CN113139995B - 一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，包括以下步骤：(1)使用多面体分别表示目标物体和遮挡物体，分别计算两个多面体的顶点，得到两个多面体的顶点集合；(2)确定光线方向和投影面；(3)计算两个多面体的顶点在投影面上的坐标；(4)判断投影面上的两个多边形是否相交，若相交，则物体间发生光线遮挡，否则没有发生光线遮挡；对于发生光线遮挡的，进一步评估阴影重叠程度。本发明能够快速、有效的检测给出的光线条件下物体的阴影是否重叠，并评估重叠程度，算法计算量小，便于在小型设备上实施。

Description

一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法

技术领域

本发明属于图形处理领域，尤其是涉及一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法。

背景技术

在图形处理领域，遮挡检测是影响制作的关键一步。遮挡检测算法根据原理不同，可以分为Z-buffer算法、基于角度的遮挡检测算法和基于高程的遮挡检测算法。

如公开号为CN108182675A的中国专利文献公开了一种声波照射随机起伏界面时的面元遮挡判断方法，包括将随机起伏界面投影到观测平面，并得到观测平面边长分别为Lx和Ly；设置观测平面像素分辨率Npix；利用Z-buffer算法以像素为单位将各个面元离散化，计算得到每个面元的遮挡率QM；设置面元遮挡判断阈值Q，根据遮挡率QM和阈值Q的大小关系进行面元遮挡判断。

基于角度的遮挡检测算法由Habib等提出，算法的基本原理是：在地底点和待检测点的水平连线上，每个地物点对应的投影光线与水平面都有一个夹角，根据夹角的变化来分析待检测点的可见性。在地物点和地底点的水平连线上，逐渐远离地底点的方向上，如果投影光线与水平面的夹角逐渐变小，则没有遮挡，如果在某一位置突然变大，而后又变小回复或小于原来的角度，则该段区域被遮挡。该方法可参考谢文寒等发表的论文“城市大比例尺真正摄影像阴影与遮挡问题的研究”。

基于高程的遮蔽检测算法的基本原理是：在对某一地物点进行可见性分析时，如果该地物点可见则该地物点与投影中心的连线在地形数据的上方。

上述三种现有的遮挡检测算法中，基于角度的遮挡检测算法简单明了，能适用于各种复杂的环境，不存在伪遮蔽、伪可见的问题，得到了广泛应用。然而，常规的基于角度的遮挡检测算法需要对物体的每个点都进行角度分析，频繁的计算是的算法在没有充分优化时计算量大，耗时长。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，能够快速、有效的检测给出的光线条件下，物体的阴影是否重叠，并评估重叠程度。

一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，包括以下步骤：

(1)使用多面体分别表示目标物体和遮挡物体，分别计算两个多面体的顶点，得到两个多面体的顶点集合；

(2)确定光线方向和投影面；

(3)计算两个多面体的顶点在投影面上的坐标；

(4)使用多边形表示坐标围绕的区域；

(5)判断投影面上的两个多边形是否相交，若相交，则物体间发生光线遮挡，否则没有发生光线遮挡；对于发生光线遮挡的，进一步评估阴影重叠程度。

在遮挡检测问题中，一般已知的信息包括，光线的方向信息，物体的三维信息以及用于显示物体阴影的投影面信息。本发明的方法，能够减少阴影区域和遮挡关系判断的计算量，有利于在低计算资源设备上部署实现阴影遮挡判断，在地图绘制、光伏发电、影像制作领域都可以使用。

步骤(1)中，所述的目标物体和遮挡物体用多面体表示的公式为：

其中A₁，B₁，C₁，D₁表示目标物体或遮挡物体第一个面的参数，一共有n个面，x，y，z表示多面体中任意一点的三维坐标。

多面体的顶点计算方法为：

(1-1)在公式(1)中任意挑选三个面，计算三个面的交点，如果该交点属于多面体，则记录到多面体的顶点集合中；

(1-2)不断重复上述步骤，直到找到多面体的所有顶点。

进一步的，步骤(2)中，光线方向向量为：

投影面为：

m₁x+m₂y+m₃z＝0

其中，m₁，m₂，m₃表示投影面法向向量在三维坐标系下的值。

步骤(3)的具体过程为：

对于多面体顶点集合中的任意一点p，其在投影平面上的投影点p'之间满足以下关系：

其中，

表示从点p指向p'的向量，

表示光线方向向量，r表示比值；通过公式(2)，分别求出两个多面体所有顶点在投影面上的投影点。

步骤(4)中，使用多边形表示坐标围绕的区域的具体形式为：：

以顺时针的方向确定所有投影点组成的多边形，该多边形在投影平面内以二维形式表示：

其中G₁₁，G₁₂，g₁表示多边形第一条边的参数，一共有N条边，x，y表示多边形中任意一点的二维坐标。

(步骤(5)中，判断投影面上的两个多边形是否相交的方法为：

假设目标物体和遮挡物体对应的多边形参数分别为G_α、g_α和G_β、g_β，求解以下优化问题：

min J

s.t.

