CN107580187B - 一种全光场3d材质扫描装置及其图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光场3d材质扫描装置，包括拍摄模块、旋转模块、拍摄平台模块和主体框架模块；所述主体框架模块包括铝型材框，所述铝型材框由多根铝型材相互拼接形成的框架式结构，铝型材框的底部设有纵横交错的多根滑台支撑梁，本发明的有益效果是：采像方便，能对不同大小的产品进行多自由度的采像，而且配合LED灯的使用，能使3D渲染效果逼真。

Description

一种全光场3d材质扫描装置及其图像处理方法

技术领域

本发明具体是一种全光场3d材质扫描装置及其图像处理方法。

背景技术

现有产品无法实现自动化采集，采集区域较小，采集成像质量较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光场3d材质扫描装置及其图像处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全光场3d材质扫描装置，包括拍摄模块、旋转模块、拍摄平台模块和主体框架模块；

所述主体框架模块包括铝型材框，所述铝型材框由多根铝型材相互拼接形成的框架式结构，铝型材框的底部设有纵横交错的多根滑台支撑梁；

所述拍摄平台模块包括拍摄平台，拍摄平台置于铝型材框的底部且与滑台支撑梁滑动配合，所述铝型材框的底部在横向和纵向方向上分别安装有步进电机一和步进电机二，步进电机一和步进电机二的电机传动轴分别通过传送皮带一和传送皮带二驱动拍摄平台的运动，可以实现拍摄平台的位置改变；

所述旋转模块包括伺服电机、中空齿轮箱、旋转头和旋转臂，所述伺服电机固定安装在铝型材框的顶部，伺服电机的输出端连接中空齿轮箱，中空齿轮箱与传动轴连接，传动轴穿过过孔滑环并与旋转头连接，中空齿轮箱的通过定位连接块固定，旋转头与旋转臂固定连接，所述旋转臂为弧形结构，旋转臂的内侧位置通过可调连接板安装有多个led夹具，每个所述led夹具上均安装有led灯；

所述拍摄模块包括相机，相机通过相机轴安装在旋转臂的顶点位置处，用于对拍摄平台上的物品进行拍摄，所述伺服电机、相机、led灯、步进电机一和步进电机二均由控制箱控制。

作为本发明进一步的方案：所述相机的控制线从相机轴内穿出并与控制箱连接。

作为本发明再进一步的方案：所述相机为电子数码相机、单反相机、手机相机或工业相机。

作为本发明再进一步的方案：多个所述led灯由控制箱控制依次点亮，且每点亮一个led灯，旋转臂转动一圈，直至最后一个led灯被点亮时，旋转臂停止运动。

作为本发明再进一步的方案：所述铝型材框通过多根铝型材支撑梁进行支撑加固。

一种全光场3d材质扫描装置的图像处理方法，包括以下步骤：

S1，光学校正

（a）光学方向校正

将待拍摄物体放置在相机的视野中间，当旋转臂转动同时led灯依次点亮，相机开启拍摄视频模式，得到的视频解压成单张图片；

视频解压后一共有 n 张照片，则对应 n 个光源方向；

对于同一个led灯，以该led灯建立空间直角坐标系，令其坐标为（r,θ，ψ），则对于该led灯在其随着旋转臂转动时，θ保持不变，然后对其进行光学方向校正；

（b）光源均匀性校正

将反射率均匀的标准灰卡放置在相机的拍摄区域，并记录每个led灯光源下，拍摄灰卡的像素值，来校正光源在相机拍摄视野中的区域性的光强不均匀；

（c）大范围的拼接

当物品较大时，单张图片无法显示完全该产品时，但是多张图片是存在重合区域的，将多张图片的重合区域叠放在一起，即对多张图片的重合区域进行叠加，实现多张图片的拼接，用以完全显示出所拍摄的物品；

S2，法线还原

设定解压后得到n张相片中的任意一个像素，它的像素值是 I(i,j)；

设定实物表面的某个点和相片中某个像素I(i,j)一一对应，那么实物上的某个点在整个视频中一共有 n 个像素值：I 1 (i,j)，I 2 (i,j)，I 3 (i,j)，… I n (i,j)（n 是视频中记录的光源方向个数）；

