CN101673041A - 一种物体光学属性获取立体采集设备 - Google Patents

Abstract

本发明基于2V Geodesic Dome提出一种用于物体光学属性获取的立体采集设备。当前影视、数字娱乐产业等领域对计算机绘制的逼真性提出了较高的要求，传统的光学模型无法描述真实世界物体复杂的光学属性。随着数码相机等高精度成像设备的迅速发展，研究人员开始研究如何通过真实采集图像而恢复真实物体光学属性的问题。本发明利用四面单凹铝型材构建2V Geodesic Dome，设计可升降的中心平台及灵活的相机或光源挂载部件，并采用阳极铝氧化工艺处理所有部件为黑色不反光。Dome之上可以挂载相机和光源，满载数量为400左右，研制一套同步控制系统，通过一台计算机，可任意控制相机拍照、光源亮灭及高精度电动旋转台旋转。本设备可根据需要任意调整相机及光源个数和位置，具有较高的灵活性和稳固性。

Description

一种物体光学属性获取立体采集设备

技术领域

本发明属于计算机图形学和计算机视觉技术领域，具体地说，是一种捕获物体在不同光照条件下图像的采集设备，应用于基于图像的真实感材质建模、非均匀参与介质建模、几何建模等方向。

背景技术

真实世界中的物体与光交互具有丰富的光学现象，利用计算机对其进行真实感建模和三维重现具有广泛的应用空间。但是度量物体的光学属性需要用高维数据描述光与物体交互的反射、折射或散射过程，这给数据采集、建模及实时绘制都带来了巨大困难。

物体光照属性由光线与物体的相互作用所决定，可以用一个12维函数描述，包括入射光和出射光的位置、方向、波长及传输时间参数。直接对12维数据进行采集、存储和建模超出了当前计算机的软硬件能力。为此，在实际应用中需要根据实际情况简化这个函数。如果忽略传输时间及次表面散射，即光线在物体内部的传输过程，该函数可以简化为6维的空间变化双向反射分布函数(spatially-varying bidirectional reflectance distributionfunction，SVBRDF)。针对单一材质，忽略空间变化特性，SVBRDF可简化为4维的双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function，BRDF)。BRDF是定义在顶点的单位上半球空间上，因此构造可以在半球之上任意移动的光源和任意移动的相机，可以对BRDF的整个定义域进行采样，获取BRDF数据。研究人员针对BRDF所特有的物理特性，研究搭建多种采集设备。主要参考文献有：[1]Sing-Choong F.A gonioreflectometer formeasuring the bidirectional reflectance of material for use in illuminationcomputation.Ithaca：Cornell University，1997；[2]Marschner S，Westin S，LAFORTUNE E，et al.Image-based measurement of the bidirectional reflectiondistribution function.Applied Optics，2000，39(16)：2592-2600；[3]Matusik W，Hanspeter P，Matthew B，et al.Efficient isotropic BRDF measurement.//Proceedingsof the 14th Eurographics workshop on Rendering Techniques，Leuven，2003：241-247；[4]Lensch H，Kautz J，Goesele M，et al.Image-based reconstruction of spatialappearance and geometric detail.ACM Transactions on Graphics，2003，22(2)：234-257；[5]Gardner A，Chris T，Tim H，et al.Linear light source reflectometry.ACMTransactions on Graphics，2003，22(3)：749-758；[6]Levoy M.Stanford sphericalgangry.Http://graphics.stanford.edu/projects/gantry/；[7]Weyrich T，WojciechM，Hanspeter P，et al.Analysis of human faces using a measurement-based skinreflectance model.ACM Transactions on Graphics，2006，25(3)：1013-1024.