λ≥0

μ≥0

其中，

表示两个物体的投影多边形的最小距离，当J＞0时，表示两个物体没有光线遮挡，否侧存在光线遮挡；λ和μ是两个辅助变量。

步骤(5)中，评估阴影重叠程度的过程为：

当发生阴影重叠，假设目标物体的中心在投影面的坐标为(x_α,y_α)，遮挡物体的中心在投影面的坐标为(x_β,y_β)，阴影重叠度的判断指标为：

其中ε表示重叠指标因子，|J|表示物体将最小距离的绝对值，||(x_α,y_α)-(x_β,y_β)||表示两中心的距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、能够快速、有效的检测给出的光线条件下，物体的阴影是否重叠，并评估重叠程度。

2、相较于传统算法，本发明计算量小，有利于在小型设备上实施。

3、避免使用图形处理单元等高成本的计算设备，有效的降低了设备成本。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明实施例物体和光线的三维示意图；

图3为本发明实施例中投影面上阴影重叠情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例以两立方体在光线下的投影为例，对一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法做详细描述。

如图1所示，一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，包括以下步骤：

步骤1，使用多面体分别表示目标物体和遮挡物体，计算两个多面体的顶点。具体过程为：

(1-1)如图2所示，立方体1和立方体2可表示为

和

(1-2)在公式(3)中任意挑选三个面，计算三个面的交点，如果该交点属于多面体，则记录到多面体的顶点集合中；

(1-3)不断重复步骤(1-2)，直到找到多面体的所有顶点，在本实施例中，立方体1和立方体2的顶点集合分别是

{(1,1,1),(2,1,1),(2,1.5,1),(1,1.5,1),(1,1,2.2),(2,1,2.2),(2,1.5,2.2),(1,1.5,2.2)}

和

{(1.5,2,1.5),(2.5,2,1.5),(2.5,2.5,1.5),(1.5,2.5,1.5),(1.5,2,2.7),(2.5,2,2.7),(2.5,2.5,2,7),(1.5,2.5,2.7)}

步骤2，确定光线方向和投影面。

在本实施例中，光线方向向量为

投影面为：

y＝3.5

步骤3，计算两个多面体的顶点在投影面上的坐标。

具体过程为：

对于多面体顶点集合中的任意一点p，其在投影平面上的投影点p'之间满足以下关系：

其中，

表示从点p指向p'的向量，

表示光线方向向量，r表示比值。通过公式(4)，求出多面体所有顶点在投影面上的投影点。

步骤4，判断投影面上的两个多边形是否相交，若相交，则物体间发生光线遮挡，评估阴影重叠程度，否则没有发生光线遮挡。

具体方法是：

(4-1)以顺时针的方向确定所有投影点组成的多边形，该多边形在投影平面内以二维形式表示：

和

其中G₁₁，G₁₂，g₁表示多边形一条边的参数，一共有N条边，x，y表示多边形中任意一点的二维坐标；

(4-2)假设目标物体和遮挡物体对应的多边形参数分别为G_α、g_α和G_β、g_β，求解以下优化问题：

min J

s.t.

λ≥0

μ≥0

其中，

表示两个物体的投影多边形的最小距离，当J＞0时，表示两个物体没有光线遮挡，否则，存在光线遮挡，在本实施例中，J＝-0.86，即存在光线遮挡。

(4-3)本实施例中的两个立方体发生阴影重叠，如图3所示，立方体1中心在投影面的坐标为(1.5,1.6)，遮挡物体的中心在投影面的坐标为(2,2.1)，阴影重叠度的判断指标为：

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用多面体分别表示目标物体和遮挡物体，分别计算两个多面体的顶点，得到两个多面体的顶点集合；

(2)确定光线方向和投影面；

(3)计算两个多面体的顶点在投影面上的坐标；

(4)使用多边形表示坐标围绕的区域；

(5)判断投影面上的两个多边形是否相交，若相交，则物体间发生光线遮挡，否则没有发生光线遮挡；对于发生光线遮挡的，进一步评估阴影重叠程度；

判断投影面上的两个多边形是否相交的方法为：

假设目标物体和遮挡物体对应的多边形参数分别为G_α、g_α和G_β、g_β，求解以下优化问题：

min J

s.t.

λ≥0

μ≥0

其中，

表示两个物体的投影多边形的最小距离，当J＞0时，表示两个物体没有光线遮挡，否侧存在光线遮挡；λ和μ是两个辅助变量；

评估阴影重叠程度的过程为：

当发生阴影重叠，假设目标物体的中心在投影面的坐标为(x_α,y_α)，遮挡物体的中心在投影面的坐标为(x_β,y_β)，阴影重叠度的判断指标为：

其中ε表示重叠指标因子，|J|表示物体将最小距离的绝对值，||(x_α,y_α)-(x_β,y_β)||表示两中心的距离。

2.根据权利要求1所述的低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的目标物体和遮挡物体用多面体表示的公式为：

其中A₁，B₁，C₁，D₁表示目标物体或遮挡物体第一个面的参数，一共有n个面，x，y，z表示多面体中任意一点的三维坐标。

3.根据权利要求2所述的低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，其特征在于，步骤(1)中，多面体的顶点计算方法为：

(1-1)在公式(1)中任意挑选三个面，计算三个面的交点，如果该交点属于多面体，则记录到多面体的顶点集合中；

(1-2)不断重复上述步骤，直到找到多面体的所有顶点。

4.根据权利要求1所述的低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，其特征在于，步骤(2)中，光线方向向量为：

投影面为：

m₁x+m₂y+m₃z＝0

其中，m₁，m₂，m₃表示投影面法向向量在三维坐标系下的值。

5.根据权利要求1所述的低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：

对于多面体顶点集合中的任意一点p，其在投影平面上的投影点p'之间满足以下关系：

其中，

表示从点p指向p'的向量，

表示光线方向向量，r表示比值；通过公式(2)，分别求出两个多面体所有顶点在投影面上的投影点。

6.根据权利要求1所述的低成本的物体间光线遮挡检测和评估方法，其特征在于，步骤(4)中，使用多边形表示坐标围绕的区域的具体形式为：

以顺时针的方向确定所有投影点组成的多边形，该多边形在投影平面内以二维形式表示：

其中G₁₁，G₁₂，g₁表示多边形第一条边的参数，一共有N条边，x，y表示多边形中任意一点的二维坐标。

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