文摘

这项研究的目的是改善冰雕的结构修复和设计。本研究探讨了冰雕刻的概念和艺术表现基于视觉传感技术的相关理论知识和三维重建技术。在此基础上,冰雕结构修复和基于multivision传感器的设计模型和三维重建技术是构造,和模型是相对于手动测试。结果表明,冰雕基于multivision传感器结构修复和设计模型和三维重建技术是可行的,具有较高的效率和稳定性与人工冰雕恢复。实验的结构重建和恢复一个冰雕,手动组1花237分钟,手动组2花252分钟,并由模型组所花费的时间是非常稳定的,大概是139分钟。由于手工组人员的不同,他们的雕刻时间也不同。随着雕刻的继续,由两个手动组错误的可能性增加。因此,冰雕结构修复和设计基于multivision传感器和三维重建技术的研究将提供一个参考的冰雕结构修复和设计。

1。介绍

近年来,冰雪的艺术在中国发展迅速。随着时代的进步,只能看到冰雕在北部地区介绍了温暖的地区。多年来,人们在黑龙江发达冰雕刻的艺术在冰雪的季节。简单和按时的冰块在黑龙江不再仅仅是用于储存易腐食品也已经成为人们获得乐趣的工具。随着时代的进步,人们对精神文化生活的追求越来越高,这独特的艺术活动也迅速发展。与此同时,这个曾经在哈尔滨也已成为国际流行的娱乐。的独特魅力的组合工艺和照明艺术吸引了许多艺术家。冰雕塑不再局限于其简单的雕刻开始但是已经发展成为一个新的艺术行为结合各种艺术系统。无数细的艺术作品出现在冰上表演,和许多学者想再现这些hard-to-make-permanent艺术品。

拉菲和Ekram1)提出了一个简单的低复杂度块树编码,从而降低整体记忆和图像编码的复杂性,和内存需求和复杂性远远低于其他类型的编码算法。这使得图像编码器适用于内存受限和实时视觉传感器网络(1]。泰杰西等人成功重建的三维解剖结构男性盆底通过三维重建技术,包括膀胱、尿道海绵,前列腺癌,骨(2]。Bharath Hote相信三维重建有助于规划和预后的肺静脉的所有长度的改进并提供儿童肺静脉造影图像的三维重建三月份,显示主要的结构肺静脉狭窄(3]。伊凡et al。4)指出,数字复制的艺术作品属于文化遗产是一个创新领域的展览和介绍了基于可视化的移动设备。图像几何处理完成后,生成更精确的三维模型,以及类似的展览案例研究(4]。杨等人提出了一个三维重建算法基于单管焊缝射线图像,可以准确、有效地重构基于一个二维的焊缝三维管道焊缝射线图像,并实现准确识别焊缝结节的根源管道(5]。张等人认为,三维重建技术是有利于更好地理解重要的解剖结构,并应用于误诊Morgagni疝(MH)的病人,和疾病是成功地检测到6]。吴等人提出了一种基于三维重建桥梁振动测量方法,可有效克服固定参考点和目标点的限制必须共面单应性校正(7]。胡锦涛et al。(8)设计了一种预测模型对大脑图像处理和脑疾病的诊断。确保能源消耗的前提下,该模型比其他模型具有更高的精度,更明显的去噪效果,最佳分割识别效果,提供了实验依据特征识别和预测诊断的脑图像(8]。刘等人描述单一铅的最新方法筛选心房颤动心电图波和讨论潜在的因素,可能有助于筛查来自单一铅的心房颤动心电图波(9]。广域网等人建造了一个大脑图像融合数字双诊断和预测模型基于semisupervised支持向量机和改善AlexNet提供精度高、良好的加速效率,和良好的分割和识别性能较低的错误,并提供实验依据的大脑图像特征识别和数字诊断(10]。

上面的文献表明,三维重建技术非常适用于结构的重建和恢复,但是没有相关的三维重建技术研究冰雕的结构修复和设计。由于冰雕的性质是不容易保存,冰雕刻的概念和艺术表达讨论了基于视觉传感技术的相关理论和三维重建技术。在此基础上,冰雕结构的修复和设计模型基于multivision传感器和三维重建技术是构建并与冰雕结构的修复和设计人工实验。三维重建技术是创新应用于结构和重建的冰雕,视觉传感技术的应用领域和三维重建技术扩展,提供一个参考的研究领域的结构性复苏和冰雕设计和冰雕刻的快速发展做出有益的贡献。

