CN105261318B - 光场照明方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光场照明方法、装置及系统，所述方法包括：根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。本发明通过使用投影仪与透镜阵列实现光场照明可以达到像素级的精确照明控制，实现在现实场景中逼真地模拟各种复杂的光场环境。
Description
技术领域
本发明涉及光照渲染领域，尤其涉及一种光场照明方法、装置及系统。
背景技术
在影视特效制作、舞台灯光控制等领域中，为了在使用采样场景对真实物体进行光照渲染的过程中得到真实自然的渲染效果，需要对采样场景的光照输入图像进行精确控制与恢复。
现有技术中，具有代表性的光场照明方法，如美国南加州大学Paul Debevec等人研制的光照装置，使用了156个全彩发光二极管(Light Emitting Diode,LED)射灯安装在直径为2米的球形架上，并将LED射灯指向球形架中心，然后使用场景映照图驱动所有的LED射灯，控制它们的颜色与亮度，以恢复场景映照图的原始光照。另一种照明方法中，如美国伦斯勒理工大学Yu Sheng等人使用投影仪作为直接光源，投影渲染图像到真实建筑模型上，以辅助建筑采光设计。
但是，使用LED射灯作为光源，控制精度低；而采用投影仪作为光源，由于投影仪使用数量有限，只能模拟数量有限的点光源，在空间变化的复杂光照场景下，光源精度较低。
发明内容
本发明实施例提供一种光场照明方法，用以解决现有技术光场照明方法光源精度不足的问题。
本发明实施例提供一种光场照明方法，包括：
根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；
根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；
根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；
采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。
另一实施例中，所述根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值之前，还包括：
根据设定的投影图像的光测图阵列确定点光源的位置，所述点光源由所述投影仪的射出光线经过所述透镜进行重聚焦后形成；
根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度；
所述根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值包括：
根据所述校正后的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值。
另一实施例中，所述根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度包括：
根据
确定所述投影光线的射出位置及角度；
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
另一实施例中，所述投影仪为多个，所述方法还包括：对多个投影仪的所述投影输入图像与投影光场输出进行亮度映射，确定所述多个投影仪的所述投影输入图像及输出到照明光场的所述投影光线的亮度一致。
另一实施例中，所述方法还包括：
提取采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明后得到的所述目标物体的图像数据，融合所述图像数据与所述采样场景的图像数据，得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
本发明实施例还提供一种光场照明装置，包括：
确定模块，用于根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；
所述确定模块还用于根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值；
投影输入图像生成模块，用于根据亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，并根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；
照明模块，用于采用所述投影输入图像进行光场照明。
另一实施例中，所述确定模块还用于，根据设定的投影图像的光测图阵列确定点光源的位置，所述点光源由所述投影仪的射出光线经过所述透镜进行重聚焦后形成；
所述装置还包括：校正模块，用于根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度；
所述确定模块具体用于，根据所述校正后的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值。
另一实施例中，所述确定模块具体用于：
根据
确定所述投影光线的射出位置及角度；
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
另一实施例中，所述装置还包括：
数据提取模块，用于提取采用所述投影输入图像对所述目标物体进行光场照明后得到的照明数据；
融合模块，用于合并所述照明数据与所述采样场景的图像数据，得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
本发明实施例还提供一种光场照明系统，包括投影仪、透镜阵列及上述任一种光场照明装置。
本发明实施例所提供的光场照明方法、装置及系统，通过投影仪的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；并根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，从而生成所述投影输入图像，并采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。本发明通过采集采样场景的光测图阵列，结合投影光线的位置和角度，可以实现对采样场景的精确光照恢复，通过使用投影仪与透镜阵列实现光场照明可以达到像素级的精确照明控制，实现在现实场景中逼真地模拟各种复杂的光场环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例光场照明方法的原理示意图；
图2为本发明实施例光场照明方法的流程示意图；
图3为本发明实施例确定点光源位置的方法原理图；
图4为本发明实施例光场照明系统的使用场景示意图；
图5为本发明实施例光场照明装置的结构框图；
图6为本发明实施例光场照明系统的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光场照明方法，用于在影视特效制作、舞台灯光控制等领域通过采样场景的恢复光照对真实物体进行光照渲染，提升渲染图像的真实感。
