CN114972649A - 一种基于三维重建的虚拟现实实现方法及系统 - Google Patents

一种基于三维重建的虚拟现实实现方法及系统 Download PDF

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CN114972649A CN202210633333.2A CN202210633333A CN114972649A CN 114972649 A CN114972649 A CN 114972649A CN 202210633333 A CN202210633333 A CN 202210633333A CN 114972649 A CN114972649 A CN 114972649A
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周海鹏
李程成
孙伟
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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Abstract

本发明公开了一种基于三维重建的虚拟现实实现方法及系统，属于三维重建的技术领域。包括：使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件勾勒出原始三维模型；基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理；对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。本发明在同一环境内获取的三维模型，针对存在阴影区域的部分进行阴影消除处理，获取阴影底下更为清晰的曲面结构。

Description

一种基于三维重建的虚拟现实实现方法及系统
技术领域
本发明属于三维重建的技术领域，特别是涉及一种基于三维重建的虚拟现实实现方法及系统。
背景技术
虚拟实现技术中一般利用图像进行三维重建，目前比较热门的SLAM技术、计算机视觉、摄影测量三维重建等技术得到了快速的发展。
但是，所有的三维重建技术都需要依赖特征点提取，特征点主要依赖被测对象的纹理特征，相较于基于单一尺度的，其提取的特征点多，鲁棒性好，进行三维重建是非常简单的。但是在实际重建是的重建目标更多的为多尺度，因此在获取重建目标曲面时阴影所产生的变化将会导致实际特征点与理论特征点相距甚远，从而导致重建的三维重建精度低，甚至重建失败，导致虚拟实现的使用感差，甚至是无法实现对应的虚拟实现。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种基于三维重建的虚拟现实实现方法及系统。
本发明采用以下技术方案：基于三维重建的虚拟现实实现方法，至少包括以下步骤：
使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件勾勒出原始三维模型；
基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离，分别得到至少一个非阴影曲面和至少一个阴影曲面；
对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；
将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。
在进一步的实施例中，所述数据信息至少包括：目标物体的曲面、以及对应的曲面色彩RGB。
在进一步的实施例中，基于所述曲面色彩将曲面划分为至少两个区域的流程如下：
分别选用长波L、中波M和短波S的入射光照射在原始三维模型的表面，在照射的过程中原始三维模型按照预定的角速度和方向转动，保证入射光能照射到每个角落；
基于映射关系将长波L、中波M和短波S映射为彩色通道{l、m、s}；
基于所述彩色通道{l、m、s}得到对应的彩色调函数
Figure BDA0003679617610000021
使用旋转矩阵计算得到无色调函数σ和对立色调函数δ1,δ2，再次利用所述映射关系，基于无色调函数σ和对立色调函数δ1,δ2得到无色调分量
Figure BDA0003679617610000022
和对立色调分量
Figure BDA0003679617610000023
当无色调分量
Figure BDA0003679617610000024
和对立色调分量
Figure BDA0003679617610000025
同时满足以下关系时，则对应曲面的点或者区域为非阴影区域：
Figure BDA0003679617610000026
其中，σ1,σ2,δ11,δ12,δ21,δ22均为预先给定的阈值。
通过采用上述技术方案，首先使用三种不同波长的光按照同样的参数进行照射，降低单一波长光下产生阴影的偶然性，增加划分的普遍性和多样性。
在进一步的实施例中，所述旋转矩阵为A：
Figure BDA0003679617610000027
式中，α表示原始三维模型转动的角速度，β表示当前点与彩色通道之间的角度，即β为预先设定的角度，当原始三维模型中的任意一点与彩色通道之间的角度为β时，则开始计算：
