專利名稱：利用可控光源的光場采樣及模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用可控光源對光場采樣及模擬的方法，屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
建立光照模型，主要是根據(jù)光學(xué)物理的有關(guān)定律，采用計算機模擬自然界中的光照明的物理過程。傳統(tǒng)的光照模型描述了光源的分布與性質(zhì)以及物體表面的材質(zhì)的反射特性，最后經(jīng)過繪制公式的計算產(chǎn)生出虛擬的合成圖像。Adelson 禾口 Bergen 在文章《Computational Models of Visual Processing》中提出用七維全光函數(shù)來描述整個場景的全部信息，他們認為整個世界就是一個充滿了稠密光線的空間，每條光線帶有不同的能量。全光函數(shù)就是定義了空間任意一點處，在任意時刻， 任意波長下的光線。換句話說，場景本身就是全光函數(shù)，而圖像就是通過攝像機獲得這個七維函數(shù)的二維截面。全光函數(shù)中包含了場景中光照分布所有信息，后來的相關(guān)研究對這個七維函數(shù)進行了簡化，提出了四維全光函數(shù)Light Field和Lumigraph模型，這一簡化提取出了場景中影響光照分布的關(guān)鍵參數(shù)，具有更加實際應(yīng)用價值?；趫D像的光照就是建立全光函數(shù)的基礎(chǔ)之上建立的光照模型，目前建立的光照模型方法可以分為三類一種是利用傳統(tǒng)光照模型的方法；一種是利用基于圖像的光照模型的方法；一種是無需光照模型的方法。利用傳統(tǒng)光照模型是最為直觀的方法，且被廣泛采用。該方法的核心思想是基于圖像的建模技術(shù)，包括基于圖像的幾何建模、基于圖像的光源建模、基于圖像恢復(fù)BRDF屬性，利用圖像恢復(fù)整個場景，再采用傳統(tǒng)的光照方法對場景進行渲染。由于基于圖像的建模技術(shù)困難度比較大，光照真實度不強，很難用于高真實感場景渲染。利用基于圖像的光照模型方法，并不需要完全恢復(fù)場景的模型信息，而是利用了基于圖像的光照模型，該模型是針對全光函數(shù)的一種變形函數(shù)，它定義了采樣得到的已知全光函數(shù)到場景變化后所求的未知全光函數(shù)之間的變換關(guān)系?？偟膩碚f，現(xiàn)有場景光照模擬方法存在著計算量大，真實感不強，不適合復(fù)雜光照環(huán)境下的實時計算，無法用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的光照渲染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決光源時變場景的光照實時渲染問題，克服了現(xiàn)有的生成光照模型方法存在的計算復(fù)雜，不能實時根據(jù)光源變換信息模擬變化后的光場，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供了一種高真實度的光照模擬方法。為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是設(shè)計一種可控光源裝置，并提出一種利用可控光源對光場采樣及模擬的方法，其具體步驟如下所述的一種可控光源裝置的設(shè)計為該裝置的框架為一個鋼絲圍成的近似球面的三角包圍網(wǎng)格，網(wǎng)格中心固定有一個各向同性光強度可調(diào)的光源，通過在三角網(wǎng)格上安裝黑色幕布控制光源的照射角度，整個球面網(wǎng)格安裝在一個三維數(shù)控平移臺上，通過平移臺可以調(diào)整光源在三維空間中的位置。所述的利用可控光源對光場采樣及模擬的方法為(1)首先在實驗場景中放置可控光源裝置與光場采集設(shè)備，可控光源裝置的位置有人工設(shè)置，然后對光場采集設(shè)備進行標(biāo)定；(2)將可控光源裝置抽象為一個六維函數(shù)，控制該函數(shù)的每個參數(shù)進行線性變化， 對環(huán)境光場進行密集采樣，生成四維全光函數(shù)，建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系。所述步驟( 將可控光源裝置抽象為一個六維函數(shù)的過程為首先使用三維空間參數(shù)x，y，ζ表示光源的位置信息，使用二維球面角坐標(biāo)隊θ表示光源的出射角度信息，使用λ表示光源中波長信息，該六維函數(shù)可以表示為