图1为本发明实施例光场照明方法的原理示意图。请参阅图1，本发明实施例光场照明系统通过投影仪10及由多个透镜21组成的透镜阵列构建而成。所述透镜阵列可以根据照明光场的范围及照明场景的具体情况进行设定，例如20×20。投影仪10的射出光线经过所述透镜阵列进行重汇聚后形成多个各向异性的点光源30，所述多个点光源30构成与所述透镜阵列排列形式一致的点光源阵列。通过所述点光源阵列形成投影光线投射到光场照明区域40。其中，所述投影仪10与所述透镜阵列的距离为h1，所述透镜阵列与光场照明区域40相距距离为h2。本发明实施提供的光场照明方法通过采集某一场景的光照数据，在照明范围内将所述场景的光照环境进行精确恢复，然后利用恢复光照对真实物体照明，得到真实物体的光照渲染结果。由于所述点光源射出的投影光线来源于投影图像，可实现对所有点光源在不同角度上的投影光线的颜色与亮度进行像素级的精确控制。
下面结合附图对本发明实施例光场照明方法进行详细的说明。
图2为本发明实施例光场照明方法的流程示意图。请参阅图2，本发明实施例提供的光场照明方法，包括：
S101：根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；
具体地，可以根据光线传输矩阵对投影光线的射出位置及角度进行精确控制，其中，所述投影光线的是指所述投影仪射出光线经过透镜阵列传输后到达光场照明区域的光线。所述光线传输矩阵可以表示为：
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
S102：根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；
根据光照需求选取待恢复的采样场景，并采集所述采样场景的光测图阵列，将所述光测图阵列对应设置于所述光场照明区域。根据所述投影光线的位置与角度去找对应的光测图的像素，根据所述光测图的像素值即可确定所述投影光线的亮度值。
S103：根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；
所述亮度转移函数用于表示投影仪的投影输入图像的像素值与输出亮度之间的关系，通常采用离散标定后，拟合曲线得到。根据所述投影仪的亮度转移函数可以将所述投影光线的亮度值转化为用于对光场进行照明的投影输入图像的像素值，根据所述投影输入图像的像素值即可生成所述投影输入图像。
S104：采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。
本发明实施例提供的光场照明方法，通过投影仪的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；并根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，从而生成所述投影输入图像，并采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。本发明通过采集采样场景的光测图阵列，结合投影光线的位置和角度，可以实现对采样场景的精确光照恢复，通过使用投影仪与透镜阵列实现光场照明可以达到像素级的精确照明控制，实现在现实场景中逼真地模拟各种复杂的光场环境。
进一步地，为了在确定所述投影光线的射出位置及角度的过程中，消除模型等型基变及设备误差对光线传输矩阵带来的影响，保证所述投影光线的射出位置及角度的精度，所述根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值之前，还包括：
S201：根据设定的投影图像的光测图阵列确定点光源的位置，所述点光源由所述投影仪的射出光线经过所述透镜进行重聚焦后形成；
图3为本发明实施例确定点光源位置的方法原理图。请参阅图3，具体地，投影仪投影设定的投影图像的产生光场照明，采集所述设定图像在光场照明区域内的光测图阵列，得到含有投影亮点点阵的光测图图像。根据投影亮点在所述光测图中的像素位置及光测图的球型投影模型，将所述投影亮点转化为空间中的投影光线。将转化得到的所有投影光线与所述点光源阵列所在的聚焦平面相交，即可得到对应点光源的空间位置。具体地，为了便于确定所述投影亮点在所述光测图中的像素位置，所述设定的投影图像可以为单一颜色的图像。可选地，为了保证所述投影亮点的亮度，以利于确定所述投影亮点在所述光测图中的像素位置，所述设定的投影图像可以为全白的图像。
S202：根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度；
所述根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值包括：
根据所述校正后的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值。
具体地，根据
确定所述投影光线的射出位置及角度；
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
本发明实施例中，通过本方法中由各向异性点光源阵列构成的四维光场的空间分辨率为所述点光源数量，使用一个投影仪时，所述空间分辨率等于透镜阵列分辨率，如公式2所示：
Rspatial＝RL (2)
其中Rspatial为四维光场空间分辨率，RL为透镜阵列分辨率。例如，所述透镜阵列由20×20个透镜组成，即所述透镜阵列的分辨率为20×20。由式可知，提高透镜阵列分辨率等价于提高四维光场的空间分辨率。此外，增加投影仪数量可成比例提高四维光场空间分辨率。
四维光场的角度分辨率为每一点光源的出射光线数量，如公式3所示：
其中Rangular为四维光场角度分辨率，RP为投影仪分辨率，RL为透镜阵列分辨率。由式可知，提高投影仪分辨率或是降低透镜阵列分辨率可以提高四维光场的角度分辨率。通过对透镜阵列的定制及投影仪数量和分辨率的选型，可以灵活的控制光场照明系统的空间及角度分辨率。
图4为本发明实施例光场照明系统的使用场景示意图。请参阅图4，进一步地，为了实现更大角度范围的光场照明，所述投影仪10可以为多个，每个投影仪10与一组透镜阵列20配合使用形成独立的光场照明系统。两组光场照明系统覆盖同一照明范围以实现多角度的光照控制与恢复(图4仅以两个投影仪为例)。当采用多个投影仪进行光场照明时，所述光场照明方法还包括：对多个投影仪的所述投影输入图像与投影光场输出进行亮度映射，确定所述多个投影仪的所述投影输入图像及输出到照明光场的投影光线的亮度一致。
进一步地，为了得到逼真的图像渲染效果，所述方法还包括：
提取采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明后得到的所述目标物体的图像数据，融合所述图像数据与所述采样场景的图像数据，得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
具体地，对采用所述投影输入图像进行照明下的所述目标物体进行拍照，获取到所述目标物体在所述投影输入图像光照下的图像数据，通过图像处理软件将所述获取到的图像数据与所述采样场景的图像数据进行融合，即可得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
本发明实施例还提供一种光场照明装置，图5为本发明实施例光场照明装置的结构框图，请参阅图5，所述装置包括：
确定模块510，用于根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；
所述确定模块510还用于根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值；
投影输入图像生成模块520，用于根据亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，并根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；
