三维重建是计算机视觉和图形学的重要研究方向，其算法在不同场景下的效果差异较大。以下是当前主流的三维重建算法及其特点，按技术路线分类整理：
1. 传统几何方法
（1）结构光（Structured Light）
- 原理：通过投射编码的光栅图案到物体表面，利用相机捕捉变形后的图案计算深度。
- 特点：精度高（亚毫米级），但依赖专用设备（如投影仪和标定相机）。
- 应用：工业检测、逆向工程（如Artec Eva扫描仪）。
（2）立体视觉（Stereo Vision）
- 原理：通过两个或多个相机的视差计算深度。
- 特点：需要精确标定和纹理丰富的场景，在无纹理区域效果差。
- 改进：Semi-Global Matching (SGM) 算法优化了视差图生成。
（3）运动恢复结构（Structure from Motion, SfM）
- 原理：从多张无序图像中恢复相机位姿和稀疏点云。
- 工具：COLMAP（开源标杆）、VisualSFM。
- 缺点：依赖特征匹配，计算量大，难以处理弱纹理场景。
（4）多视图立体（Multi-View Stereo, MVS）
- 原理：在SfM基础上生成稠密点云，如PMVS、CMVS算法。
- 效果：稠密重建但计算时间长，需GPU加速。
（5）SLAM（实时定位与建图）
- 代表算法：ORB-SLAM3（支持单目/双目/RGB-D）、LSD-SLAM。
- 特点：实时性强，适合动态场景（如机器人、AR）。
2. 深度学习方法
（1）单目深度估计（Monocular Depth Estimation）
- 模型：MiDaS、DPT-Hybrid、AdaBins。
- 优势：仅需单张RGB图像，实时性好。
- 缺点：精度较低，依赖训练数据分布。
（2）多视图立体匹配（Learned MVS）
- 代表工作：MVSNet（2018）、Cascade MVSNet、Patchmatchnet。
- 效果：在DTU等数据集上超越传统MVS，但需要多视角输入（≥3张图）。
（3）隐式神经表示（Neural Radiance Fields, NeRF）
- 核心思想：用MLP网络建模场景的辐射场和密度，通过体渲染生成新视角。
- 优势：渲染质量极高，细节逼真，支持复杂光照。
- 缺点：训练慢（数小时）、推理实时性差，依赖大量视角（>100张图）。
- 改进版：Instant-NGP（加速训练）、NeRFusion（稀疏输入）、DynamicNeRF（动态场景）。
（4）基于体素/点云/网格的重建
- 模型：Pix2Vox（体素生成）、PointNet++（点云处理）、Mesh R-CNN。
- 应用：从单张图像生成粗糙3D形状，适合物体级重建。
3. 混合方法（传统+深度学习）
- DeepSFM：用深度学习优化SfM中的特征匹配和深度估计。
- NeuralRecon：结合SLAM与神经网络实现实时稠密重建。
- COLMAP+NeRF：用COLMAP生成位姿后输入NeRF提升渲染质量。
效果对比与推荐
| 场景 | 推荐算法 | 原因 |
|---|---|---|
| 高精度静态物体扫描 | 结构光/激光扫描 | 工业级精度（0.1mm级），但需专用设备。 |
| 多视角图像重建 | COLMAP（SfM+MVS）或MVSNet系列 | 开源易用，稠密重建效果稳定。 |
| 新视角合成（照片级） | NeRF及其变种（如Instant-NGP） | 渲染质量最优，适合虚拟现实、影视特效。 |
| 实时动态场景 | SLAM（如ORB-SLAM3）或NeuralRecon | 低延迟，适合AR/VR、机器人导航。 |
| 单张图像重建 | 单目深度估计（如MiDaS）+ 表面重建算法 | 便捷但精度有限，适合快速原型设计。 |
未来趋势
- 实时NeRF：通过哈希编码、轻量级网络（如Instant-NGP）加速训练和渲染。
- 泛化性提升：Zero-shot重建（如使用扩散模型先验）。
- 动态场景处理：结合光流估计和时空建模（如DynamicNeRF）。
实际应用中需根据数据条件（图像数量、设备）、精度需求、实时性要求综合选择。目前学术界更关注NeRF的改进，而工业界仍依赖传统方法（如COLMAP）或混合方案。
