New 3D scanning techniques for complex scenes

Abstract

This thesis presents new 3D scanning methods for complex scenes, such as surfaces with fine-scale geometric details, translucent objects, low-albedo objects, glossy objects, scenes with interreflection, and discontinuous scenes. Starting from the observation that specular reflection is a reliable visual cue for surface mesostructure perception, we propose a progressive acquisition system that captures a dense specularity field as the only information for mesostructure reconstruction. Our method can efficiently recover surfaces with fine-scale geometric details from complex real-world objects. Translucent objects pose a difficult problem for traditional optical-based 3D scanning techniques. We analyze and compare two descattering methods, phaseshifting and polarization, and further present several phase-shifting and polarization based methods for high quality 3D scanning of translucent objects. We introduce the concept of modulation based separation, where a high frequency signal is multiplied on top of another signal. The modulated signal inherits the separation properties of the high frequency signal and allows us to remove artifacts due to global illumination. Thismethod can be used for efficient 3D scanning of scenes with significant subsurface scattering and interreflections.

Diese Dissertation präsentiert neuartige Verfahren für die 3D-Digitalisierung komplexer Szenen, wie z.B. Oberflächen mit sehr feinen Strukturen, durchscheinende Objekte, Gegenstände mit geringem Albedo, glänzende Objekte, Szenen mit Lichtinterreflektionen und unzusammenhängende Szenen. Ausgehend von der Beobachtung, daß die spekulare Reflektion ein zuverlässiger, visueller Hinweis für die Mesostruktur einer Oberfläche ist, stellen wir ein progressives Meßsystem vor, um Spekularitätsfelder zu messen. Aus diesen Feldern kann anschließend die Mesostruktur rekonstruiert werden. Mit unserer Methode können Oberflächen mit sehr feinen Strukturen von komplexen, realen Objekten effizient aufgenommen werden. Durchscheinende Objekte stellen ein großes Problem für traditionelle, optischbasierte 3D-Rekonstruktionsmethoden dar. Wir analysieren und vergleichen zwei verschiedene Methoden zum Eliminieren von Lichtstreuung (Descattering): Phasenverschiebung und Polarisation. Weiterhin präsentieren wir mehrere hochqualitative 3D-Rekonstruktionsmethoden für durchscheinende Objekte, die auf Phasenverschiebung und Polarisation basieren. Außerdem führen wir das Konzept der modulationsbasierten Signaltrennung ein. Hierzu wird ein hochfrequentes Signal zu einem anderes Signal multipliziert. Das so modulierte Signal erhält damit die separierenden Eigenschaften des hochfrequenten Signals. Dies erlaubt unsMeßartefakte aufgrund von globalen Beleuchtungseffekten zu vermeiden. Dieses Verfahren kann zum effizienten 3DScannen von Szenen mit durchscheinden Objekten und Interreflektionen benutzt werden.