CN103108452A - 一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，属于虚拟现实技术领域。本方法将从真实场景中采样得到的动态光场数据重投影到重现场景架设光源的区域，然后在该区域把重投影后的动态光场数据聚类为离散的动态各向异性点光源，并使用一组可编程控制的窄光束角全色LED射灯和旋转底座来模拟这样的点光源，最后通过后台控制程序和重投影后的动态光场数据驱动LED射灯和旋转底座自动完成场景光照重现过程。本方法由真实采样得到的动态光场数据驱动，场景光照还原度高、真实感强，且完全由后台程序自动控制，无需人员值守，自动化程度高，适用于影视拍摄、舞台灯光控制等领域。

Description

一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种动态光场数据驱动场景光照重现的方法。

背景技术

如何获得具有高度真实感的光照环境是影视制作、媒体广告和舞台灯光等领域所普遍面临的问题，一条行之有效却鲜有人提及的方案是利用从真实场景采集的光照数据在我们需要的场景中进行光照重现。本发明正是基于这种方案提出的一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法。

光场是对一个场景内所有光线集合的数据抽象，它包含了这些光线的出射位置、方向、颜色、强度及在时间上的变化的所有信息。采样并存储一个场景的光场数据，即可使用这些数据来完成一个场景的光照环境在另一场景恢复重现。光测图是高动态全景图，用于描述一个空间点的入射光照信息，每一个光测图像素代表一条采样光线。使用光测图来采样真实场景中的光场数据是目前计算机领域最为常见和实用的方法，而光测图序列和四维光场表示模型是光场数据表示模型最为主要的两种类型，针对两种类型，本发明均可用于完成对场景光照重现的数据驱动。

目前很少有方案用于实现光照重现，一个相近的工作是美国南加州大学Paul Debevec等提出的Light Stage3，他们使用环境映照图驱动球形架上密布的LED射灯来完成光照重现。该方案仅使用了单点的环境映照图来表达整个场景的光照信息，所以只能用于重现球形架中心点光场，而且将中心点物体抽象为空间的一个点，因此该方案不能表示场景光照的空间变化，完全不足以表达大部分真实光照情况，如非均匀光照、光照衰减、存在阴影等情况。此外，该方案灯具分布范围小，只能用于重现人的面部或一些类似小型物体的表面光照，不适用于稍大规模的场景，如影视摄影棚、电视录制间、舞台等。

本发明提出的动态光场数据驱动场景光照重现方法完全解决了现有方法所存在的主要问题。使用动态光场数据记录了场景光照的空间变化信息，解决了现有方法只能恢复简单均匀光照环境的问题；使用各向异性点光源模型，适应于各种场景环境的灯具布置，解决了现有方法不适用于大规模场景的问题；使用可编程控制的多LED组合和旋转底座来自动控制场景光照重现过程，解决了现有方法光照恢复真实感低的问题。

发明内容

本发明的目的是解决在影视制作、舞台灯光控制等领域难以实现的高真实感光照重现的问题，提出了一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，可以实现一场景的光照环境在另一场景的真实重现。

为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，包括以下步骤：

步骤（1）、将事先在原始场景采样得到的动态光场数据重投影到重现场景的光源区域；

步骤（2）、将重投影得到的光场数据聚类为离散的各向异性点光源；

步骤（3）、对步骤（2）中聚类完成的每一个各向异性点光源，使用一组可编程控制的窄光束角全色LED射灯和旋转底座来进行模拟；

步骤（4）、通过后台程序和重投影后的动态光场数据来控制每一时刻旋转底座的旋转角度和LED射灯的颜色与强度，实现原始场景的光照重现。

其中，事先在原始场景采样得到的动态光场数据包括两种类型，光测图序列和动态四维平面光场表示模型；针对两种类型的数据，使用相同的方法，即光线重投影到重现场景需要架设光源的区域；光测图的每一个像素代表它的一条采样光线，像素值即为采样光线的强度，采样光线的方向由光测图的全景模型决定，通常采用球形全景模型；四维平面光场表示模型的每一个四维数据即为一条采样光线；重现场景根据具体应用需要，架设光源区域可为平面区域、弧面区域或其它不规则区域均可。