2。视觉传感、三维重建和冰雕

2.1。视觉传感技术

视觉传感技术在许多领域可以解决许多问题。与生物视觉系统相比,视觉传感技术可以应用于恶劣环境中许多生物无法适应。其快速、准确直观的优点使其在许多领域杰出的结果。各种传感技术的迅速发展,其在各个领域的重要作用逐渐体现。当前视觉传感技术主要包括下列内容11]。

激光扫描成像技术可以估计出物体之间的距离,测量所需的时间发出激光返回传感器在对象。所使用的振荡机制,二维和三维扫描周围的环境可以实现通过扫描在多个方向。与其他传感技术相比,激光扫描成像技术具有广泛的测量,可应用于温和的室内环境与室外环境有更多的不稳定因素。和激光成像技术测量误差小和高采样率,这使得它有用的在动态成像环境中。但与此同时,激光扫描成像技术也有很多的局限性。例如,阴霾、降雨等天气条件会影响其扫描的准确性。此外,由于激光的特点,电力消耗的扫描成像技术基于它不应该被低估,和设备的成本是很高的。这些因素导致某些限制广泛使用的激光扫描成像技术。目前,激光扫描成像技术的应用体现在特征提取,提取和点或线。在这个过程中,有两种方法,即使用图像处理手段来处理二维图像或处理的数据点在空间数据点; semantic annotation and segmentation are needed to accurately segment points to each specific entity to identify specific entities in space. This process takes a lot of time with human beings, so the workload is reduced and the efficiency of semantic segmentation is achieved by combining with deep learning technologies, such as the recurrent neural network and the convolutional neural network, to achieve the efficiency of semantic segmentation. The entity is monitored to accurately locate in three dimensions, and the contour of the entity is described from the data point of the entity. This technology can be applied to the front-end AI field to promote the development of intelligence. In the current situation, mobile laser scanning technology is widely used in building modeling and other fields. It plays an irreplaceable role in the three-dimensional modeling of various urban environments [12,13]。

在大动态范围光学成像,所谓的大动态成像系统一般包括图像信息采集、信息处理、信息存储和图像显示。动态范围超过80 dB使其获得更复杂的图像。大动态范围光学成像可以通过调制入射光与基于探测器和处理各种方法获得的数据。类似于激光扫描技术、大动态范围的光学成像技术也可以结合深度学习技术,使加工过程更加智能和方便。此外,大动态范围光学成像还可以用于图像融合和色调映射。为核心的大动态范围的光学成像,图像重建包括图像融合,重建和色调映射。值得注意的是深度学习技术也可以应用于图像融合和色调映射。目前,大动态范围光学成像应用于多个场景,如智能手机、相机、显微镜,在尖端领域扮演着重要的角色像生物学和航空航天14]。

传统的成像技术围绕着辐射强度和光谱和图像信息的识别能力是有限的。作为一种新的光学成像技术、偏振成像技术和传感技术围绕极化信息的辐射。在偏振成像技术和传感技术,实体可以恢复的相对深度利用极化和影子约束。这种方法摆脱传统的重建方法的局限性如光源和噪音。它可以描述形状,材料,和其他检测对象的特征和有一个更准确的识别能力。因此,偏振成像技术和传感技术应用于生物学,表现出良好的适应性(15]。

海洋声层析是利用声波扩散阶段和振幅的关系,通过断层扫描来实现图像生成。通过对象的分层成像、海洋声学断层扫描可以测量海水流和海水温度在一个大区域很长一段时间,预测它在一定程度上完成海洋环境变化的监测。在此基础上,海洋声层析可以用来观察全球变暖的问题。它可以成功地观察洋流的变化温度监测海流运动的趋势及其温度在一个大盆,和全球变暖的速度可以通过比较数据。与原位测量相比,海洋声层析成象可以收集和汇总信息在大型海洋空间,及其监测时间更长。此外,海洋声层析也有所有视觉传感技术的优点,可用于特殊环境中生物无法适应(16]。

2.2。三维重建技术

目前,3 d建模应用于各领域,如建筑和医学和扮演重要的角色。开发3 d建模结合multivision在这种情况下(17]。以下将讨论multivision的三维建模。