文献[1]构建4自由度的机械装置，分别挂载单个光源和单个能够测量物体表面反射比的反射计仪器，一次只能采集一个BRDF数据样本，速度非常慢。文献[2-3]使用单个数码相机和单个光源，利用曲面物体一次获取多个BRDF样本数据，采集速度有所提高，以上文献只适合采集单材质BRDF。文献[4]在黑暗房间环境下手动移动单个光源和单个相机，采集多材质SVBRDF，采集数据比较稀疏。文献[5]构建两个机械臂分别挂载单个光源和单个相机，自动控制光源和相机的移动进行SVBRDF数据采集，可自由选择进行密集或稀疏采集。文献[6]构建了与本文相似的采集设备，但是该设备只完成了整个2V Geodesic Dome球体的一半，且相机和光源位置固定，灵活性不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有采集设备的不足，提供一种针对任意物体基于2VGeodesic Dome的立体光学属性快速采集设备，该设备采集速度快、可灵活扩展，适合采集多种数据，满足了当前光学属性数据采集的需求。

本发明采用的技术方案：一种基于2V Geodesic Dome的物体光学属性获取立体采集设备，其特征在于包括以下部分：

(1)利用四面单凹铝型材构建2V Geodesic Dome，设计可升降高度的球体中心电动旋转平台支撑部件；设计可在四面单凹铝型材凹槽内任意滑动的相机和光源挂载部件，以上部件均采用阳极铝氧化工艺处理为黑色不反光。

(2)多相机、多光源及电动旋转台同步控制系统。

所述步骤1中构建2V Geodesic Dome，其特征在于：使用四面单凹铝型材做为构建原材料，根据2V Geodesic Dome技术标准，设计长边、短边、五边连接、六边连接等部件。设计固定于水平面的中空立柱套筒、可插入套筒的升降柱及电动旋转台托板。设计圆盘形底座，中心打一个螺丝孔，边缘打三个螺丝孔。其中中心孔利用螺丝与预先嵌入凹槽内的中心带螺丝孔的划片相连用于滑动或固定。边缘三个螺丝孔用来固定万向节，万向节上挂载光源或者相机，具有360度的自由度。

所述步骤2中相机、光源及电动旋转台同步控制系统，其特征在于：设计信号控制器实现对多通路的开关控制，主要由相机端子板和LED继电器端子板组成，分别根据相机触发需要5伏的高电平和光源触发需要220伏电压的特性，输出电平信号。所有的控制信号均由数字量输出卡(AMPCI-7208)产生。本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)基于2V Geodesic Dome的球体采集设备，所有连接点出无焊点，方便拆装及调整，可灵活挂载多相机和多光源，并可以任意调整相机和光源的位置及其密度分布。

(2)将光源、相机、电动旋转台等统一利用一台计算机和同步控制系统进行控制，采集过程可实现自动化。

附图说明

图1a和图1b为2V Geodesic Dome示意图；

图2为搭建2V Geodesic Dome长边设计图；

图3为搭建2V Geodesic Dome长边与节点连接板设计图；

图4为搭建2V Geodesic Dome短边设计图；

图5为搭建2V Geodesic Dome短边与节点连接板设计图；

图6a和图6b为搭建2V Geodesic Dome节点设计图；

图7a和图7b为5边连接节点和6边连接节点实际组装效果图；

图8a和图8b为相机光源与2V Geodesic Dome中间可滑动连接部件设计图和实际加工效果图；

图9a和图9b为嵌入带螺丝孔滑片的四面单凹铝型材及万向节；

图10a和图10b为2V Geodesic Dome中心可升降平台设计图；

图11为固定电动旋转平台的托板设计图；

图12可升降平台组装效果图；

图13a和图13b为控制系统电路设计图；

图14a和图14b为控制系统电路及数字量输出卡(AMPCI-7208板)外观图。

具体实施方式

本发明采用如下步骤：

(1)基于2V Geodesic Dome球体框架的搭建

使用2V Geodesic Dome多面体来形成接近球体的结构。如图1(a)所示。2V Geodesic Dome具有80个面，42个节点，120条边。其中42个节点根据所连接边的个数可分为5边连接节点和6边连接节点，120条边可以分成两类长边和短边分别如图1(b)中的实线和虚线边所示，下半球与上半球对称。为了构成一个球体长边和短边与节点所处切面的夹角不同，分别为18度和16度。图2为本发明设计的长边铝型材设计图，由于长边与节点所在切面的夹角为18度，因此将其边缘切割成角度为72度的斜面；图3为长边与节点相连所设计的连接板，其弯曲角度为18度，打3个螺丝孔用来固定，其中图3下图左边螺丝孔用来与节点相连，而右侧两个螺丝孔用来与长边固定。图4和图5分别为短边铝型材及连接板设计图，与长边相比除了长度和角度不同，与节点连接方式一致。图6为两类节点设计图，其中(a)为五边连接节点，设计为5棱柱，并对应5条边中间位置打5个螺丝孔与连接板固定，(b)为六边连接节点，设计为6棱柱，对应6条边中间位置打6个螺丝孔与连接板固定。按照2V GeodesicDome的几何结构以及图2-图6设计的部件可以完成对Dome的组装。图7(a)和图7(b)分别为组装完成后5边连接节点和6边连接节点实际效果图。

