CN110458964A - 一种现实环境动态光照的实时计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种现实环境动态光照的实时计算方法，涉及增强现实技术领域，本发明包括利用不少于两个相机分别从不同角度拍摄镜面球，调节各相机曝光度，得到不同曝光度的图片，根据图片生成高动态范围HDR图片序列；检测高动态范围HDR图片序列中的共同特征点，依据共同特征点对高动态范围HDR图片序列进行匹配，合成最初环境光照图；识别各图中光照的图像区域，在最初环境光照图上标记；将相机曝光度设置为一个特定值，对镜面球实时拍摄，得到实时LDR图；根据实时LDR图、最初环境光照图和高动态范围HDR图片序列，计算现实场景中的实时光照数据和环境光照数据，最终得到动态变化的光照信息，本发明可实时渲染虚拟场景中的物体，使AR应用视觉效果更逼真。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，更具体的是涉及一种现实环境动态光照的实时计算方法。
背景技术
近年来，随着增强现实(AR)和混合现实(MR)技术的迅速发展，相关的应用越来越广泛，增强现实技术必须解决三大核心技术问题：几何一致性、光照一致性和合成一致性，其中光照一致性一直是AR研究领域的难题和挑战。光照一致性是指将虚拟世界的物体合成到现实环境中时，来自现实世界的光源与虚拟世界光照表达的一致性、现实物体与物体阴影的一致性、画面视觉效果的一致性。若光照无法保持一致，虚实融合后的效果则会产生不真实感，极大影响用户的体验。
为了解决光照一致性问题，直观地我们需要准确地恢复现实世界的光照环境，并将其作为虚拟世界的光照环境用于渲染虚拟物体。因此，面对变化万千的现实世界，如何准确实时地采集和计算现实世界的光照环境成为增强现实应用中亟待解决的问题，尤其在实时性增强应用中尤为重要，例如现场直播类AR电视节目、高成本的AR电影特效、AR演唱会等等，现有的光照一致性解决方案可归纳为以下几个：
1、一部分AR应用完全不考虑现实世界的光照信息，用虚拟世界虚拟光照信息渲染虚拟物体；在此基础上，有的虚拟场景设计师“有限”地模拟现实环境的光照信息来使虚拟物体产生阴影，即根据现实世界的灯光信息设计虚拟场景的灯光，这类能被设计的灯光常常为几何信息相对规则的静态灯光，如位置颜色强度无变化的室内灯光、方向光；这类AR应用中现实世界的光照环境较少地被考虑，因此AR效果的真实感也就无从评价；
2、有的研究提出了提前测量现实环境的光照信息的方法，可实现通过光照测量仪来测量室内特定的光源，但这类方法受限于现实环境中的光照相互影响，极为复杂，单一测量有限数量的光照仅能有限地表达直接光照的部分信息，无法表现间接光照或环境光照的信息；
3、基于图像信息的光照计算技术是增强现实中解决光照一致性的重要技术方案，通过普通相机采集到的现实世界的图像分析现实环境的光照信息，但这类方法先验条件为有限的图像信息，对光照信息的表达有限；其次，这类技术借助场景中的几何信息，需要大量的计算，效率较低，因此难以被广泛应用和推广；
4、在第3点的基础上有研究提出利用具有广角拍摄功能(如鱼眼)的相机拍摄环境图像来计算光照信息的方法，该方法假定光源一般位于场景的上方，选择上仰视角拍摄，当镜头畸变较大或视角外的光照则无法计算；
5、另一种普遍应用的光照计算方法是通过相机拍摄镜面球等光照探头LightProbe的图像，通过HDR全景图或六面体的Cubemap图来表现环境的信息，常用于现场场景周围环境捕获，但该方法受限于拍摄生成HDR全景图或Cubemap图，充分大的动态范围图像才能正确地表现现实环境的光照，通过普通相机拍摄多张不同曝光度的普通图像进而合成HDR图的方法，需要充分考虑相机的拍摄帧率和动态范围，HDR图准确性有限，且难以实时；利用专业HDR相机拍摄HDR图的方法，受限于HDR拍摄设备，成本较高，难以普及。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有技术无法识别和更新动态变化的光照数据，仅能用于环境光照数据的更新，应用场景局限的问题，本发明提供一种现实环境动态光照的实时计算方法，利用普通相机从不同角度拍摄生成多角度HDR图，计算合成作为准确的现实环境光照HDR图，结合图像处理和分析技术，实时计算直接光照的数目、类型、几何信息、位置信息、强度信息和色彩信息，从而恢复现实世界的环境光照数据和实时光照数据，将其作为三维渲染引擎中虚拟物体的直接光照、全局光照、间接光照数据进行虚拟物体渲染，产生与现实世界一致的实时光照效果。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
