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技术分享|一种引入同步乘法代数SMART的多视角非刚体三维重建技术

1技术背景

非刚体三维重建（Non-Rigid 3D Reconstruction）是指从多视角图像序列中重建具有时变性、可变形性、半透明性的三维物体几何信息及动态演化过程，在科学研究与工业应用中具有重要价值：如流体力学重建高速水射流、喷雾的三维形态，用于验证流体动力学模拟的准确性；生物力学领域重建软组织运动、模拟血流，可为医学研究提供三维可视化工具；工业工程领域重建火焰、电弧、流体，利于优化喷雾燃烧、焊接过程、流体机械等工艺参数，提升能效与安全。

2技术路径

非刚体三维重建主流技术多视角立体视觉（MVS）技术针对非刚体的易形变性，引入时空一致性约束和形变模型，算法不再局限于单帧图像之间的特征匹配，而是关注一个时空体积的对应关系，通过构建一个包含空间邻域和时间连续性的图模型并施加平滑性约束，解算出三维点轨迹。因该方法本质仍是依赖非刚体表面纹理进行图像特征匹配，故适用于生物软组织如皮肤、面部等，但无法重建流体、烟雾等无纹理特征、透明或发光的非刚体。

3技术突破

中科君达视界的研发工程师们为解决上述局限，提出一种改进型多视角非刚体三维重建系统，创新性引入同步乘法代数SMART重建技术，该技术不再依赖局部特征匹配，而是将三维空间划分为体素网格，并假设每个体素具有一定的发射或散射强度，通过将多视角二维图像视为该三维场在不同方向上的投影，反演体素强度分布，最终获得三维结构，解决无纹理非刚体重建问题。

千眼狼改进型多视角非刚体三维重建系统硬件部分包括：

高速摄像机采集阵列：由4台千眼狼超高清高速摄像机G2110_Pro组成，5120×4096 @1000fps, 环绕性布设，确保立体视角覆盖非刚体。
同步触发系统：通过B码授时实现纳秒级同步曝光，确保高速摄像机采集的多视角图像序列严格对齐某一物理时刻。
标定系统：结合棋盘格或球形标定物，完成相机内外参数联合标定，建立像素-体素映射关系，为三维反演提供几何基础。
GPU计算平台：用于执行SMART算法，支持大规模体素空间并行计算。

千眼狼改进型多视角非刚体三维重建系统技术实现步骤：

第一步，4台高速摄像机同步曝光，获取瞬时观测数据集。

第二步，定义三维重建空间为规则体素网格，每个体素初始化为非负强度值。

第三步，对于每台高速摄像机，建立从体素空间到图像平面的投影映射。

第四步，采用同步乘法代数重建技术SMART对体素初始值进行迭代优化，逐轮修正投影误差，逼近真实体素分布。

第五步，当体素强度场收敛后，提取强度高于阈值的体素，生成初始三维点云，并运用泊松曲面重建算法处理稀疏点云，拟合成光滑闭合表面，进而生成拓扑正确的三维模型。

4技术差异化

相较于MVS扩展技术，千眼狼改进型多视角非刚体三维重建技术在适用对象、先验知识依赖、物理真实性、时间分辨率、重建精度上具有差异化特征：

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综上，中科君达视界提出的引入同步乘法代数的非刚体三维重建技术适用于高速高动态无纹理透明非刚体三维重建任务。

5应用案例

在典型无纹理透明非刚体高速水射流三维形态重建案例中，中科君达视界工程师们使用4台千眼狼高速摄像机同步捕捉水柱表面毛细波、初始破碎点及液滴飞溅，并采用SMART技术成功重建出水柱主体及其边缘破碎产生的液滴三维结构。

搜狗高速浏览器截图20251014183627.png

6总结

本文介绍了一种基于同步乘法代数重建技术的非刚体三维重建方法，通过将问题转化为体素空间的反演问题，采用MLOS初始化与SMART迭代优化，解决了MVS扩展技术路径在重建流体、烟雾、电弧等离子体等无纹理、半透明高速动态非刚体时的局限性，在流体力学研究、燃烧诊断、环境烟雾扩散分析、高速工业监测等领域中具有重要应用价值。

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