对于某个像素 I(i,j)，找到在 n 个光源方向中给出最大像素值的光源方向；

假设第 k 个光源方向:I_k(i,j)在像素(i,j) 产生的像素值最高，根据镜面反射原理，I_k和到达相机镜头的光源方向能够确定这个像素的法线方向（N）；

对于镜面反射，入射角等于出射角，法线方向（N）位于入射角和出射角的中间夹角；

S3，固有色还原

通过公式I_d=ρ_d·cos（θ）=ρ_d·L·N[1]，即相机拍摄到的物体表面某个点的像素值仅和光源方向和物体表面这个点的夹角有关，

上述公式中，ρ_d是要估算的固有色反射率，θ是光源方向和法线方向的夹角，L 和N 分别是光源方向和法线方向，

那么ρ_d即可根据

算出，

S4，高亮色还原

高亮色根据 BTF可求得，即I_s=I-I_d，I_s为镜面反射造成的像素值，I_d为漫反射造成的像素值，I为相机实际拍摄得到的像素值，

S5，粗糙度还原

粗糙度同样根据 BTF可求得，I=I_d+I_s=ρ_d·cos（θ）+ρ_scos^r(α)[2]，其中ρ_s为高亮色的反射率，ρ_d为固有色反射率，θ为光源方向和法线方向的夹角，α是法线方向和中间夹角的夹角，中间夹角为光源入射光方向和相机镜头出射光方向的夹角的一半。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采像方便，能对不同大小的产品进行多自由度的采像，而且配合LED灯的使用，能使3D渲染效果逼真，自动化采集，建模；多视角，多光源下渲染；无缝衔接于Maya，3dsMax，Substance Designer 等。

附图说明

图1为一种全光场3d材质扫描装置的结构示意图。

图2为一种全光场3d材质扫描装置中拍摄模块和旋转模块的结构示意图。

图中：1-控制箱、2-伺服电机、3-相机轴、4-中空齿轮箱、5-定位连接块、6-步进电机一、7-旋转头、8-相机、9-旋转臂、10-led夹具、11-led灯、12-可调连接板、13-传送皮带一、14-铝型材支撑梁、15-拍摄平台、16-滑台支撑梁、17-电机传动轴、18-铝型材框、19-电机传动轴、20-步进电机二、21-传送皮带二。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种全光场3d材质扫描装置，包括拍摄模块、旋转模块、拍摄平台模块和主体框架模块；

所述主体框架模块包括铝型材框18，所述铝型材框18由多根铝型材相互拼接形成的框架式结构，铝型材框18的底部设有纵横交错的多根滑台支撑梁16；

所述拍摄平台模块包括拍摄平台15，拍摄平台15置于铝型材框18的底部且与滑台支撑梁16滑动配合，所述铝型材框18的底部在横向和纵向方向上分别安装有步进电机一6和步进电机二20，步进电机一6和步进电机二20的电机传动轴分别通过传送皮带一13和传送皮带二21驱动拍摄平台15的运动，可以实现拍摄平台15的位置改变；

所述旋转模块包括伺服电机2、中空齿轮箱4、旋转头7和旋转臂9，所述伺服电机2固定安装在铝型材框的顶部，伺服电机2的输出端连接中空齿轮箱4，中空齿轮箱4与传动轴连接，传动轴穿过过孔滑环并与旋转头连接，过孔滑环在这里相当于起到轴承的作用，将旋转运动进行隔离，中空齿轮箱4的通过定位连接块5固定，旋转头与旋转臂9固定连接，所述旋转臂9为弧形结构，旋转臂9的内侧位置通过可调连接板12安装有多个led夹具10，每个所述led夹具10上均安装有led灯11；

所述拍摄模块包括相机8，相机8通过相机轴3安装在旋转臂9的顶点位置处，用于对拍摄平台15上的物品进行拍摄，所述伺服电机2、相机8、led灯11、步进电机一6和步进电机二20均由控制箱1控制。

所述相机8的控制线从相机轴3内穿出并与控制箱1连接，走线方便。

所述相机8为电子数码相机、单反相机、手机相机或工业相机。

多个所述led灯11由控制箱1控制依次点亮，且每点亮一个led灯11，旋转臂9转动一圈，直至最后一个led灯11被点亮时，旋转臂9停止运动。

所述铝型材框18通过多根铝型材支撑梁14进行支撑加固，提升铝型材框18的整体强度。

电脑程度发出信号给控制箱，控制箱1通过控制步进电机一6和步进电机二20的运动，控制拍摄平台15在铝型材框18内运动，使得拍摄平台15上物品移动到合适的位置，此时控制箱1控制相机8打开进行录像，随后控制箱1马上启动伺服电机2，伺服电机2带动旋转臂9以设定的转速进行转动，并在转动的同时依次点亮多个所述led灯11，当最后一个led灯11熄灭时旋转臂9也停止转动，相机8停止拍摄，控制箱1控制拍摄平台模块移动到所需位置。

一种全光场3d材质扫描装置的图像处理方法，包括以下步骤：

1、光学校正

（a）光学方向校正

将待拍摄物体放置在相机的视野中间，当旋转臂转动同时led灯依次点亮，相机开启拍摄视频模式，得到的视频解压成单张图片；

视频解压后一共有 n 张照片，则对应 n 个光源方向；

对于同一个led灯，以该led灯建立空间直角坐标系，令其坐标为（r,θ，ψ），则对于该led灯在其随着旋转臂转动时，θ保持不变，然后对其进行光学方向校正；

（b）光源均匀性校正

将反射率均匀的标准灰卡放置在相机的拍摄区域，并记录每个led灯光源下，拍摄灰卡的像素值，来校正光源在相机拍摄视野中的区域性的光强不均匀；

（c）大范围的拼接

当物品较大时，单张图片无法显示完全该产品时，但是多张图片是存在重合区域的，将多张图片的重合区域叠放在一起，即对多张图片的重合区域进行叠加，实现多张图片的拼接，用以完全显示出所拍摄的物品；