一种现实环境动态光照的实时计算方法，包括如下步骤：
S1：调节现场环境灯光亮度，利用不少于两个相机分别从不同角度同时拍摄放置于现实场景中的镜面球，使得镜面球整体清晰呈现在所有相机的拍摄画面中，同时调节各相机曝光度，得到各相机不同曝光度的图片，根据得到的图片生成各相机的高动态范围HDR图片序列；
S2：检测各高动态范围HDR图片序列中的共同特征点，依据共同特征点对各高动态范围HDR图片序列进行匹配，合成最初环境光照图；
S3：对最初环境光照图和各高动态范围HDR图片序列进行预处理以及图像分割，识别各图中光照的图像区域，并在最初环境光照图上进行标记；
S4：将各相机曝光度设置为一个特定的曝光度值，对镜面球进行在线实时拍摄，得到实时LDR图；
S5：根据实时LDR图、最初环境光照图和高动态范围HDR图片序列，计算得到现实场景中的实时光照数据和环境光照数据，最终得到动态变化的光照信息。
进一步的，所述S1中，将现实场景中所有灯光调整至最亮和最暗时分别进行拍摄，得到各相机的最亮图片和最暗图片，进而得到各相机的高动态范围HDR图片序列，记为：
(Env_brightingness1,Env_dark1)
(Env_brightingness2,Env_dark2)
……
(Env_brightingnessn,Env_darkn)
其中，n为相机个数，Env_brightingnessn为最亮图片，Env_darkn为最暗图片。
进一步的，所述S2中以现实场景中具有明显几何特征信息的点作为特征点，检测各高动态范围HDR图片序列中共有的特征点作为共同特征点。
进一步的，所述S2中，合成最初环境光照图具体为：
S2.1：设定采用相机A和相机B，根据各相机放置的角度，制作合成现实场景掩膜图；
S2.2：根据现实场景掩膜图和匹配后的各高动态范围HDR图片序列，合成最初环境光照图，所述最初环境光照图为HDR图或立方体贴图，表示为：
C＝A*alpha+B(1-alpha)
其中，C表示最初环境光照图信息，alpha值来源于现实场景掩膜图，A、B分别为相机A和相机B的角度的环境光照图。
进一步的，所述S3中，预处理包括图像色彩处理、空间变化，亮度调节以及二值化，预处理后，对预处理的图像进行图像分割操作，识别各图中光照的图像区域，并在最初环境光照图上标记为Dynamiclight_source。
进一步的，所述S3中采用多线程方式对最初环境光照图和各高动态范围HDR图片序列并行进行预处理。
进一步的，所述S4中，特定的曝光度值的选择条件为：拍摄得到的实时LDR图中所有光源清晰可见。
进一步的，所述S4中，对镜面球进行在线实时拍摄，具体为：保持各相机角度不变，以不小于50fps的速度，实时拍摄镜面球。
进一步的，所述S5中，计算得到现实场景中的实时光照数据，具体为：
对实时LDR图进行亮度信息提取，获取其中的光源区域信息记为Dynamiclight_current，对比该曝光度值下的最初环境光照图的Dynamiclight_source，进行LDR-HDR光照信息的转换和分析，从而计算得到现实场景中的实时光照数据，包括光照位置、光照方向、光照颜色及光照强度。
进一步的，所述S5中，计算得到现实场景中的环境光照数据，具体为：
以高动态范围HDR图片序列中最亮图片为光照最亮值，最暗图片为光照最暗值，利用实时LDR图在光照最亮值和光照最暗值之间进行插值记为l，以l值动态实时更新最初环境光照图中的非直接光源数据即现实场景中的环境光照数据。
本发明的有益效果如下：
1、本发明利用普通相机实现了现实环境动态变化的光照数据和环境光照数据的实时计算，不仅可实时更新环境光照数据，同时可实时计算更新现实环境中动态变化的光照数据，采用多视角普通相机拍摄多曝光图片序列，生成精确的环境光照图，从而提取精确的环境光照信息，实时在线采集更新特定曝光度的LDR图，用于实时计算现实场景中动态变化的实时光照数据和现实场景中环境光照数据，可直接用于实时渲染虚拟场景中的物体，使得AR应用视觉效果更加逼真。
2、本发明不借助市场上专业的HDR摄像机(拍摄帧率大于50fps、高动态范围)，成本大大降低，应用更广泛，更容易推广。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式的方法流程示意图。
图2是本发明的具体实施方式的动态变化的光照计算流程示意图。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
