CN113538704A - 一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法及设备 - Google Patents
一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法及设备 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及AR技术领域，提供一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法及设备，具体包括：在绘制虚拟对象的光影时，获取高动态范围HDR全景图像；对所述HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像；对所述HDR全景二值图像进行聚类分析，得到所述虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标；根据全景图像投影格式，将所述至少一个光源的图像坐标分别转换为所述真实场景中的三维坐标，通过HDR全景图像的自带的图像特征确定真实场景中光源的位置，计算过程简单，进一步地，根据至少一个光源的三维坐标，绘制虚拟对像的光影，使得虚拟对象与真实场景保持光照一致性，提高了虚拟对象与真实场景融合的真实感。
Description
技术领域
本申请涉及增强现实(Augmented Reality，AR)技术领域，尤其涉及一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法及设备。
背景技术
AR技术是一种将虚拟对象与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、三维模型、音频等虚拟对象模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。
在AR技术中，为了使虚拟对象更加自然地与真实场景融合，提高AR效果的真实感，需保证虚拟对象与真实场景的光照一致性。光照一致性反映了虚拟对象与真实场景之间有正确的明暗、阴影等光照匹配关系，达到增强AR与真实场景一致的效果。
光照一致性中光源的位置决定着虚拟对象的光影效果。目前，大多基于深度学习网络预测光源的位置，然后基于预测的光源位置绘制虚拟对象的光影，但计算过程较为复杂，且需要预先训练深度模型，对设备的配置要求较高。
发明内容
本申请实施例提供了一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法及设备，用于提高虚拟对象与真实场景融合的真实感。
第一方面，本申请实施例提供一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法，包括：
在绘制虚拟对象的光影时，获取高动态范围HDR全景图像；
对所述HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像；
对所述HDR全景二值图像进行聚类分析，得到所述虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标；
根据全景图像投影格式，将所述至少一个光源的图像坐标分别转换为所述真实场景中的三维坐标；
根据所述至少一个光源的三维坐标，绘制所述虚拟对象的光影。
第二方面，本申请实施例提供一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的设备，包括显示器、通信接口、存储器、处理器；
所述显示器，与所述处理器连接，被配置为显示增强现实AR图像；
所述通信接口，与所述处理器连接，被配置为收发数据；
所述存储器，与所述处理器连接，被配置为存储计算机程序指令；
所述处理器，被配置为根据所述计算机程序指令执行以下操作：
在绘制虚拟对象的光影时，获取高动态范围HDR全景图像；
对所述HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像；
对所述HDR全景二值图像进行聚类分析，得到所述虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标；
根据全景图像投影格式，将所述至少一个光源的图像坐标分别转换为所述真实场景中的三维坐标；
根据所述至少一个光源的三维坐标，绘制所述虚拟对象的光影。
第三方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行本申请实施例提供的基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法。
本申请的上述实施例中，对HDR全景图像预处理后得到的HDR全景二值图像进行聚类分析，将分类簇中的各个质心点作为虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源，并确定相应光源的图像坐标，根据全景图像投影格式，将至少一个光源的图像坐标分别转换为真实场景中的三维坐标，通过HDR全景图像的自带的图像特征确定真实场景中光源的位置，计算过程简单，进一步地，根据至少一个光源的三维坐标，绘制虚拟对像的光影，使得虚拟对象与真实场景保持光照一致性，提高了虚拟对象与真实场景融合的真实感。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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示例性示出了本申请实施例提供的应用场景示意图；