Is = /(χ,γ,ζ,φ,θ,λ)上述函數(shù)詳細描述了光源的出射光照分布信息。所述步驟O)建立光源屬性與全光函數(shù)映射關(guān)系的過程為(2. 1)通過密集采樣獲得四維全光函數(shù)利用光場采集設(shè)備對場景的光照進行空間和角度的采樣，采樣得到一組不同位置的全景環(huán)境光照圖像，再利用光場采樣設(shè)備的標(biāo)定信息擬合出四維的光場函數(shù)如下表示B = g(s，t，u，v)上述函數(shù)描述了場景中從位置U，ν出發(fā)通過位置s，t的光照信息。(2. 2)可控光源參數(shù)到光場函數(shù)的映射通過控制光源每個參數(shù)線性變化改變整個場景中光照的分布情況，采集該條件下四維光場函數(shù)，首先建立每個變化參數(shù)到出射光照分布的映射隊—忍的映射， 再建立出射光照分布到四維光場的映射Is — B。(3)利用全光函數(shù)空間和角度的連續(xù)性，恢復(fù)帶有光源參數(shù)的高維全光函數(shù)為
Β}=ψ(χ,γ,ζ,φ,θ,λ,8, ,η,ν)上述函數(shù)描述了引入光源參數(shù)的高維全光函數(shù)。(4)對不同光源條件下的光場進行模擬通過對獲得的高維全光函數(shù)重采樣獲得不同光源條件下的光場信息。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明中設(shè)計的可控光源裝置具有多維可變參數(shù)，為光場的采集與模擬提供了支持。(2)本發(fā)明將光源抽象為六維參數(shù)控制的變化函數(shù)，真實的模擬了實際光源的屬性。(3)本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)使用照相機靜態(tài)采集場景圖像信息計算光照模型的缺點，充分利用了全光函數(shù)的連續(xù)性，對場景的不同光照條件下的光場模擬。


圖1為本發(fā)明的可控光源結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明的環(huán)境光場采樣設(shè)備分布圖；圖3為本發(fā)明的利用可控光源變化的光場模擬方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明在具體實施前，需要有兩個前提其一，可控光源的位置，出射角度和光照強度屬性可以連續(xù)的變化。本發(fā)明是利用全光函數(shù)的連續(xù)性，但現(xiàn)實中只能對低維光場離散采樣，因此必須保證合適的采樣密度，才能通過離散的數(shù)據(jù)集合擬合連續(xù)的光場函數(shù)。如圖1所示，本發(fā)明所設(shè)計的可控光源裝置具有多維可控參數(shù)，每個參數(shù)的可調(diào)范圍廣，精度高，適合于密集采樣。其二，對場景光場的采樣需要使用光場相機，使用時需要對相機進行標(biāo)定。光場相機實際上是一個二維普通相機陣列，由于傳統(tǒng)的相機捕獲的圖像亮度分為 256個亮度級，無法描述更為細節(jié)的亮度信息，不足以表示場景的光照強度，利用高動態(tài)范圍技術(shù)改變拍攝時的曝光度可通過普通照片合成高動態(tài)圖像，更加精確的描述了場景的光照fn息ο下面對發(fā)明的利用可變光源的光照采樣及模擬方法作詳細的闡述步驟1 如圖1所示，給出可控光源裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，裝置的組成如下所述1為鋼絲圍成的近似球面三角包圍網(wǎng)格，該框架是可控光源裝置的核心結(jié)構(gòu)，每個三角網(wǎng)格上安裝有可拆幕布，可以控制光源的出射角度；2為三維平移臺，控制安裝在其上的光源在三維空間坐標(biāo)中的位置；3為光照強度可調(diào)球狀光源，可以數(shù)字化控制光源出射光強度變化
步驟2 如圖2所示，給出環(huán)境光場采樣設(shè)備分布圖，4為待采集場景框架，5為步驟1中設(shè)計的可控光源，將對其各個參數(shù)項進行初始化，6為光場采集設(shè)備，需要對其進行標(biāo)定，恢復(fù)相機的內(nèi)部與外部參數(shù)，建立全局坐標(biāo)系。步驟3 如圖3所示，給出利用可控光源對光場數(shù)據(jù)進行采樣方法流程圖，改變光源的某一維屬性，通過光場采集設(shè)備獲得場景當(dāng)前條件下的光場數(shù)據(jù)，記錄此時可控光源每個參數(shù)的值，繼續(xù)重復(fù)上述工作，直到采集到每組隨光源參數(shù)變化的環(huán)境光場數(shù)據(jù)。