2.2.1。相机模型

摄像机模型基于多个坐标系统,如图1。


图1
基本的坐标系统。

通过感光芯片,相机可以捕捉到光信号的实体,和相应的图像可以被转换为数字格式处理。每个像素转换成相应的元素和存储在矩阵。相机成像的原理图所示2。在现实世界中实体后投影到二维平面上,相应的图像信息。


图2
相机成像原理。

这个透视投影模型可以解释相机项目实体在现实世界中一个二维平面上,物理实体的坐标位置转换为摄像机坐标系中的坐标点,然后变换点在摄像机坐标系的坐标点在平面上。在调整大小和位置,位置在图像坐标系统,完成成像。

2.2.2。多视图几何

从多个角度研究的多个图像捕获,对极几何介绍,这是一个理论从多个角度描述多个图像之间的关系。通过这个理论,相机的位置角可以准确地发现,然后,估计的中点坐标系统,这是一个重要手段重建技术(18- - - - - -21]。这两种观点之间的关系如图3。


图3
两个视图几何关系。

的观点是,相机项目同一点在两个不同的角度。极平面上的两个摄像头与相平面相交,并且每个极线图像投影显示在其他相机,相机项目对象。几何投影的两个视图,需要注意的是,一个点上获得的图像对应极线图像,如果多点在同一平面上,可能会有一个对应的关系将其映射到另一个视图。

在这里,选择 对应点的匹配来完成两架飞机 和 并得到以下方程。

在这里, , ,和 和 分别是横坐标和纵坐标;根据投影关系,方程(2)可以获得。 是相机的内部参数矩阵, 和 摄像机的运动, 和 参数, 和 是飞机。最小二乘法用于优化,如以下所示的方程。 是相机的内部参数矩阵, 和 摄像机的运动, 和 参数, 和 是飞机, 是一个参数。这里的观测方程给出下面的方程所示。 是这个投影的坐标点位置, 是构成, 是一个路标。以下所示的观测误差方程。 是错误, 是这个投影的坐标点位置, 建议二次投影的结果, 意味着投影函数, 表明一个3 d点。然后,优化功能可以获得如下。 的姿势, 是一个3 d点, 和 参数, 是生成的数据, 是错误, 意味着投影函数, ,和 。

2.2.3。摄像机标定

常用的相机,它的参数通常是固定的,在很长一段时间内不会改变。如果这些内部或外部参数可预先校准,其计算过程可以减少很多。摄像机校准可分为两类根据是否使用参考。第一类是一个更传统的标定方法,用于检测地标在飞机上计算相机参数。不同的校准结果可以根据不同的校准工具使用,取决于校准工具的准确性(22]。常用的校准工具类似于棋盘,及其校准结构如图4。


图4
棋盘校准的结构。

通过这个棋盘校准工具,相机是用来从不同的角度拍摄,然后,图像处理获取坐标的值在棋盘上的十字路口。假设图像是正常的,内部和外部参数计算。然后,使用最小二乘法计算实际失真,和相机校准完成。另一个是相机的自校准。这种校准不需要校准工具的使用,和相机的内部和外部参数自动分析和计算得到的图像之间的相似点在不同的角度。由于缺少校准工具,这种标定方法的精度很差。但相机的自校准可以完成校准没有工具由于其特性,并具有较高的灵活性和使用是不受限制的环境。具体的自校准方法可以分为消失点,线约束方法,解决方程方法和分层的方法。消失点和线约束的方法很容易推导方程的特点。与此同时,由于其恶劣的使用限制,可能会有一些错误的参数计算。 The solving equation method has a relatively perfect basic theory, but its use is restricted because of its large numerical fluctuation and its being prone to algorithm failure. The hierarchical method can calculate the initial value of some algorithms, but it may be unable to converge due to the instability of the value [23]。

2.2.4。显著目标检测

对生物来说,这几乎是本能的注意到视觉的可见区域。他们可以获得更多的信息通过更详细的分析这些明显的地区。如何使计算机视觉有着相似的功能和使用它来探索地区在图像的特征来解决一些复杂的视觉问题是有关科研人员关注的焦点。与深度学习的发展,这个问题初步解决。从一开始的人工特征深度学习网络的独立处理,处理模型基于深入学习网络可以从图像中提取更具体的信息,更准确地捕捉特定实体图片。因此,该图像处理模型基于深入学习网络成为3 d重建技术的一个重要组成部分。例如,图像分割的出色能力和一代的卷积神经网络使它大大发达国家在这一领域。典型的卷积神经网络可分为卷积层、汇聚层,完全连接层。卷积层提取图像中的特征点,池层减少了参数通过一个数量级,并输出相应的结果的完全连接层。其具体结构如图5。


