利用 3D 物体扫描提高复杂结构的清晰度和深度感知

Josiah02

三维 (3D) 扫描（尤其是摄影测量和激光扫描）的最新进展使得快速准确地扫描现实世界中的复杂 3D 物体成为可能。这些技术通过收集大规模点云数据来生成详细模型，通过数百万个单独的点来表示物体的表面几何形状。
这项技术可应用于不同领域，例如文化遗产的 3D 扫描。通过以数字格式保存这些物品，研究人员可以更深入地分析它们的结构。然而，数据的复杂性通常很高，尤其是当扫描的物体具有内部 3D 结构（如粗糙边缘）时。
边缘突出显示可视化是一种通过强调物体的边缘来提高复杂 3D 结构清晰度的技术，使其形状和结构更易于区分。然而，现有的方法在应用于高度复杂的物体时会遇到困难。这些方法绘制了太多线条，从而损害了分辨率和深度感知，从而降低了清晰度。
为了应对这些挑战，由田中聪教授领导的跨国研究团队与立命馆大学信息科学与工程学院的山田由里女士、高鸟聪博士和李亮教授一起开发了一种创新方法。
Tanaka 教授在详细阐述他们的研究时解释道：“提取和可视化 3D 边缘的传统方法主要集中在尖锐边缘上。然而，许多现实世界中的物体除了尖锐边缘外，还包含许多软边缘，而这些边缘没有得到充分的体现。我们的方法引入了两项关键创新：双重 3D 边缘提取，分别提取软边缘和尖锐边缘；不透明度-颜色渐变，通过颜色和不透明度的变化增强软边缘的清晰度。”这些研究结果于 2024 年 10 月 9 日发表在《遥感》杂志上。
这种新颖的可视化方法基于双边缘 3D 边缘提取和不透明度 - 颜色渐变。双边缘 3D 提取技术通过对尖锐边缘和软边缘使用两个不同的特征值阈值来独立处理 3D 对象的尖锐边缘和软边缘。​​同时，不透明度 - 颜色渐变技术同时将不透明度和颜色的渐变应用于软边缘。此过程使软边缘具有更清晰、更细的线条，从而有效地突出 3D 结构的复杂和错综复杂的细节。
此外，它还引入了“光晕效果”，可以部分隐藏图像背景的边缘，从而显著增强深度感知。此效果还可以通过用柔和的边缘突出轮廓来提高锐利边缘的分辨率。
研究人员通过将这项技术应用于真实的 3D 点云数据（包括具有高文化价值的文化遗产对象）来测试该技术。结果表明，所提出的边缘突出显示可视化技术可以清晰、易懂地呈现整个 3D 结构。
值得注意的是，双边缘 3D 提取所需的计算时间与传统的二进制统计边缘提取方法相当，而不透明度 - 颜色渐变的可视化可以以交互式渲染速度执行。此外，该技术提供了更有效的“透视”效果，取代了用于研究 3D 物体内部结构的传统透明可视化。此外，将该技术应用于传统的透明可视化也是有效的。
“我们的 3D 边缘提取方法不仅仅是一种改进，而是一种扩展技术，可以捕捉传统方法未覆盖的区域。对于考古学家和历史学家来说，这种工具为文化遗产对象的专业视觉分析开辟了新的可能性。对于普通民众来说，它提供了对历史文化遗址的更深入了解，是一种增强博物馆和美术馆展览的技术，”田中教授谈到他们研究的潜力时说道。
这项创新技术极大地推进了3D 扫描物体的可视化，促进了对文化遗产的更好地理解和保存。