CN102314708B

CN102314708B - 利用可控光源的光场采样及模拟方法

Info

Publication number: CN102314708B
Application number: CN 201110134132
Authority: CN
Inventors: 赵沁平; 王霖; 伍朝辉; 周忠; 吴威
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2031-05-23
Also published as: CN102314708A

Abstract

本发明涉及一种利用可控光源的光场采样及模拟方法。该方法设计一种可控光源装置进行光场的采集与模拟，具体包括：(1)设计一种位置、方向、光强度、照射表面可控的光源装置；(2)将可控光源装置与光场采集设备置于实验场景中，对光场采集装置进行标定；(3)在步骤(2)搭建好实验平台后，控制光源属性线性变化，对环境光场进行密集采样，生成四维全光函数，建立光源属性与全光函数的映射关系；(4)在步骤(3)建立光源属性与全光函数的映射关系后，利用全光函数的连续性，恢复带有光源相关参数的高维全光函数；(5)利用光源变化信息对高维全光函数重采样获得不同光源条件下的环境光场。

Description

利用可控光源的光场采样及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种利用可控光源对光场采样及模拟的方法，属于虚拟现实技术领域。

背景技术

建立光照模型，主要是根据光学物理的有关定律，采用计算机模拟自然界中的光照明的物理过程。传统的光照模型描述了光源的分布与性质以及物体表面的材质的反射特性，最后经过绘制公式的计算产生出虚拟的合成图像。

Adelson和Bergen在文章《Computational Models of Visual Processing》中提出用七维全光函数来描述整个场景的全部信息，他们认为整个世界就是一个充满了稠密光线的空间，每条光线带有不同的能量。全光函数就是定义了空间任意一点处，在任意时刻，任意波长下的光线。换句话说，场景本身就是全光函数，而图像就是通过摄像机获得这个七维函数的二维截面。全光函数中包含了场景中光照分布所有信息，后来的相关研究对这个七维函数进行了简化，提出了四维全光函数Light Field和Lumigraph模型，这一简化提取出了场景中影响光照分布的关键参数，具有更加实际应用价值。

基于图像的光照就是建立全光函数的基础之上建立的光照模型，目前建立的光照模型方法可以分为三类：一种是利用传统光照模型的方法；一种是利用基于图像的光照模型的方法；一种是无需光照模型的方法。

利用传统光照模型是最为直观的方法，且被广泛采用。该方法的核心思想是基于图像的建模技术，包括基于图像的几何建模、基于图像的光源建模、基于图像恢复BRDF属性，利用图像恢复整个场景，再采用传统的光照方法对场景进行渲染。由于基于图像的建模技术困难度比较大，光照真实度不强，很难用于高真实感场景渲染。

利用基于图像的光照模型方法，并不需要完全恢复场景的模型信息，而是利用了基于图像的光照模型，该模型是针对全光函数的一种变形函数，它定义了采样得到的已知全光函数到场景变化后所求的未知全光函数之间的变换关系。

总的来说，现有场景光照模拟方法存在着计算量大，真实感不强，不适合复杂光照环境下的实时计算，无法用于虚拟现实系统中的光照渲染。

发明内容

本发明的目的是解决光源时变场景的光照实时渲染问题，克服了现有的生成光照模型方法存在的计算复杂，不能实时根据光源变换信息模拟变化后的光场，为虚拟现实系统提供了一种高真实度的光照模拟方法。

为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是：设计一种可控光源装置，并提出一种利用可控光源对光场采样及模拟的方法，其具体步骤如下：

所述的一种可控光源装置的设计为：

该装置的框架为一个钢丝围成的近似球面的三角包围网格，网格中心固定有一个各向同性光强度可调的光源，通过在三角网格上安装黑色幕布控制光源的照射角度，整个球面网格安装在一个三维数控平移台上，通过平移台可以调整光源在三维空间中的位置。

所述的利用可控光源对光场采样及模拟的方法为：

(1)首先在实验场景中放置可控光源装置与光场采集设备，可控光源装置的位置有人工设置，然后对光场采集设备进行标定；

(2)将可控光源装置抽象为一个六维函数，控制该函数的每个参数进行线性变化，对环境光场进行密集采样，生成四维全光函数，建立光源属性与全光函数的映射关系。

所述步骤(2)将可控光源装置抽象为一个六维函数的过程为：

首先使用三维空间参数x，y，z表示光源的位置信息，使用二维球面角坐标

θ表示光源的出射角度信息，使用λ表示光源中波长信息，该六维函数可以表示为：

上述函数详细描述了光源的出射光照分布信息。

所述步骤(2)建立光源属性与全光函数映射关系的过程为：

(2.1)通过密集采样获得四维全光函数

利用光场采集设备对场景的光照进行空间和角度的采样，采样得到一组不同位置的全景环境光照图像，再利用光场采样设备的标定信息拟合出四维的光场函数如下表示：

B＝g(s，t，u，v)

