(jīng)驗。在本項目實驗中，學(xué)生可以選取書包、玩偶、運動鞋等多種小型物件，基于前文所限定的照片采集方式，針對不同的物件，采用不同的相片拍攝模式，親手獲取實驗所需要的照片。在具體的照片采集過程，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)物件存在透明、反光、弱紋理等現(xiàn)象，這些會導(dǎo)致三維重建結(jié)果出現(xiàn)重大問題，會產(chǎn)生特征點少、紋理錯位等現(xiàn)象，直接影響最終的三維模型效果，這將進(jìn)一步刺激學(xué)生從源頭上分析問題解決問題，最終引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

在建模過程中，學(xué)生可以看到圖像與目標(biāo)對象間的空間關(guān)系，當(dāng)學(xué)生回憶起拍攝時相機與目標(biāo)之間的拍攝過程，可以直接建立起照片與目標(biāo)對應(yīng)的基本映像，盡管學(xué)生并不明白其中具體的算法過程，但是通過直觀的圖像演示，可以幫助學(xué)生建立起照片空間關(guān)系恢復(fù)過程在思維上的認(rèn)同感，同時直接關(guān)聯(lián)到學(xué)生前期所參與的照片拍攝工作，從而有效提升學(xué)生的課程代入感。

在進(jìn)一步進(jìn)行小型物件的建模過程中，學(xué)生會看到具體的物件是如何在計算機中一步一步計算出來，并且自動貼上真實的紋理，當(dāng)他們對比計算機三維重建結(jié)果與真實對象時，會發(fā)現(xiàn)計算機三維重建結(jié)果已經(jīng)能夠清晰展現(xiàn)目標(biāo)對象，從而讓學(xué)生從心理上認(rèn)同三維重建技術(shù)。Agisoft Metashape軟件的簡易使用，也能讓學(xué)生在課后反復(fù)實驗，在多次的使用與觀察中，一步一步提升學(xué)生對信息科學(xué)技術(shù)的興趣與認(rèn)同感。

3 結(jié)論

綜上所述，基于照片的三維重建技術(shù)，在課堂中展示信息獲取技術(shù)與計算機圖形處理技術(shù)在生活中應(yīng)用，吸引學(xué)生對計算機科學(xué)技術(shù)的興趣。相關(guān)建模過程可以提升教師的理論應(yīng)用能力和軟件使用能力，也有助于加深高職信息類學(xué)生對信息科學(xué)的理解，增強對所學(xué)理論知識的認(rèn)知，拓寬學(xué)生對計算機科學(xué)的認(rèn)識。

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