图2示例性示出了本申请实施例提供的一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法流程图；
图3示例性示出了本申请实施例提供的ERP投影格式示意图；
图4示例性示出了本申请实施例提供的经纬坐标系和世界坐标系的映射关系图；
图5示例性示出了本申请实施例提供的一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的设备结构图。
具体实施方式
为使本申请的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本申请描述的示例性实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请所附权利要求保护的范围。此外，虽然本申请中公开内容按照示范性一个或几个实例来介绍，但应理解，可以就这些公开内容的各个方面也可以单独构成一个完整实施方式。
需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的那些组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
本申请中使用的术语“模块”，是指任何已知或后来开发的硬件、软件、固件、人工智能、模糊逻辑或硬件或/和软件代码的组合，能够执行与该元件相关的功能。
下面结合附图详细描述本申请的实施例。
图1示出了本申请实施例提供的应用场景示意图；如图1所示，通过人机交互，采用AR技术在真实场景的基础上叠加一个茶壶101，该茶壶为虚拟对象。如图1示出的，真实场景的左侧存在光源，为使虚拟的茶壶101更好的与真实场景中的物体(1021至1024)更加自然的融合在一起，需要根据光源的位置为虚拟的茶壶101绘制相应的光影，从而提高虚拟茶壶在真实场景中的真实感。
需要说明的是，图1仅是一种示例，本申请实施例中的光源可以位于采集的真实场景图像的内部，也可以位于真实场景图像的外部，并且，真实场景中的光源照射到真实物体上后基于光的反射也可以形成虚拟的光源。
图2示例性示出了本申请实施例提供的一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法流程图；如图2所示，该流程可由基于光源位置绘制虚拟对象光影的设备执行，主要包括以下几步：
S201：在绘制虚拟对象的光影时，获取HDR全景图像。
该步骤中，为叠加在真实场景中的虚拟对象绘制光影时，通过全景相机采集真实场景的高动态范围(High-Dynamic Range，HDR)全景图像。
S202：对HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像。
该步骤中，将HDR全景图像转换为HDR全景灰度图像，本申请实施例对转方式不做限制性要求，包括但不限于将R、G、B三通道的均值作为灰度值，或者，将R、G、B三通道中任一通道的像素值作为灰度值，再或者，按预设像素权重对R、G、B三通道的像素值的进行加权，将加权后像素值作为灰度值。
转换为HDR全景灰度图像后，HDR全景灰度图像中光源位置处像素点的像素值较高，非光源位置处像素点的像素值较低。进一步地，对HDR全景灰度图像进行自适应阈值分割，得到HDR全景二值图像。具体的，将HDR全景灰度图像中的像素值与自适应阈值进行比较，若像素值小于自适应阈值，则将像素值设为0，否则将像素值设置为1，得到0、1表示的HDR全景二值图像。
为了平滑真实场景中物体的轮廓，对HDR全景二值图像进行开操作运算，得到干净的HDR全景二值图像，基于干净的HDR全景二值图像，确定真实场景中光源的位置。
S203：对HDR全景二值图像进行聚类分析，得到虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标。
该步骤中，采用均值聚类(K-mean)算法对HDR全景二值图像进行聚类分析。具体的，初始化聚类簇的K个质心点，考虑到真实场景中可能包含多个光源，设置K大于等于1，根据HDR全景二值图像中每个像素点与各个质心点的距离，确定每个像素点所在的簇，重新确定每个簇的质心点，直至满足预设条件，停止聚类，质心点的位置即为光源的位置。其中，预设条件可根据实际需求进行设置，例如可以设置达到最大迭代数或者重新确定的簇的质心点不再变化。
聚类后，分别得到K个质心点的二维坐标，记为(m，n)，根据K个质心点的二维坐标，可以得到虚拟对象在真实场景中对应的K个光源的图像坐标。
S204：根据全景图像投影格式，将至少一个光源的图像坐标分别转换为真实场景中的三维坐标。
该步骤中，对全景图像投影格式不做限制性要求，包括等矩柱状投影(Equi-Rectangular Projection，ERP)格式、圆柱等面积投影(Equal-area Projection，EAP)格式、立方体贴图投影(Cubemap Projection，CMP)格式中的任一一个。
