Inkrementelle Rekonstruktion von planaren Volumenmodellen mit handgehaltenen Tiefenkameras

Titelangaben

Sand, Maximilian:
Inkrementelle Rekonstruktion von planaren Volumenmodellen mit handgehaltenen Tiefenkameras.
Bayreuth , 2019 . - 207 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004219

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Abstract

In vielen Anwendungsbereichen, wie der Computergrafik, der Robotik oder beim computergestützten Entwerfen spielen 3D-Modelle eine große Rolle. Die sensorgestützte Erzeugung von 3D-Modellen ist dabei eine einfache Möglichkeit, Modelle von realen Objekten oder Räumen zu erstellen, indem mit einer Kamera ein digitales Abbild erstellt wird. Im Gegensatz zur manuellen Erzeugung ist dabei kein Expertenwissen im Umgang mit 3D-Grafikprogrammen vonnöten. Um einen manuellen Eingriff so weit wie möglich zu reduzieren, ist die Vision, einen allumfassenden intelligenten 3D-Scanner zu besitzen, der alle benötigten Informationen schnell und in einfacher Art und Weise erfasst.
Diese Arbeit hat zum Ziel, dieser Vision einen Schritt näher zu kommen. Dazu wird ein Verfahren entwickelt, das erlaubt, mit handgehaltenen Tiefenkameras inkrementell und online ein kontinuierliches Volumenmodell in Form eines planaren Boundary-Representation (B-Rep) Modells zu erzeugen. Diese Kombination schließt die in bestehenden Scan-Systemen vorherrschende Lücke von robuster, online-fähiger Erfassung bei gleichzeitiger Erzeugung eines hochwertigen Ausgabemodells mit algebraischer Geometriebeschreibung und Topologieinformationen, das Grundlage vieler CAD-Systeme ist. Durch die inkrementelle Vorgehensweise ist bereits zu jedem Zeitpunkt während der Rekonstruktion ein hochwertiges partielles Modell verfügbar.
Zur Bewältigung dieser Aufgabe werden mehrere Teilprobleme identifiziert und Lösungen vorgestellt: Das Konzept partieller B-Rep Modelle beantwortet die Frage nach einer geeigneten Modellrepräsentation für eines solches System. Ein Verfahren zur direkten Rekonstruktion und anschließenden Fusion ermöglicht eine online-fähige Rekonstruktion bei bekannter Kamerapose. Eine Methode zur merkmalsbasierten Registrierung von Einzelbildern vervollständigt den Ansatz zu einem kompletten Simultaneous-Localization-And-Mapping (SLAM) System, sodass frei bewegliche, handgehaltene Tiefenkameras verwendet werden können. Ansätze zur Unterstützung des Anwenders vereinfachen die Handhabung und helfen, ein Objekt oder eine Szene vollständig zu erfassen.
Anhand einer Evaluation aller Teilschritte werden die Leistungsfähigkeit und die Grenzen des Systems analysiert und diskutiert. Zudem wird eine prototypische Umsetzung für drei unterschiedliche Sensoren und zwei Plattformen (Desktop-Rechner und Mobilgerät) beschrieben, die die Praxistauglichkeit des Ansatzes aufzeigt.

Abstract in weiterer Sprache

3D models are an essential part in many domains like computer graphics, robotics or computer aided design. Hereby, the sensor-based creation of 3D models provides an easy method to generate a digital copy of an object or scene by using a camera. Compared to a manual creation, no specific knowledge in 3D graphic programs is necessary. To reduce the amount of manual intervention, the ultimate vision is to build an intelligent 3D scanner that provides all required information while being intuitive and easy to handle.
The goal of this work is to enhance the state of the art towards this vision. To achieve this, an approach for an online and incremental reconstruction of planar solid models in terms of a boundary representation model (B-Rep) using a hand-held depth camera is presented. This combination closes the gap that is inherent to current methods: A robust, online-capable acquisition and a simultaneous reconstruction of a model that is rich in geometric an topological information which is the basis for CAD models. The incremental manner facilitates the availability of such models at every point in time during acquisition.
To meet these challenges, multiple subproblems are identified and solved: The concept of partial B-Rep models overcomes the question of a suitable representation for such a system. A procedure for a direct reconstruction and a subsequent fusion of B-Rep models enables an online-capable reconstruction with known camera poses. A method for feature-based registration of single frames extends the system to a complete simultaneous localization and mapping (SLAM) framework that can be used with hand-held depth cameras. Approaches for supporting the user simplify the handling and help to create complete models without holes.
An evaluation of each step shows the capabilities and limitations of the presented methods. Additionally, a prototypical implementation for three different sensors and two platforms (desktop computer and mobile device) is described that shows the practical suitability.