照明模块530，用于采用所述投影输入图像进行光场照明。
本发明实施例提供的光场照明装置，通过投影仪的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；并根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，从而生成所述投影输入图像，并采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。本发明通过采集采样场景的光测图阵列，结合投影光线的位置和角度，可以实现对采样场景的精确光照恢复，通过使用投影仪与透镜阵列实现光场照明可以达到像素级的精确照明控制，实现在现实场景中模拟各种复杂的光场环境。
所述确定模块510还用于，根据设定的投影图像的光测图阵列确定点光源的位置，所述点光源由所述投影仪的射出光线经过所述透镜进行重聚焦后形成；
进一步地，为了在确定所述投影光线的射出位置及角度的过程中，消除模型等型基变及设备误差对光线传输矩阵带来的影响，保证所述投影光线的射出位置及角度的精度，所述装置还包括：校正模块540，用于根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度；
所述确定模块510具体用于，根据所述校正后的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值。
所述确定模块510具体用于：
根据
确定所述投影光线的射出位置及角度；
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
进一步地，为了得到逼真的图像渲染效果，所述装置还包括：
数据提取模块550，用于提取采用所述投影输入图像对所述目标物体进行光场照明后得到的照明数据；
融合模块560，用于合并所述照明数据与所述采样场景的图像数据，得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
具体地，所述确定模块510、投影输入图像生成模块520及校正模块540的功能可以通过设置于计算机或其它电子设备内的处理器来实现，所述照明模块530的功能可以由所述投影仪10来实现，所述数据提取模块550的功能可以由所述照相机来实现，所述融合模块560的功能可以由书搜狐处理器运行所述图像处理软件来实现。
本发明装置实施例提供的光场照明装置用以执行上述方法实施例提供的技术方案，其实现原理与技术效果类似，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种光场照明系统，图6为本发明实施例光场照明系统的结构框图。请参阅图6，所述光场照明系统包括投影仪10、透镜阵列20及上述实施例中所述的光场照明装置500。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种光场照明方法，其特征在于，包括：
根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；
根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值；
根据所述投影仪的亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；
采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图阵列确定所述投影光线的亮度值之前，还包括：
根据设定的投影图像的光测图阵列确定点光源的位置，所述点光源由所述投影仪的射出光线经过所述透镜进行重聚焦后形成；
根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度；
所述根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值包括：
根据所述校正后的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度包括：
根据
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确定所述投影光线的射出位置及角度；
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述投影仪为多个，所述方法还包括：对多个投影仪的所述投影输入图像与投影光场输出进行亮度映射，确定所述多个投影仪的所述投影输入图像及输出到照明光场的所述投影光线的亮度一致。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
提取采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明后得到的所述目标物体的图像数据，融合所述图像数据与所述采样场景的图像数据，得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
6.一种光场照明装置，其特征在于，包括：
确定模块，用于根据投影仪射出光线的射出位置及角度、透镜的焦距确定所述射出光线经过所述透镜阵列传输后的投影光线的射出位置及角度；
所述确定模块还用于根据所述投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值；
投影输入图像生成模块，用于根据亮度转移函数将所述投影光线的亮度值转化为投影输入图像的像素值，并根据所述投影输入图像的像素值生成所述投影输入图像；
照明模块，用于采用所述投影输入图像进行光场照明。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述确定模块还用于，根据设定的投影图像的光测图阵列确定点光源的位置，所述点光源由所述投影仪的射出光线经过所述透镜进行重聚焦后形成；
所述装置还包括：校正模块，用于根据所述点光源的位置校正所述投影光线的射出位置及角度；
所述确定模块具体用于，根据所述校正后的投影光线的射出位置及角度以及采样场景的光测图确定所述投影光线的亮度值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述确定模块具体用于：
根据
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确定所述投影光线的射出位置及角度；
其中，xp表示所述投影仪的射出光线的射出位置，vp表示所述投影仪的射出光线的射出角度，fl表示所述透镜的焦距，h1表示所述投影仪至所述透镜的光线传输垂直距离，h2表示所述透镜至投影平面的光线传输垂直距离；z表示所述点光源的位置，xl表示所述投影仪的投影光线的射出位置，vl表示所述投影仪的投影光线的射出角度。
9.根据权利要求6-8任一项所述的装置，其特征在于，还包括：
数据提取模块，用于提取采用所述投影输入图像对目标物体进行光场照明后得到的照明数据；
融合模块，用于合并所述照明数据与所述采样场景的图像数据，得到所述采样场景下所述目标物体的光照渲染结果。
10.一种光场照明系统，其特征在于，包括投影仪、透镜阵列及如权利要求6-9任一项所述的光场照明装置。
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