2、法线还原

设定解压后得到n张相片中的任意一个像素，它的像素值是 I(i,j)；

设定实物表面的某个点和相片中某个像素I(i,j)一一对应，那么实物上的某个点在整个视频中一共有 n 个像素值：I 1 (i,j)，I 2 (i,j)，I 3 (i,j)，… I n (i,j)（n 是视频中记录的光源方向个数）；

对于某个像素 I(i,j)，找到在 n 个光源方向中给出最大像素值的光源方向；

假设第 k 个光源方向:I_k(i,j)在像素(i,j) 产生的像素值最高，根据镜面反射原理，I_k和到达相机镜头的光源方向能够确定这个像素的法线方向（N）；

对于镜面反射，入射角等于出射角，法线方向（N）位于入射角和出射角的中间夹角；

3、固有色还原

通过公式I_d=ρ_d·cos（θ）=ρ_d·L·N[1]，即相机拍摄到的物体表面某个点的像素值仅和光源方向和物体表面这个点的夹角有关，

上述公式中，ρ_d是要估算的固有色反射率，θ是光源方向和法线方向的夹角，L 和N 分别是光源方向和法线方向，

那么ρ_d即可根据

算出，

4、高亮色还原

高亮色根据 BTF可求得，即I_s=I-I_d，I_s为镜面反射造成的像素值，I_d为漫反射造成的像素值，I为相机实际拍摄得到的像素值，

5、粗糙度还原

粗糙度同样根据 BTF可求得，I=I_d+I_s=ρ_d·cos（θ）+ρ_scos^r(α)[2]，其中ρ_s为高亮色的反射率，ρ_d为固有色反射率，θ为光源方向和法线方向的夹角，α是法线方向和中间夹角的夹角，中间夹角为光源入射光方向和相机镜头出射光方向的夹角的一半。

[1] J.H. Lambert. Photometria sive de mensure de gratibus luminis,colorum umbrae. Eberhard klett，1760

[2] J.F. Blinn. Models of light reflection for computer synthesizedpictures. ACM Computer Graphics (SIGGRAPH 77), 19(10):542-547,1977。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种全光场3d材质扫描装置的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，光学校正

(a)光学方向校正

将待拍摄物体放置在相机的视野中间，当旋转臂转动同时led灯依次点亮，相机开启拍摄视频模式，得到的视频解压成单张图片；

视频解压后一共有n张照片，则对应n个光源方向；

对于同一个led灯，以该led灯建立空间直角坐标系，令其坐标为(r,θ，ψ)，则对于该led灯在其随着旋转臂转动时，θ保持不变，然后对其进行光学方向校正；

(b)光源均匀性校正

将反射率均匀的标准灰卡放置在相机的拍摄区域，并记录每个led灯光源下，拍摄灰卡的像素值，来校正光源在相机拍摄视野中的区域性的光强不均匀；

(c)大范围的拼接

当物品较大时或被拍摄物要求的像素密度高时，单张图片无法显示完全该产品时，通过多张照片拍摄拼接来满足物体幅面较大或像素密度高的情况；

S2，法线还原

设定解压后得到n张相片中的任意一个像素，它的像素值是I(i,j)；

设定实物表面的某个点和相片中某个像素I(i,j)一一对应，那么实物上的某个点在整个视频中一共有n个像素值：I 1(i,j)，I 2(i,j)，I 3(i,j)，…I n(i,j)(n是视频中记录的光源方向个数)；

对于某个像素I(i,j)，找到在n个光源方向中给出最大像素值的光源方向；

假设第k个光源方向:I_k(i,j)在像素(i,j)产生的像素值最高，根据镜面反射原理，I_k和到达相机镜头的光源方向能够确定这个像素的法线方向(N)；

对于镜面反射，入射角等于出射角，法线方向(N)位于入射角和出射角的中间夹角；

S3，固有色还原

通过公式I_d＝ρ_d·cos(θ)＝ρ_d·L·N，即相机拍摄到的物体表面某个点的像素值仅和光源方向和物体表面这个点的夹角有关，

上述公式中，ρ_d是要估算的固有色反射率，θ是光源方向和法线方向的夹角，L和N分别是光源方向和法线方向，

那么ρ_d即可根据

算出，

S4，高亮色还原

高亮色根据亮度转移函数可求得，即I_s＝I-I_d，I_s为镜面反射造成的像素值，I_d为漫反射造成的像素值，I为相机实际拍摄得到的像素值，

S5，粗糙度还原

粗糙度同样根据亮度转移函数可求得，I＝I_d+I_s＝ρ_d·cos(θ)+ρ_scos^r(α)，其中ρ_s为高亮色的反射率，ρ_d为固有色反射率，θ为光源方向和法线方向的夹角，α是法线方向和中间夹角的夹角，中间夹角为光源入射光方向和相机镜头出射光方向的夹角的一半。

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