步驟4:建立光源屬性與四維光場的映射關(guān)系，首先利用光場采樣設(shè)備獲得的離散數(shù)據(jù)恢復(fù)四維光場，再利用控制變量法建立每一維光源變化參數(shù)與四維光場的映射關(guān)系，最后通過光場空間和角度的連續(xù)性，恢復(fù)出帶有光源控制參數(shù)的高維光場函數(shù)。步驟5 當(dāng)光源條件變化時，利用每一個參變量對高維全光函數(shù)進行重采樣，可以獲得對光源變化后的環(huán)境光場的模擬。本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知技術(shù)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.利用可控光源的光場采樣及模擬方法，其特征在于包括(1)布置可控光源裝置，所述可控光源裝置的位置、方向、光強度、照射表面可調(diào)；(2)將可控光源裝置與光場采集設(shè)備置于實驗場景中，對光場采集設(shè)備進行標(biāo)定；(3)可控光源裝置包括六維可控參數(shù)，控制每個參數(shù)進行線性變化，對環(huán)境光場進行密集采樣，生成四維全光函數(shù)，建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系，所述建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系包括首先將可控光源屬性劃分為三維位置參數(shù)、二維球面角度參數(shù)、一維光強度參數(shù)共六維參數(shù)，然后利用控制變量法分別建立每個參數(shù)的變化條件下全光函數(shù)的變化規(guī)律；(4)建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系后，利用全光函數(shù)空間和角度的連續(xù)性，恢復(fù)帶有光源參數(shù)的高維全光函數(shù)；(5)在光源發(fā)生變化的條件下，通過對已建立的高維全光函數(shù)進行重采樣得到不同條件下環(huán)境光場信息。
2.如權(quán)利要求1所述的利用可控光源的光場采樣及模擬方法，其特征在于，所述可控光源裝置通過數(shù)控技術(shù)對光源參數(shù)進行實時數(shù)字化控制，包括光源三維位置的調(diào)整，不同照射角度光強度的調(diào)整。
3.如權(quán)利要求1所述的利用可控光源的光場采樣及模擬方法，其特征在于，所述建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系還包括將可控光源裝置抽象為具有六維參數(shù)的光強函數(shù)三維位置X，y, ζ參數(shù)、二維球面角度θ，ρ參數(shù)，一維光強度I參數(shù)，采用控制變量法分別建立這六維參數(shù)與全光函數(shù)的映射關(guān)系。
4.如權(quán)利要求1所述的利用可控光源的光場采樣及模擬方法，其特征在于，所述恢復(fù)帶有光源參數(shù)的高維全光函數(shù)為利用全光函數(shù)空間和角度的連續(xù)性，將可控光源的六維參數(shù)加入采集到的四維全光函數(shù)中，利用離散的采樣點擬合出十維全光函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用可控光源的光場采樣及模擬方法。該方法設(shè)計一種可控光源裝置進行光場的采集與模擬，具體包括(1)設(shè)計一種位置、方向、光強度、照射表面可控的光源裝置；(2)將可控光源裝置與光場采集設(shè)備置于實驗場景中，對光場采集裝置進行標(biāo)定；(3)在步驟(2)搭建好實驗平臺后，控制光源屬性線性變化，對環(huán)境光場進行密集采樣，生成四維全光函數(shù)，建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系；(4)在步驟(3)建立光源屬性與全光函數(shù)的映射關(guān)系后，利用全光函數(shù)的連續(xù)性，恢復(fù)帶有光源相關(guān)參數(shù)的高維全光函數(shù)；(5)利用光源變化信息對高維全光函數(shù)重采樣獲得不同光源條件下的環(huán)境光場。
文檔編號G06T17/00GK102314708SQ20111013413
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者伍朝輝, 吳威, 周忠, 王霖, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學(xué)