图5
卷积神经网络的结构。

很长一段时间,卷积神经网络图像识别领域的核心之一。其稳定的学习能力使它具有良好的应用程序对象识别、行为认知、态度估计,神经的风格转换,和自然语言处理24]。

2.3。研究冰雕刻

冰雕,顾名思义,是一种行为与冰作为原材料进行雕刻。冰的雕塑可以说是“危机四伏。“如果一个不小心,雕塑随时可能崩溃。作为一种雕塑艺术,冰雕的生产主要集中在技术水平和雕塑家的艺术和文化素养。冰的材料本身几乎是透明的。尽管这个特性使得它难以显示其三维图像,是因为这个透明材料的冰雕可以显示其细腻穿透艺术美(25- - - - - -27]。冰雕作品通常集中在光的问题充分反映这种特性,如图6。


图6
白色和彩色的灯光下冰雕。

在五彩缤纷的灯光映射下,美丽的冰雕作品体现的淋漓尽致。如今,冰雕刻的艺术发展迅速。除了哈尔滨,许多城市在温暖的地区建立了冷存储发展的冰雕文化存储和展览的冰雕。这表明冰雕文化突破环境温度极限,发展迅速。一般来说,作为一种雕塑艺术,冰雕的类型也一样,一个普通的雕塑,分为救济,通过雕塑和其他形式。两种不同类型的冰雕(浮动和圆形雕塑)如图7。


图7
两种不同类型的冰雕。

由于冰的透明材料,它是最适合雕刻的雕塑美从里面体现。作为一个常用的方法在传统的雕刻中,冰雕刻的优点是明显的空间意识,灵活的艺术表现,所需材料少,重量相对较轻的雕刻。冰雕刻时,特别注意它的冰层厚度,雕刻精度,等等。此外,完美的冰雕作品应配备相应的照明,这样美丽的冰雕艺术完全反映。冰雕,冰雕的形状是第一个链接反映了观众的眼睛。它需要有一个漂亮的轮廓,一个和谐的整体结构,一个明显的艺术表现。也需要注意的规则的一个不错的冰雕,他们可以柔软伸展或峰,就像一段音乐,反映出高旋律的冰雕。此外,冰雕的生产也需要结合它的位置。查看器的位置,距离,高度都是需要考虑的因素。在此基础上,冰雕体现的美感。 At the same time, art and culture rely on the support of communication. Human civilization is the product of cultural communication, and this communication is the unique cultural heritage of mankind, which is the carrier of the formation of human society, contributing to the cultural exchange between mankind. It has great significance for the development of the country and the nation. It is this communication that links Harbin and ice sculpting together. It shows the customs of Harbin and reflects the historical and cultural connotations of the whole northern region. This cultural connotation led to the local economic development, tourism, and other industries being based on this. The spread of ice sculpture culture makes the image of Harbin more specific around China and brings great international influence [28]。中国作为一个开放和包容的城市,哈尔滨有丰富的文化保护和先进和多元化的思想,这是全球传播的影响下冰雕刻。

2.4。冰雕结构修复和设计的建模

的设计和修复冰雕是基于三个维度。冰雕的美可以从不同角度观察等方面,,,,每个角度都应该精心雕刻。冰雕的发展与现代科学技术的发展,推动力量。multivisual传感器和三维重建技术是用来设计和恢复冰雕结构。具体模型如图8。


图8
冰雕结构设计和恢复。

首先,确定摄像机图像,相机定位,重构图像的摄像机的参数。在此基础上,匹配特征点,这些特征点之间的关系。的特征点,即完成图像分割,CNN(卷积神经网络)。第二,表面重建相应的轮廓,通过从不同的角度观察冰雕和椎结构形成的投影中心进行。最后,进行纹理映射和改进。基于上述,相机位置应该计算如果图像,明显的特色和一些点为匹配选择。然后,这些点之间建立连接,和所有的点在一个图表可以对应点在另一个图。相机的参数由三角重建,如图9。