图8(a)所示为相机光源与Dome设备连接部件设计图，图8(b)为实际加工效果图。由于使用四面单凹形铝型材完成Dome搭建，因此在凹槽内事先放入带螺丝孔的滑片如图9(a)所示，图8(a)设计的圆形连接部件，中心打孔通过螺丝与嵌入凹槽的滑片进行连接，顺时针旋转此圆形连接部件可固定位置，逆时针旋转松动螺丝之后可以在凹槽内移动后顺时针旋转重新调整位置。圆形连接部件边缘打3个螺丝孔与图9(b)所示市场购买的万向节相连，通过万向节与相机或光源相连保证光源及相机的3自由度旋转。

图10所示为可升降的平台设计图，其中(a)为中空钢管，内壁直径与(b)外壁直径相同。(b)所示升降柱可插入(a)中，并可进行上下升降。调整位置之后，通过(a)图右上角所示两个螺丝进行固定。图10(b)的顶端与图11所设计的托台通过3个螺丝进行固定，而图11设计的托台可与市场购买的电动旋转平台进行连接固定，使得放置在该平台上的物体可以在水平面上360度旋转。图12为实际安装效果图。

(2)相机、光源及电动旋转台同步控制系统设计与实现

由于触发条件不同，因此同步控制系统的设计包含三部分：

1)LED继电器端子板

如图13(a)所示，Dc表示固态继电器SSR控制端的正极输入电压+12v，R表示保护电阻，控制信号表示从数字量输出板产生的高低电平信号，Ac为市电交流220v，负载为LED光源。通过控制固态继电器输入端回路的通断实现对负载回路的开关。

2)相机端子板

如图13(b)所示，Dc+5v表示相机端子板正极输入电压+5v，R表示保护电阻，控制信号表示从数字量输出板产生的高低电平信号，负载为相机。通过控制回路的通断实现相机的开关。

图14(a)为控制电路外观效果图。LED继电器端子板和相机端子板的控制信号均由数字量输出卡产生(AMPCI-7208板，图14(b))，数字量输出卡与信号控制器通过针式D型插头连接。

3)电动旋转台

高精度电动旋转台为市场购买，与计算机通过串口直接相连。

Claims (3)

1.一种基于2V Geodesic Dome的物体光学属性获取立体采集设备，其特征在于包括以下部分：

(1)利用四面单凹铝型材构建的2V Geodesic Dome，设计可升降高度的球体中心电动旋转平台支撑部件；设计可在四面单凹铝型材凹槽内任意滑动的相机和光源挂载部件，以上部件均采用阳极铝氧化工艺处理为黑色不反光；

(2)多相机、多光源及电动旋转台同步控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于2V Geodesic Dome的物体光学属性获取立体采集设备，其特征在于：使用四面单凹铝型材做为构建原材料，根据2V Geodesic Dome技术标准，设计长边、短边、五边连接、六边连接部件；设计固定于水平面的中空立柱套筒、可插入套筒的升降柱及电动旋转台托板；设计圆盘形底座，中心打一个螺丝孔，边缘打三个螺丝孔；利用螺丝通过中心孔与预先嵌入凹槽内划片的中心孔相连，可用于滑动或固定划片位置；边缘三个螺丝孔用来固定万向节，万向节上挂载光源或者相机，具有360度的自由度。

3.根据权利要求1所述的一种基于2V Geodesic Dome的物体光学属性获取立体采集设备，其特征在于：设计信号控制器实现对多通路的开关控制，每个通路开关控制一台相机或者一个光源，所述信号控制器由相机端子板和LED继电器端子板组成，分别根据相机触发需要的5伏的高电平和光源触发需要的220伏电压的特性，输出电平信号；所有的控制信号均由数字量输出卡AMPCI-7208产生。

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