其中，ERP是目前应用最为广泛的一种全景图像投影方式。这种投影方式将地球的经线映射成间距相等的垂直线，将地球的纬线映射成间距相等的水平线，则可生成一幅横纵比为2∶1的二维图像，从而建立二维图像与三维空间的映射关系。图3示例性示出了等距柱状投影的示意图。
本申请实施例以ERP投影格式为例，针对至少一个光源中的任意一个光源i，其三维坐标的确定方式如下：
根据光源i对应的质心点i的二维坐标(m，n)以及HDR全景图像的像素宽度W和像素高度H，确定光源i的图像坐标(u，v)，计算公式如下：
根据图像坐标系与经纬坐标系之间的转换关系，将光源i的图像坐标(u，v)转换为经纬坐标
计算公式如下：
根据经纬坐标系和三维空间坐标系之间的转换关系，如图4所示，将光源i的经纬坐标
转换为三维坐标(X，Y，Z)，计算公式如下：
S205：根据至少一个光源的三维坐标，绘制虚拟对象的光影。
该步骤中，根据至少一个光源的三维坐标，可以确定虚拟对象对应的光照角度，根据光照角度，为叠加的虚拟对象绘制光影。
在一些实施例中，考虑到真实场景中不止一个光源，因此需要考虑多个光源叠加对虚拟对象光影效果的影响。具体实施时，根据至少一个光源的三维坐标，分别确定至少一个光源与虚拟对象的距离；根据至少一个光源各自对应的距离，设置相应光源的光影权重，距离越近，光影权重越大，距离越远，光影权重越小，即光影权重与距离呈正相关；根据至少一个光源各自的光影权重，绘制虚拟对像的光影。
在另一些实施例中，真实场景中有多个光源时，考虑到每个光源的光照强度不一，对于光照强度较小的光源，可忽略其对虚拟对象光影效果的影响。而光照强度可通过分类簇中包含的像素数目确定。
具体实施时，针对至少一个光源中的任一一个光源i，确定光源i对应的质心点i所属的分类簇中包含的预设像素值(本申请实施例中值为1)的像素数目，将确定的像素数目与预设像素阈值进行比较，若像素数目小于预设像素阈值，则表明光源i对虚拟对象的光影效果影响较小，可以忽略，则剔除光源i的图像坐标，从而提高绘制虚拟对象光影的效率。
本申请的上述实施例中，考虑到真实场景中的光源位置对全景相机采集的HDR全景图像中像素值大小的影响，即光源位置和其他部分的灰度差值比较大，对HDR全景灰度图像进行自适应阈值分割，得到HDR全景二值图像，然后通过K-meas算法对HDR全景二值图像进行聚类，根据质心点的二维坐标确定光源的图像坐标，最后通过3601ib(全景图像投影格式)确定光源在真实世界坐标系中的三维坐标，相对于采用深度学习网络预测光源位置，计算复杂度较低，降低了对设备配置的要求。进一步地，基于确定的光源的位置坐标，绘制虚拟对象的光影，使得虚拟对象与真实场景更加自然的融合在一起，提高了融合的真实性。
基于相同的技术构思，本申请实施例提供一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的设备，该设备可以是智能电视、智能手机、笔记本电脑、台式机、VR设备、AR设备等具有交互功能的显示终端，该设备可以实现本申请实施例中基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法，且能达到同样的技术效果，在此不再重复。
参见图5，该设备包括显示器501、通信接口502、存储器503、处理器504，显示器501、通信接口502、存储器503分别与处理器504通过总线连接(在图5中使用双向箭头表示)，显示器501被配置为显示AR图像；通信接口502被配置为收发数据；存储器503被配置为存储计算机程序指令；处理器504，被配置为根据所述计算机程序指令执行以下操作：
在绘制虚拟对象的光影时，获取高动态范围HDR全景图像；
对HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像；
对HDR全景二值图像进行聚类分析，得到虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标；
根据全景图像投影格式，将至少一个光源的图像坐标分别转换为真实场景中的三维坐标；
根据至少一个光源的三维坐标，绘制虚拟对象的光影。
可选的，处理器504还被配置为：
针对至少一个光源中的任一一个光源，确定光源对应的质心点所属的分类簇中包含的预设像素值的像素数目；
若像素数目小于预设像素阈值，则剔除光源的图像坐标。
可选的，处理器504具体被配置为：
根据至少一个光源的三维坐标，分别确定至少一个光源与虚拟对象的距离；
根据至少一个光源各自对应的距离，设置相应光源的光影权重，光影权重与距离呈正相关；
根据至少一个光源各自的光影权重，绘制虚拟对像的光影。
可选的，处理器504具体被配置为：
将HDR全景图像转换为HDR全景灰度图像；
对HDR全景灰度图像进行自适应阈值分割，得到HDR全景二值图像；
对HDR全景二值图像进行开操作运算，得到干净的HDR全景二值图像。
可选的，全景图像投影格式包括：ERP格式、EAP格式、CMP格式中的任一一个。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储一些指令，这些指令被执行时，可以完成前述实施例的方法。