图9
三角测量的两个图像。

获得相机的基本参数后,其造成的错误操作过程如图10。获得的参数需要优化,消除造成的误差优化。这个错误反映出一个三维实体的投影点之间的区别在二维图像和投影点。


图10
预测错误。

实体分割前需要重建的冰雕模型。这里使用的传统人工注释方法不是因为它的低效率。因此,深度学习的概念引入卷积神经网络完成图像分割,可以构造和三维几何轮廓的冰雕。首先,图像分割后得到相应的等值线当冰雕从不同的角度观察。这些轮廓形成椎结构的中心投影,如图11。


图11
椎结构形成的轮廓和投影中心。

因此,实体的可视外壳可以重建,和三维重建的冰雕可以实现通过结合相关的相机参数。自从冰雕是一个封闭的几何表面光滑,光线投射到轮廓曲线形成的图像构成的壳壳的实体,以确保投影图像与实体是一致的。可见线对象的轮廓与不同角度映射得到的投影,然后,完整的壳椎结构的交叉生成的用于恢复边界,获得完整的冰雕的多边形模型实体(29日]。

2.5。测试和冰雕结构修复和设计模型的结果
2.5.1。模型的测试结果

建立模型进行测试,确保其可行性,和恢复测试相同的冰雕。对照组采用手动恢复。冰雕的熟练的冰雕塑家选择修复,避免手动错误和其他因素的影响。之后,每个小组的完成时间是计算对模型的可行性进行评估。冰雕修复的结果之间建立模型和人工操作如表所示1。

表1
恢复时间相同的冰雕模型和手动操作。

时间消耗的具体比例之间建立模型和手工组1如图12。


图12
之间的时间消耗比例建立模型和手工组1。

时间消耗的比例之间建立模型和手工组2图所示13。


图13
之间的时间消耗比例建立模型和手工组1。

上述数据表明该模型是有效的恢复冰雕。与手动组4个小时相比,该模型只需要一半的时间由手动组完成修复。此外,手动组1花237分钟,手动组2花252分钟,与模型组花139分钟,这是相对稳定的。因为不同的人员手工组,雕刻的时间也是不同的。进步的雕刻,手工雕刻是错误的可能性逐渐增加。因此,冰雕的模型结构修复和设计基于multivision传感器和三维重建技术在这项研究是可行的。它可以极大地缩短恢复时间的冰雕,并提供一个高质量的冰雕。恢复冰雕将取代手动结构恢复冰雕在很多场合。

2.6。实际模型的恢复结果

基于上述冰雕结构设计和恢复模型,冰雕结构恢复和设计,如图14。


图14
冰雕结构修复和设计。

的图表明,该模型是可行的结构修复和冰雕的设计。与手动修复相比,冰雕基于multivisual传感器结构修复和设计模型和三维重建技术可以设计和恢复现有的冰雕实体准确、回收率和质量有很大的优势。尽管其创新和改进贫困与手动修复相比,其高效、稳定的特点仍值得关注。

3所示。结论

目前,三维重建技术的研究变得越来越受欢迎,和其强大的结构重建功能使它适用于医疗、生物、等领域。然而,相关技术的应用领域的结构修复和重建的冰雕是相对罕见。由于冰雕不容易储存,冰雕结构修复和设计基于multivisual传感器和三维重建技术进行了研究。结果表明,所构造的冰雕基于multivisual传感器结构修复和设计模型和三维重建技术在这项研究是可行的。与手动修复相比,冰雕设计和修复的模型更有效和稳定的。此外,恢复和设计模型的结构基于multivision传感器和三维重建技术的冰雕不受到时间和空间的限制,可用于结构修复和冰雕在苛刻条件下的设计。和它避免了冰雕结构损伤造成的可能的错误和突发事件的手工雕刻。本研究的缺点是模型的实际测试不评估模型和人工恢复的精致的冰雕,和一个完整的评价体系将建立在未来,这将是后续研究的未来研究方向。冰雕结构修复和基于multivisual传感器的设计模型和三维重建技术可以快速有效地完成设计和恢复任务的冰雕,繁殖有一定贡献的冰雕艺术。此外,它还扩大应用领域的三维重建技术和multivisual传感技术。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有现有的利益冲突。

确认

这个项目是13个五年计划项目教育部人文社会科学研究的吉林省的“数字冰雪雕刻设备的发展和应用领域的冰雪雕塑”(没有。JJKH20211374SK)。