上述函数描述了场景中从位置u，v出发通过位置s，t的光照信息。

(2.2)可控光源参数到光场函数的映射

通过控制光源每个参数线性变化改变整个场景中光照的分布情况，采集该条件下四维光场函数，首先建立每个变化参数到出射光照分布的映射

的映射，再建立出射光照分布到四维光场的映射I_s→B。

(3)利用全光函数空间和角度的连续性，恢复带有光源参数的高维全光函数为：

上述函数描述了引入光源参数的高维全光函数。

(4)对不同光源条件下的光场进行模拟

通过对获得的高维全光函数重采样获得不同光源条件下的光场信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中设计的可控光源装置具有多维可变参数，为光场的采集与模拟提供了支持。

(2)本发明将光源抽象为六维参数控制的变化函数，真实的模拟了实际光源的属性。

(3)本发明克服现有技术使用照相机静态采集场景图像信息计算光照模型的缺点，充分利用了全光函数的连续性，对场景的不同光照条件下的光场模拟。

附图说明

图1为本发明的可控光源结构图；

图2为本发明的环境光场采样设备分布图；

图3为本发明的利用可控光源变化的光场模拟方法流程图。

具体实施方式

本发明在具体实施前，需要有两个前提：

其一，可控光源的位置，出射角度和光照强度属性可以连续的变化。

本发明是利用全光函数的连续性，但现实中只能对低维光场离散采样，因此必须保证合适的采样密度，才能通过离散的数据集合拟合连续的光场函数。如图1所示，本发明所设计的可控光源装置具有多维可控参数，每个参数的可调范围广，精度高，适合于密集采样。

其二，对场景光场的采样需要使用光场相机，使用时需要对相机进行标定。

光场相机实际上是一个二维普通相机阵列，由于传统的相机捕获的图像亮度分为256个亮度级，无法描述更为细节的亮度信息，不足以表示场景的光照强度，利用高动态范围技术改变拍摄时的曝光度可通过普通照片合成高动态图像，更加精确的描述了场景的光照信息。

下面对发明的利用可变光源的光照采样及模拟方法作详细的阐述：

步骤1：如图1所示，给出可控光源装置的结构设计图，装置的组成如下所述：

1为钢丝围成的近似球面三角包围网格，该框架是可控光源装置的核心结构，每个三角网格上安装有可拆幕布，可以控制光源的出射角度；

2为三维平移台，控制安装在其上的光源在三维空间坐标中的位置；

3为光照强度可调球状光源，可以数字化控制光源出射光强度变化。

步骤2：如图2所示，给出环境光场采样设备分布图，4为待采集场景框架，5为步骤1中设计的可控光源，将对其各个参数项进行初始化，6为光场采集设备，需要对其进行标定，恢复相机的内部与外部参数，建立全局坐标系。

步骤3：如图3所示，给出利用可控光源对光场数据进行采样方法流程图，改变光源的某一维属性，通过光场采集设备获得场景当前条件下的光场数据，记录此时可控光源每个参数的值，继续重复上述工作，直到采集到每组随光源参数变化的环境光场数据。

步骤4：建立光源属性与四维光场的映射关系，首先利用光场采样设备获得的离散数据恢复四维光场，再利用控制变量法建立每一维光源变化参数与四维光场的映射关系，最后通过光场空间和角度的连续性，恢复出带有光源控制参数的高维光场函数。

步骤5：当光源条件变化时，利用每一个参变量对高维全光函数进行重采样，可以获得对光源变化后的环境光场的模拟。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的技术人员公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.利用可控光源的光场采样及模拟方法，其特征在于包括：

（1）布置可控光源装置，所述可控光源装置的位置、方向、光强度、照射表面可调；

（2）将可控光源装置与光场采集设备置于实验场景中，对光场采集设备进行标定；

（3）可控光源装置包括六维可控参数，控制每个参数进行线性变化，对环境光场进行密集采样，生成四维全光函数，建立光源属性与全光函数的映射关系，所述建立光源属性与全光函数的映射关系包括：首先将可控光源属性划分为三维位置参数、二维球面角度参数、一维光波长参数共六维参数，然后利用控制变量法分别建立每个参数的变化条件下全光函数的变化规律；

（4）建立光源属性与全光函数的映射关系后，利用全光函数空间和角度的连续性，恢复带有光源参数的高维全光函数；

（5）在光源发生变化的条件下，通过对己建立的高维全光函数进行重采样得到不同条件下环境光场信息。

2.如权利要求1所述的利用可控光源的光场采样及模拟方法，其特征在于，所述可控光源装置通过数控技术对光源参数进行实时数字化控制，包括光源三维位置的调整，不同照射角度光强度的调整。

3.如权利要求1所述的利用可控光源的光场采样及模拟方法，其特征在于，所述建立光源属性与全光函数的映射关系还包括：将可控光源装置抽象为具有六维参数的光强函数：三维位置x,y,z参数、二维球面角度θ，ρ参数，一维光波长λ参数，采用控制变量法分别建立这六维参数与全光函数的映射关系。

4.如权利要求1所述的利用可控光源的光场采样及模拟方法，其特征在于，所述恢复带有光源参数的高维全光函数为利用全光函数空间和角度的连续性，将可控光源的六维参数加入采集到的四维全光函数中，利用离散的采样点拟合出十维全光函数。