三维表面重建是计算机视觉领域的主要的研究方向,基于光度立体视觉的三维表面重建是光学的一个重要的课题.该文深入研究了基于光线变化的二维光学图像进行三维表面重建的算法及其系统设计与实现,论文的主要工作和贡献如下:1.研究如何从光线变化的二维图像估计表面法向量和反射属性的问题,用彩色光度立体视觉方法进行表面法向量和纹理信息的恢复,彩色纹理信息增强了三维景物的真实感.该方法不需要多幅图像间的对应,避免了图像配准及寻找对应点的问题,与单幅图像方法相比,克服了单幅图像估计表面法向量不唯一的缺点和反射系数为常数的限制.2.我们针对从表面法向量重建三维表面的算法:直接积分方法和迭代方法,分别提出了改进方法,高斯核积分法和卷积法.用模拟数据和真实数据进行了实验分析,通过对算法精度和计算速度等方面的详细比较,可以看出我们提出的方法比直接积分方法和迭代算法有计算速度快,重建结果精确等优点.3.我们提出了简单灵活快速可行的硬件系统方案,详细阐述了设计方法及其硬件参数选择,提供了设计实例,光线变化的图像采集仪.此硬件系统可以在一百多毫秒内捕获三幅不同光线方向的图像,推动了三维景物采用基于光度立体视觉方法进行三维表面重建的实用化进程;我们提出了光度立体视觉方法恢复表面法向量与表面反射属性及其由表面法向量计算高度两个模块相结合进行三维表面重建,采用纹理映射技术使得三维数据具备了良好的视觉效果.总之,该论文不仅从理论上阐述了光线变化下的二维光学图像重建三维表面的新方法,而且也给出了具体的系统实现方案,其研究工作具有理论意义和应用价值.