其中，原始动态光场数据重投影的采样光线与重现场景架设光源的区域形成一系列离散交点，这些交点代表这些采样光线从架设光源区域出射的位置，从这些交点中选取若干点作为代表点来代表它们周围一定区域内的所有交点，从而形成有一定间距的代表点序列，每个代表点都替代它周围区域内的其它交点，作为区域内所有光线的出射位置，从而使每个区域都可以用一个各向异性的点光源来模拟，代表点的位置即为点光源所在的位置；代表点的数量、分布、邻域大小由重现场景的规模、重现光照精度要求等客观条件与需求决定。

其中，采用一组可编程控制的窄光束角全色LED射灯和旋转底座来模拟一个各向异性点光源，每个LED射灯模拟点光源一定角度范围内的出射光线；此类LED射灯具有方向性好、可编程控制射灯的颜色与强度、控制命令实时响应等优点，适用于表现各向异性点光源一定角度范围内的光线变化，再通过多个LED射灯组合以不同的朝向来覆盖点光源更大的角度范围，就可以模拟出完整的各向异性点光源；此外，采用可编程控制的旋转底座除了用于给LED射灯供电以外，还能实时控制LED射灯旋转角度，针对较为均匀的光照场景可以减少LED射灯数量，通过旋转射灯来模拟主要光照变化，在节省成本的同时能以较高质量完成场景光照重现；针对所采用的LED射灯型号和希望重现的光照角度范围差异，模拟每个各向异性点光源所需的LED射灯数量可以灵活选择。

其中，采用的LED射灯和旋转底座均可编程控制、实时响应，可通过后台程序实时控制每个旋转底座的朝向和每个LED射灯的颜色与强度；基于重投影后生成的离散动态各向异性点光源光照数据，可以在重现场景实时重现每一时刻的原始场景光照，从而实现动态光场数据驱动的原始场景光照重现。

本发明的原理在于：

基于事先在真实场景中采样的动态光场数据，完成原始光场数据到重现场景光源区域的光线重投影，建立离散的各向异性点光源表示模型，使用多个窄光束角可编程全色LED射灯和旋转底座来模拟各向异性点光源，最后通过后台程序和重投影后的动态光场数据驱动LED射灯和旋转底座完成每一时刻场景光照的真实重现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）使用动态光场数据驱动场景光照重现，解决了现有方法不能重现复杂光照场景的问题。

（2）与现有方法使用单点的环境映照图作为光源驱动数据相比，本方法采用的动态光场数据具有更高空间采样维度，重现的光照环境还原度高，真实感强。

（3）离散的各向异性点光源模型适应于各种场景的灯具布置，平面区域、弧面区域或是其它形状区域均可，可在大规模场景中使用，解决了现有方法灯具布置范围狭小的问题。

（4）针对场景规模大小、成本、要求恢复的光照环境精度和范围等客观条件与需求，可灵活配置LED型号、组合数量、分布范围、间距等参数，整体方案灵活有效。

附图说明

图1为本发明的动态光场数据重投影示意图；其中1为光测图示例，2为重现场景光源区域，3为采样光线与光源区域的交点；

图2为本发明的使用代表点表示的各向异性点光源示意图；

图3为本发明的各向异性点光源聚类算法流程图；

图4为本发明的一组全色LED射灯和旋转底座模拟各向异性点光源示意图；

图5为本发明的后台程序和动态光场数据驱动LED射灯和旋转底座完成场景光照重现的流程示意图；

图6为本发明的一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法的流程图示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

本发明提出了一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，该方法基于事先采样完成的动态光场数据，常见的动态光场数据主要包括两种类型：光测图序列和动态四维光场数据表示模型。针对两种数据类型，本发明采用相同的策略完成数据映射，即光线重投影，将原始场景的动态光场数据重投影到重现场景的光源区域，此光源区域可为任意形状的区域，下面结合图1、图6以光测图序列和平面光源区域为例，详细描述光线重投影的过程。

