專利名稱：利用可控光源的光場采樣及模擬方法
技術領域：
本發明涉及一種利用可控光源對光場采樣及模擬的方法，屬于虛擬現實技術領域。
背景技術：
建立光照模型，主要是根據光學物理的有關定律，采用計算機模擬自然界中的光照明的物理過程。傳統的光照模型描述了光源的分布與性質以及物體表面的材質的反射特性，最后經過繪制公式的計算產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，而圖像就是通過攝像機獲得這個七維函數的二維截面。全光函數中包含了場景中光照分布所有信息，后來的相關研究對這個七維函數進行了簡化，提出了四維全光函數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鍵參數，具有更加實際應用價值。基于圖像的光照就是建立全光函數的基礎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，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BRDF屬性，利用圖像恢復整個場景，再采用傳統的光照方法對場景進行渲染。由于基于圖像的建模技術困難度比較大，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的一種變形函數，它定義了采樣得到的已知全光函數到場景變化后所求的未知全光函數之間的變換關系。總的來說，現有場景光照模擬方法存在著計算量大，真實感不強，不適合復雜光照環境下的實時計算，無法用于虛擬現實系統中的光照渲染。
發明內容
本發明的目的是解決光源時變場景的光照實時渲染問題，克服了現有的生成光照模型方法存在的計算復雜，不能實時根據光源變換信息模擬變化后的光場，為虛擬現實系統提供了一種高真實度的光照模擬方法。為完成本發明的目的，本發明采用的技術方案是設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格，網格中心固定有一個各向同性光強度可調的光源，通過在三角網格上安裝黑色幕布控制光源的照射角度，整個球面網格安裝在一個三維數控平移臺上，通過平移臺可以調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備，可控光源裝置的位置有人工設置，然后對光場采集設備進行標定；(2)將可控光源裝置抽象為一個六維函數，控制該函數的每個參數進行線性變化， 對環境光場進行密集采樣，生成四維全光函數，建立光源屬性與全光函數的映射關系。所述步驟( 將可控光源裝置抽象為一個六維函數的過程為首先使用三維空間參數x，y，ζ表示光源的位置信息，使用二維球面角坐標隊θ表示光源的出射角度信息，使用λ表示光源中波長信息，該六維函數可以表示為
Is = /(χ,γ,ζ,φ,θ,λ)上述函數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映射關系的過程為(2. 1)通過密集采樣獲得四維全光函數利用光場采集設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境光照圖像，再利用光場采樣設備的標定信息擬合出四維的光場函數如下表示B = g(s，t，u，v)上述函數描述了場景中從位置U，ν出發通過位置s，t的光照信息。(2. 2)可控光源參數到光場函數的映射通過控制光源每個參數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，首先建立每個變化參數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)利用全光函數空間和角度的連續性，恢復帶有光源參數的高維全光函數為
Β}=ψ(χ,γ,ζ,φ,θ,λ,8, ,η,ν)上述函數描述了引入光源參數的高維全光函數。(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重采樣獲得不同光源條件下的光場信息。
與現有技術相比，本發明的有益效果是(1)本發明中設計的可控光源裝置具有多維可變參數，為光場的采集與模擬提供了支持。(2)本發明將光源抽象為六維參數控制的變化函數，真實的模擬了實際光源的屬性。(3)本發明克服現有技術使用照相機靜態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的連續性，對場景的不同光照條件下的光場模擬。
圖1為本發明的可控光源結構圖2為本發明的環境光場采樣設備分布圖；圖3為本發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的變化。本發明是利用全光函數的連續性，但現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，才能通過離散的數據集合擬合連續的光場函數。如圖1所示，本發明所設計的可控光源裝置具有多維可控參數，每個參數的可調范圍廣，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定。光場相機實際上是一個二維普通相機陣列，由于傳統的相機捕獲的圖像亮度分為 256個亮度級，無法描述更為細節的亮度信息，不足以表示場景的光照強度，利用高動態范圍技術改變拍攝時的曝光度可通過普通照片合成高動態圖像，更加精確的描述了場景的光照fn息ο下面對發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構設計圖，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格，該框架是可控光源裝置的核心結構，每個三角網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中的位置；3為光照強度可調球狀光源，可以數字化控制光源出射光強度變化
步驟2 如圖2所示，給出環境光場采樣設備分布圖，4為待采集場景框架，5為步驟1中設計的可控光源，將對其各個參數項進行初始化，6為光場采集設備，需要對其進行標定，恢復相機的內部與外部參數，建立全局坐標系。步驟3 如圖3所示，給出利用可控光源對光場數據進行采樣方法流程圖，改變光源的某一維屬性，通過光場采集設備獲得場景當前條件下的光場數據，記錄此時可控光源每個參數的值，繼續重復上述工作，直到采集到每組隨光源參數變化的環境光場數據。步驟4:建立光源屬性與四維光場的映射關系，首先利用光場采樣設備獲得的離散數據恢復四維光場，再利用控制變量法建立每一維光源變化參數與四維光場的映射關系，最后通過光場空間和角度的連續性，恢復出帶有光源控制參數的高維光場函數。步驟5 當光源條件變化時，利用每一個參變量對高維全光函數進行重采樣，可以獲得對光源變化后的環境光場的模擬。本發明未詳細闡述的部分屬于本領域的技術人員公知技術。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
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；(2)將可控光源裝置與光場采集設備置于實驗場景中，對光場采集設備進行標定；(3)可控光源裝置包括六維可控參數，控制每個參數進行線性變化，對環境光場進行密集采樣，生成四維全光函數，建立光源屬性與全光函數的映射關系，所述建立光源屬性與全光函數的映射關系包括首先將可控光源屬性劃分為三維位置參數、二維球面角度參數、一維光強度參數共六維參數，然后利用控制變量法分別建立每個參數的變化條件下全光函數的變化規律；(4)建立光源屬性與全光函數的映射關系后，利用全光函數空間和角度的連續性，恢復帶有光源參數的高維全光函數；(5)在光源發生變化的條件下，通過對已建立的高維全光函數進行重采樣得到不同條件下環境光場信息。
2.如權利要求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控技術對光源參數進行實時數字化控制，包括光源三維位置的調整，不同照射角度光強度的調整。
3.如權利要求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的映射關系還包括將可控光源裝置抽象為具有六維參數的光強函數三維位置X，y, ζ參數、二維球面角度θ，ρ參數，一維光強度I參數，采用控制變量法分別建立這六維參數與全光函數的映射關系。
4.如權利要求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，所述恢復帶有光源參數的高維全光函數為利用全光函數空間和角度的連續性，將可控光源的六維參數加入采集到的四維全光函數中，利用離散的采樣點擬合出十維全光函數。
全文摘要
本發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備置于實驗場景中，對光場采集裝置進行標定；(3)在步驟(2)搭建好實驗平臺后，控制光源屬性線性變化，對環境光場進行密集采樣，生成四維全光函數，建立光源屬性與全光函數的映射關系；(4)在步驟(3)建立光源屬性與全光函數的映射關系后，利用全光函數的連續性，恢復帶有光源相關參數的高維全光函數；(5)利用光源變化信息對高維全光函數重采樣獲得不同光源條件下的環境光場。
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 優先權日2011年5月23日
發明者伍朝輝, 吳威, 周忠, 王霖, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學