现实世界的光照环境是复杂多变的，从光照的变化与否可分为周围环境光照信息和场景中直接光照信息，环境光相对静态，也称为间接光照，如天空光；直接光照有动态，也有静态；如室外太阳光、室内面光源、聚光灯、点光源等。因此室内外现实世界动态变化的光照计算包含至少两类光照的计算：环境光照和动态光照的实时计算。
如图1所示，本实施例提供一种现实环境动态光照的实时计算方法，基于两个不同拍摄角度的相机A和相机B，用于虚拟场景三维渲染，所述方法包括如下步骤：
离线拍摄多视角现实场景HDR图：
在现实场景中放置一个镜面球，传统的一个相机拍摄，常常会由于相机畸变，镜面球的精度等问题影响HDR图的准确性，尤其是在镜面球的接缝和相机的边缘视角上，会导致场景几何信息的丢失或者错误。为了解决这个问题，我们调节现场环境灯光亮度，利用多个相机分别从不同角度同时拍摄镜面球，使得镜面球整体清晰呈现在所有相机的拍摄画面中，同时调节各相机曝光度，得到各相机不同曝光度的图片，根据得到的图片生成各相机的高动态范围HDR图片序列；具体的，将现实场景中所有灯光调整至最亮和最暗时分别进行拍摄，得到各相机的最亮图片和最暗图片，进而得到各相机的高动态范围HDR图片序列，记为：
(Env_brightingness1,Env_dark1)
(Env_brightingness2,Env_dark2)
……
(Env_brightingnessn,Env_darkn)
其中，n为相机个数，Env_brightingnessn为最亮图片，Env_darkn为最暗图片，一般选取两个角度即可满足需求；
S2：以现实场景中具有明显几何特征信息的点作为特征点，检测各高动态范围HDR图片序列中共有的特征点作为共同特征点，依据共同特征点对各高动态范围HDR图片序列进行匹配，合成最初环境光照图，具体为：
S2.1：根据各相机放置的角度，制作合成现实场景掩膜图；
S2.2：根据现实场景掩膜图和匹配后的各高动态范围HDR图片序列，合成最初环境光照图，所述最初环境光照图为HDR图或立方体贴图，表示为：
C＝A*alpha+B(1-alpha)
其中，C表示最初环境光照图信息，alpha值来源于现实场景掩膜图，A为相机A角度1的环境光照图，B为相机B角度2的环境光照图；
如图2所示，接下来进行动态变化的光照计算：
S3：采用多线程方式，并行对最初环境光照图和各高动态范围HDR图片序列进行预处理，所述预处理包括图像色彩处理、空间变化，亮度调节以及二值化，然后对预处理的图像基于像素值进行图像分割操作，识别各图中光照的图像区域，并在最初环境光照图上标记为Dynamiclight_source；
S4：根据场景中光源的几何和视觉效果，将各相机曝光度设置为一个特定的曝光度值，特定的曝光度值的选择条件为：拍摄得到的实时LDR图中所有光源清晰可见，根据算法光源亮度较大，一般选取的曝光度值偏低可得到清晰的光源图，保持各相机角度不变，以不小于50fps的速度，对镜面球进行在线实时拍摄，得到实时LDR图，这张特定曝光度的实时LDR图是计算动态光照的关键；
S5：根据实时LDR图、最初环境光照图和高动态范围HDR图片序列，计算得到现实场景中的实时光照数据和环境光照数据，最终得到动态变化的光照信息，具体为：
计算得到现实场景中的实时光照数据，具体为：
对实时LDR图进行亮度信息提取，获取其中的光源区域信息记为Dynamiclight_current，对比该曝光度值下的最初环境光照图的Dynamiclight_source，进行LDR-HDR光照信息(亮度、颜色)的转换和分析，从而计算得到现实场景中的实时光照数据，包括光照位置、光照方向、光照颜色及光照强度等。
计算得到现实场景中的环境光照数据，具体为：
以高动态范围HDR图片序列中最亮图片为光照最亮值，最暗图片为光照最暗值，利用实时LDR图在光照最亮值和光照最暗值之间进行插值记为l，以l值动态实时更新最初环境光照图中的非直接光源数据即现实场景中的环境光照数据。
本实施例实时在线采集更新特定曝光度(一般曝光度偏低)的实时LDR图，用于实时计算现实场景中动态变化的光照信息(位置、强度、颜色、方向)和现实场景中环境光照数据，在AR应用中，可实时计算现实场景动态变化的光照数据和环境光照数据，并利用真实的光照数据渲染虚拟场景，视觉效果更逼真。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：调节现场环境灯光亮度，利用不少于两个相机分别从不同角度同时拍摄放置于现实场景中的镜面球，使得镜面球整体清晰呈现在所有相机的拍摄画面中，同时调节各相机曝光度，得到各相机不同曝光度的图片，根据得到的图片生成各相机的高动态范围HDR图片序列；