光测图是高动态全景图，它描述了光测图采样位置的入射光照情况，图上的每一个像素代表一条采样光线，像素值即为光线强度，光线方向由光测图的全景模型所决定，通常采用角度图全景模型。一副光测图记录了一个采样位置在一个时刻点的入射光照情况，针对原始场景选择若干个采样点，在每个采样点都采样一组时间轴上的光测图序列，即可完成对原始场景的空间动态光场数据采集。如图1所示，1为光测图示例，采用的角度图全景模型，且为高动态图像格式。图上的每一个像素代表一条采样光线，如图1中的两条采样光线所示，像素值即为光线强度，光线方向如公式(1)所示：

其中(s,t)为光测图的图像坐标，满足s∈[-1,1]，t∈[-1,1]，θ为三维空间中的方向角，

为极角，满足θ∈[0,2π]，

采样光线方向单位向量(x,y，z)如公式(2)所示：

将采样光线重投影回重现场景的光源区域，会与光源区域形成交点，如图1中3所示，这些交点可以认为是采样光线在光源上的出射位置。按时间序列将所有采样位置的光测图上的采样光线重投影回光源区域，并记录形成的交点位置及交点代表的采样光线的颜色、方向、强度和时间点信息，完成从光测图序列到平面光源类型的动态光场数据转换。

重投影后的采样光线可用以下公式(3)表示：

其中，(x,y)代表采样光线在平面光源的出射位置坐标，

表示采样光线的出射方向，t表示某一具体时刻的光场数据，p(l)为采样光线的强度。

完成采样光线的重投影过程后，需要将形成的大量离散交点聚类为若干代表点。如图2所示，每个代表点都作为它周围一定区域内所有交点发出光线的出射位置，从而形成了一个各向异性点光源。聚类的算法整体流程如图3所示，步骤如下：

1）设定代表点的邻域范围大小d；

2）随机抽取一个未被聚类的交点p_i=(x_i,y_i)，判断它是否处在某个代表点p_j=(x_j,y_j)的邻域范围以内，使得p_i∈U(p_j,d)；如果在，则将p_i聚入p_j所代表的聚类，否则，将p_i设置成为新的代表点，聚为一个新类；

3）判断是否还有未被聚类的交点，如果有，回到步骤2），没有则认为聚类完成，进入步骤4）；

4）针对每一个聚类，重新计算代表点所在位置，如公式(4)所示：

$p(x,y)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(x_i,y_i)---\left(4\right)$

其中，p(x,y)代表新的代表点位置，N为聚类中交点数量，(x_i,y_i)为聚类中第i个代表点的坐标值。

5）将每个聚类中的所有采样光线出射位置设为步骤4)中计算出来的新代表点位置，形成一个各向异性点光源，算法结束。

代表点邻域范围大小由场景光照重现精度要求所决定，范围设定越小，精度越高，所需设备成本也越高。

聚类完成的代表点可视为典型的各向异性点光源，本发明提出了一种各向异性点光源的模拟方式。如图4所示，使用一组可编程的窄光束角全色LED射灯和旋转底座来模拟各向异性点光源。市场上已有各种型号的可编程窄光束角全色LED射灯，该类射灯具有方向性好，可编程，易于控制，实时响应，RGB三通道全色输出等优点，完全适用于模拟各向异性点光源一定角度范围内的光照变化。再通过多个不同朝向的LED射灯组合来覆盖更大的角度范围，以此模拟完整的各向异性点光源。此外，还可以通过可编程旋转底座来控制每个LED射灯的朝向，以此覆盖更大的范围，减少每组LED射灯所需的数量，此方法可以在有效减少成本的同时达到较好的光照重现效果。每组LED射灯所需的数量由选用的LED射灯型号和希望覆盖的角度范围要求决定。针对不同型号的LED射灯，需要根据它的光束角大小对各向异性点光源模型进行角度域的简化。如选用的LED射灯光束角为10°，则需要将各向异性点光源10°空间角范围内的采样光线强度取均值，认为这10°空间角内的采样光线都具有相同的强度值。因此选用具有越窄光束角的LED射灯就能达到越好的光照重现精度，但是也就需要越多的LED射灯数量，提高成本。