本申请实施例还提供一种计算机程序产品，用于存储计算机程序，该计算机程序用于执行前述实施例的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的范围。
为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述示例性的讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用所述实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。
Claims (10)
1.一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的方法，其特征在于，包括：
在绘制虚拟对象的光影时，获取高动态范围HDR全景图像；
对所述HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像；
对所述HDR全景二值图像进行聚类分析，得到所述虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标；
根据全景图像投影格式，将所述至少一个光源的图像坐标分别转换为所述真实场景中的三维坐标；
根据所述至少一个光源的三维坐标，绘制所述虚拟对象的光影。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，得到所述虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标之后，所述方法还包括：
针对所述至少一个光源中的任一一个光源，确定所述光源对应的质心点所属的分类簇中包含的预设像素值的像素数目；
若所述像素数目小于预设像素阈值，则剔除所述光源的图像坐标。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述至少一个光源的三维坐标，绘制所述虚拟对像的光影，包括：
根据所述至少一个光源的三维坐标，分别确定所述至少一个光源与所述虚拟对象的距离；
根据所述至少一个光源各自对应的距离，设置相应光源的光影权重，所述光影权重与所述距离呈正相关；
根据所述至少一个光源各自的光影权重，绘制所述虚拟对像的光影。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述HDR全景图像进行预处理，得到HDR二值图像，包括：
将所述HDR全景图像转换为HDR全景灰度图像；
对所述HDR全景灰度图像进行自适应阈值分割，得到HDR全景二值图像；
对所述HDR全景二值图像进行开操作运算，得到干净的HDR全景二值图像。
5.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述全景图像投影格式包括：等矩柱状投影ERP格式、圆柱等面积投影EAP格式、立方体贴图投影CMP格式中的任一一个。
6.一种基于光源位置绘制虚拟对象光影的设备，其特征在于，包括显示器、通信接口、存储器、处理器；
所述显示器，与所述处理器连接，被配置为显示增强现实AR图像；
所述通信接口，与所述处理器连接，被配置为收发数据；
所述存储器，与所述处理器连接，被配置为存储计算机程序指令；
所述处理器，被配置为根据所述计算机程序指令执行以下操作：
在绘制虚拟对象的光影时，获取高动态范围HDR全景图像；
对所述HDR全景图像进行预处理，得到HDR全景二值图像；
对所述HDR全景二值图像进行聚类分析，得到所述虚拟对象在真实场景中对应的至少一个光源的图像坐标；
根据全景图像投影格式，将所述至少一个光源的图像坐标分别转换为所述真实场景中的三维坐标；
根据所述至少一个光源的三维坐标，绘制所述虚拟对象的光影。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述处理器还被配置为：
针对所述至少一个光源中的任一一个光源，确定所述光源对应的质心点所属的分类簇中包含的预设像素值的像素数目；
若所述像素数目小于预设像素阈值，则剔除所述光源的图像坐标。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述处理器具体被配置为：
根据所述至少一个光源的三维坐标，分别确定所述至少一个光源与所述虚拟对象的距离；
根据所述至少一个光源各自对应的距离，设置相应光源的光影权重，所述光影权重与所述距离呈正相关；
根据所述至少一个光源各自的光影权重，绘制所述虚拟对像的光影。
9.如权利要求6-8中任一项所述的设备，其特征在于，所述处理器具体被配置为：
将所述HDR全景图像转换为HDR全景灰度图像；
对所述HDR全景灰度图像进行自适应阈值分割，得到HDR全景二值图像；
对所述HDR全景二值图像进行开操作运算，得到干净的HDR全景二值图像。
10.如权利要求6-8中任一项所述的设备，其特征在于，所述全景图像投影格式，包括等矩柱状投影ERP格式、圆柱等面积投影EAP格式、立方体贴图投影CMP格式中的任一一个。
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