基于基圖像分解的室外光照估計(jì)研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實(shí)是近年來(lái)信息領(lǐng)域迅速興起的一種技術(shù)，具有重要的理論價(jià)值和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)的一個(gè)分支，借助于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、交互技術(shù)、傳感技術(shù)、三維顯示技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬景物實(shí)時(shí)疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，增強(qiáng)用戶(hù)對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的理解，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)應(yīng)用到尖端武器及飛行器的研制與開(kāi)發(fā)、精密儀器制造和維修、醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制、文化遺產(chǎn)保護(hù)以及教育娛樂(lè)等諸

2、多領(lǐng)域。
　　通過(guò)將虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景無(wú)縫融合，呈現(xiàn)給用戶(hù)一個(gè)感官效果真實(shí)的新環(huán)境是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。但迄今為止，這項(xiàng)技術(shù)仍有大量的問(wèn)題尚未解決。近年來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要的研究工作集中在跟蹤、注冊(cè)和交互技術(shù)上，光照一致性方面的研究相對(duì)較少，而光照一致性是確保虛擬物體表面光照效果的真實(shí)感、并使虛實(shí)物體無(wú)縫融合的關(guān)鍵技術(shù)，這就造成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中虛擬物體真實(shí)感程度不高的現(xiàn)狀。由于室外場(chǎng)景的幾何復(fù)雜性和光照復(fù)雜性，其光照估

3、計(jì)是當(dāng)前尚未解決的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，室外光照估計(jì)也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的重要研究?jī)?nèi)容之一，物體的分割與識(shí)別、視頻跟蹤、陰影檢測(cè)等算法都不同程度地受到變化光照的影響。因此，在場(chǎng)景三維模型未知的條件下，如何根據(jù)室外場(chǎng)景的光照特點(diǎn)，從輸入的視頻圖像估計(jì)光照條件對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)具有十分重要的意義。
　　在場(chǎng)景三維幾何信息未知的情況下，本文圍繞固定視點(diǎn)下室外場(chǎng)景視頻圖像的光照展開(kāi)研究，分析基于室外場(chǎng)景光照線性分解模型的光照估計(jì)算法的求

4、解性質(zhì)，避開(kāi)重建大規(guī)模室外場(chǎng)景所面臨的重重困難，省去繁瑣的幾何建模工作，提出新的解決策略，使光照估計(jì)算法更為實(shí)用，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中虛實(shí)物體的光照一致性的目標(biāo)。本文在室外場(chǎng)景光照估計(jì)研究的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)證明了在室外場(chǎng)景基圖像分解模型下，同一太陽(yáng)方位在不同天氣條件下的三幅圖像具有線性相關(guān)性，使得基圖像方程欠約束，導(dǎo)致基圖像無(wú)法自動(dòng)求解。為此，利用不同太陽(yáng)方位不同天氣條件下的采樣圖像，提出自動(dòng)求解基圖像的新算法。其

5、基本策略是根據(jù)陰影中的像素估算天空光，由基圖像分解的特點(diǎn)計(jì)算太陽(yáng)光，并利用太陽(yáng)光與天空光基圖像的像素色調(diào)一致性?xún)?yōu)化基圖像及太陽(yáng)光和天空光光照參數(shù)。
　　2)提出了基于對(duì)反射率沒(méi)有任何限制的整體光照明模型的室外靜態(tài)場(chǎng)景圖像線性分解模型，并證明了在此模型下任意一幅靜態(tài)室外場(chǎng)景圖像都可以分解為太陽(yáng)光基圖像和天空光基圖像的線性組合;分析研究了基圖像的性質(zhì)，證明了基圖像包含場(chǎng)景的幾何信息和材質(zhì)反射率，且是場(chǎng)景的不變量，將太陽(yáng)光和天空光基圖像

6、定義為太陽(yáng)光和天空光單位強(qiáng)度下的場(chǎng)景整體光照明效果;輸入靜態(tài)場(chǎng)景圖像通過(guò)最小化二次能量方程得到基圖像。
　　3)提出了基圖像的約束和先驗(yàn)條件的室外場(chǎng)景光照估計(jì)新方法，將靜態(tài)室外場(chǎng)景的延時(shí)視頻序列的每一幀自動(dòng)分解成太陽(yáng)光基圖像和天空光基圖像的線性組合;使用k-means聚類(lèi)算法分析每個(gè)像素的延時(shí)曲線檢測(cè)出陰影像素，利用基圖像線性分解模型得到太陽(yáng)光和天空光基圖像，并基于基圖像的約束和先驗(yàn)條件提出過(guò)程式改進(jìn)方法，優(yōu)化光照參數(shù)。