图5描述了通过后台控制程序和重投影后的动态光场数据驱动场景光照重现的整体流程。后台程序通过网络设备连接配套的数控设备，使用按时间序列记录的重投影后的动态光场数据驱动每个LED射灯按它所在位置、所在方向投射出每一时刻具有正确颜色与强度的光线，从而完成场景光照重现。

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。如未来出现一些方向性强的点光源，可以替代目前方案中的LED射灯。

Claims (5)

1.一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，其特征在于包括：

步骤（1）、将事先在原始场景中采样得到的动态光场数据重投影到重现场景的光源区域；

步骤（2）、将重投影得到的光场数据聚类为离散的各向异性点光源；

步骤（3）、对步骤（2）中聚类完成的每一个各向异性点光源，使用一组可编程控制的窄光束角全色LED射灯和旋转底座来进行模拟；

步骤（4）、通过后台程序和重投影后的动态光场数据来控制每一时刻旋转底座的旋转角度和LED射灯的颜色与强度，实现原始场景的光照重现。

2.根据权利要求1所述的一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，其特征在于：事先在原始场景采样得到的动态光场数据包括两种类型，光测图序列和动态四维平面光场表示模型；针对两种类型的数据，使用相同的方法，即光线重投影到重现场景需要架设光源的区域；光测图的每一个像素代表它的一条采样光线，像素值即为采样光线的强度，采样光线的方向由光测图的全景模型决定，通常采用角度图全景模型；四维平面光场表示模型的每一个四维数据即为一条采样光线；重现场景根据具体应用需要，架设光源区域可为平面区域、弧面区域或其它不规则区域均可。

3.根据权利要求1所述的一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，其特征在于：原始动态光场数据重投影的采样光线与重现场景架设光源的区域形成一系列离散交点，这些交点代表了这些采样光线从架设光源区域出射的位置，从这些交点中选取若干点作为代表点来代表它们周围一定区域内的所有交点，从而形成有一定间距的代表点序列，每个代表点都替代它周围区域内的其它交点，作为区域内所有光线的出射位置，从而使每个区域都可以用一个各向异性的点光源来模拟，代表点的位置即为点光源所在的位置；代表点的数量、分布、邻域大小由重现场景的规模、重现光照精度要求等客观条件与需求决定。

4.根据权利要求1所述的一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，其特征在于：采用一组可编程控制的窄光束角全色LED射灯和旋转底座来模拟一个各向异性点光源，每个LED射灯模拟点光源一定角度范围内的出射光线；此类LED射灯具有方向性好、可编程控制射灯的颜色与强度、控制命令实时响应等优点，适用于表现各向异性点光源一定角度范围内的光线变化，再通过多个LED射灯组合以不同的朝向来覆盖点光源更大的角度范围，就可以模拟出完整的各向异性点光源；此外，采用可编程控制的旋转底座除了用于给LED射灯供电以外，还能实时控制LED射灯旋转角度，针对较为均匀的光照场景可以减少LED射灯数量，通过旋转射灯来模拟主要光照变化，在节省成本的同时能以较高质量完成场景光照重现；针对所采用的LED射灯型号和希望重现的光照角度范围差异，模拟每个各向异性点光源所需的LED射灯数量可以灵活选择。

5.根据权利要求1所述的一种动态光场数据驱动的场景光照重现方法，其特征在于：采用的LED射灯和旋转底座均可编程控制、实时响应，可通过后台程序实时控制每个旋转底座的朝向和每个LED射灯的颜色与强度；基于重投影后生成的离散动态各向异性点光源光照数据，可以在重现场景实时重现每一时刻的原始场景光照，从而实现动态光场数据驱动的原始场景光照重现。

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