S2：检测各高动态范围HDR图片序列中的共同特征点，依据共同特征点对各高动态范围HDR图片序列进行匹配，合成最初环境光照图；
S3：对最初环境光照图和各高动态范围HDR图片序列进行预处理以及图像分割，识别各图中光照的图像区域，并在最初环境光照图上进行标记；
S4：将各相机曝光度设置为一个特定的曝光度值，对镜面球进行在线实时拍摄，得到实时LDR图；
S5：根据实时LDR图、最初环境光照图和高动态范围HDR图片序列，计算得到现实场景中的实时光照数据和环境光照数据，最终得到动态变化的光照信息。
2.根据权利要求1所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S1中，将现实场景中所有灯光调整至最亮和最暗时分别进行拍摄，得到各相机的最亮图片和最暗图片，进而得到各相机的高动态范围HDR图片序列，记为：
(Env_brightingness1,Env_dark1)
(Env_brightingness2,Env_dark2)
……
(Env_brightingnessn,Env_darkn)
其中，n为相机个数，Env_brightingnessn为最亮图片，Env_darkn为最暗图片。
3.根据权利要求1所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S2中以现实场景中具有明显几何特征信息的点作为特征点，检测各高动态范围HDR图片序列中共有的特征点作为共同特征点。
4.根据权利要求1所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S2中，合成最初环境光照图具体为：
S2.1：设定采用相机A和相机B，根据各相机放置的角度，制作合成现实场景掩膜图；
S2.2：根据现实场景掩膜图和匹配后的各高动态范围HDR图片序列，合成最初环境光照图，所述最初环境光照图为HDR图或立方体贴图，表示为：
C＝A*alpha+B(1-alpha)
其中，C表示最初环境光照图信息，alpha值来源于现实场景掩膜图，A、B分别为相机A和相机B的角度的环境光照图。
5.根据权利要求1所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S3中，预处理包括图像色彩处理、空间变化，亮度调节以及二值化，预处理后，对预处理的图像进行图像分割操作，识别各图中光照的图像区域，并在最初环境光照图上标记为Dynamiclight_source。
6.根据权利要求5所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S3中采用多线程方式对最初环境光照图和各高动态范围HDR图片序列并行进行预处理以及图像分割。
7.根据权利要求1所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S4中，特定的曝光度值的选择条件为：拍摄得到的实时LDR图中所有光源清晰可见。
8.根据权利要求1所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S4中，对镜面球进行在线实时拍摄，具体为：保持各相机角度不变，以不小于50fps的速度，实时拍摄镜面球。
9.根据权利要求5所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S5中，计算得到现实场景中的实时光照数据，具体为：
对实时LDR图进行亮度信息提取，获取其中的光源区域信息记为Dynamiclight_current，对比该曝光度值下的最初环境光照图的Dynamiclight_source，进行LDR-HDR光照信息的转换和分析，从而计算得到现实场景中的实时光照数据，包括光照位置、光照方向、光照颜色及光照强度。
10.根据权利要求2所述的一种现实环境动态光照的实时计算方法，其特征在于，所述S5中，计算得到现实场景中的环境光照数据，具体为：
以高动态范围HDR图片序列中最亮图片为光照最亮值，最暗图片为光照最暗值，利用实时LDR图在光照最亮值和光照最暗值之间进行插值记为l，以l值动态实时更新现实场景中的环境光照数据。
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