基于光度立體視覺的測量材質(zhì)幾何特征重構(gòu).pdf

1、真實感渲染技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，對復(fù)雜材質(zhì)的真實感渲染在動漫影視、廣告宣傳、產(chǎn)品輔助設(shè)計、服裝輔助設(shè)計等領(lǐng)域起著重要作用，是學(xué)術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域研究與關(guān)注的熱點問題。在計算機圖形學(xué)中，對布料織物、皮膚等復(fù)雜材質(zhì)的渲染難點在于，材質(zhì)的高度真實感呈現(xiàn)依賴于其幾何建模以及材質(zhì)建模。幾何建模描述物體的形狀特性，是構(gòu)建物體表面的可見凹凸特征的宏觀幾何結(jié)構(gòu)，而材質(zhì)建模描述物體對光照的反射特性，是構(gòu)建能夠影響高光分布的微觀幾何結(jié)構(gòu)。相同幾何模型的不同物體，

2、由于表面幾何結(jié)構(gòu)、材料、密度、顏色等屬性存在差異，在不同光照下會呈現(xiàn)出復(fù)雜而豐富的光學(xué)現(xiàn)象。將幾何建模與材質(zhì)建模結(jié)合，雙向紋理函數(shù)（Bidirectional Texture Function, BTF）變成了一個很好的選擇。
　　BTF能夠定義與傳遞任意材質(zhì)表面的唯一性，考慮光源和視點的因素，捕捉陰影、掩膜與復(fù)雜的非漫反射效果，使材質(zhì)具有真實感，無人造痕跡。 BTF是一種6維的紋理表示方法，包括光源、視點、位置信息，采集、測量、

3、捕獲真實世界的各種材質(zhì)的信息，將真實感材質(zhì)表示為在變換光照和視角方向下的二維紋理。測量裝置對材質(zhì)在不同光源與視角方向下捕獲的圖像序列，即為BTF數(shù)據(jù)，因而BTF可以被看成空間變換的BRDF和中觀-幾何結(jié)構(gòu)的結(jié)合。本文旨于從BTF數(shù)據(jù)中重構(gòu)材質(zhì)的中觀幾何結(jié)構(gòu)，包括物體表面的法向信息和深度信息，而重構(gòu)的對象為毛衣織物、壁紙、窗簾等材質(zhì)。
　　從圖像中重構(gòu)材質(zhì)的幾何特征，常采用計算機視覺中的三維重建方法，恢復(fù)物體表面的朝向，并根據(jù)表面的

4、梯度場信息來擬合曲面。常見的三維重建方法有Shape From X方法、光度立體視覺法(Photometric Stereo)、運動圖像序列法、立體視覺法等方法。其中，光度立體視覺的方法實現(xiàn)簡單且適用于任意近似漫反射表面的三維重建，能夠恢復(fù)出場景的細節(jié)信息，適合從BTF數(shù)據(jù)中重構(gòu)測量材質(zhì)的法向信息。但由于此方法的反射模型假設(shè)為理想的Lambert反射模型，而實際上輸入的圖像序列中都有非Lambert的異常部分，易受高光、陰影、噪聲等因素

5、的影響，使表面重建的結(jié)果出現(xiàn)偏差，存在低頻噪聲。且光度立體視覺對測量設(shè)備有嚴(yán)格要求，容易引入系統(tǒng)誤差。
　　為解決上述問題，本文基于光度立體視覺方法，提出了一種從BTF數(shù)據(jù)中重構(gòu)測量材質(zhì)幾何特征的優(yōu)化方法。利用材質(zhì)在不同角度光源與視角下的BTF數(shù)據(jù)，去除圖像序列中高光、陰影、噪聲等對光度立體視覺方法的影響，從而重構(gòu)出物體表面的朝向。再經(jīng)由重構(gòu)的法向信息計算出材質(zhì)表面的梯度場，采用最小二乘的表面重建方法，新建一個離散表面，使它的梯度