Figure BDA0003679617610000028
通过采用上述技术方案，在指定角度β和指定角速度α的限定下，保证不同波长之间投影角度的一致性，便于后期的参数对比。
在进一步的实施例中，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离至少包括以下流程：
将若干个连续或/和非连续的非阴影区域做关联性得到唯一的非阴影模型，并选定一个标志点C1(x1,y1)；
将若干个连续或/和非连续的阴影区域做关联性得到唯一的阴影模型，并选定一个标志点C2(x2,y2)；其中，x1＝x2，y1＝y2；
定义并存储拖拽方向，选中标志点C1(x1,y1)或C2(x2,y2)将非阴影模型或阴影模型按照所述拖拽方向移动，直至阴影模型与阴影模型之间完全脱离，对应更新标志点分别为C’1(x’1,y'1)或C'2(x'2,y'2)；
设置非阴影模型和阴影模型均仅在拖拽方向具有自由度。
通过采用上述技术方案，将非阴影模型和阴影模型完全分离，且分离的过程中每个模型的内部区域不会发生变动，模型与模型之间除了在拖拽方向上有移动，其他都不会产生相对唯一和转动，便于后期再次拼装。
在进一步的实施例中，将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处具体包括以下流程：
选中C’1(x’1,y'1)或C’2(x'2,y'2)，按照拖拽方向做原路返回，直至C'1(x'1,y'1)与C1(x1,y1)完全重叠或C'2(x'2,y'2)与C2(x2,y2)完全重叠。
通过采用上述技术方案，通过两点重合保证再次拼装时不会产生错位。
在进一步的实施例中，对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理至少包括以下流程：
定义非阴影区域的RGB分量分别为Rfn(i,j)，Gfn(i,j)，Bfn(i,j)，其中n非阴影区域的等级，所述等级基于灰度进行分级；
为阴影区域的RGB分量分别为Rs(i,j)，Gs(i,j)，Bs(i,j)，将非阴影区域的RGB分量与阴影区域的RGB分量做差，得到差Rcn(i,j)，Gcn(i,j)，Bcn(i,j)；基于Rcn(i,j)，Gcn(i,j)，Bcn(i,j)得到关于阴影层：
Figure BDA0003679617610000031
对阴影层进行二值化处理，得到像素均值
Figure BDA0003679617610000032
式中，m表示模板n的大小m×m，Pnm表示模板n的像素值；
使用以下公式进行阴影消除：
Figure BDA0003679617610000033
I为预先设置的阈值。
用于实现如上所述的基于阴影补偿的多尺度目标三维重建系统，包括：
第一模块，被设置为使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件勾勒出原始三维模型；
第二模块，被设置为基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离，分别得到至少一个非阴影曲面和至少一个阴影曲面；
第三模块，被设置为对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；
第四模块，被设置为将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。
在进一步的实施例中，所述数据信息至少包括：目标物体的曲面、以及对应的曲面色彩RGB。
本发明的有益效果：现有技术中对一实物，尤其是表面不光滑的物体进行三维重建时，在光照或者环境光的照射下，非光滑的面将会产生阴影，且阴影会根据光照的角度或者其他的因素按照不同的照射角度投影在与之相邻的光滑的曲面上或者非光滑的面将，从而导致存在阴影部分的曲面结构获取不清晰，进一步导致重建后的三维模型的曲面与实物相差较大。故本申请在同一环境内获取的三维模型，针对存在阴影区域的部分进行阴影消除处理，获取阴影底下更为清晰的曲面结构，增加虚拟实现的真实性、和交互性，将每个虚拟的细节都展现的淋漓尽致。
附图说明
图1为实施例1的基于三维重建的虚拟现实实现方法的流程图。
具体实施方式
申请人发现：在给曲面为光滑的实物进行三维重建时，仅需要提供摄像装置结合三维软件并可将该曲面为光滑的实物较为完美的呈现出来。但是当曲面为多尺度，即曲面的某一区域或者多个区域为凹凸不平且无规律性，则三维重建时，凹凸不平的区域将会在光照的情况下产生阴影，并照射在其相邻的区域内，即有部分区域是被多尺度曲面的影音给遮挡的，因此针对这部分区域，在做三维重建时，由于阴影的存在导致其真实的曲面结构获取不清楚、或者获取不到。导致虚拟环境中缺少真实性，没有细节展示，使用感和舒适感差。
实施例1
针对上述技术问题，本实施例提供了一种基于三维重建的虚拟现实实现方法，包括以下步骤：
步骤一、使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件勾勒出原始三维模型，所述数据信息至少包括：目标物体的曲面、以及对应的曲面色彩RGB。
即在获取目标物体时，首先采用正投影进行获取，换言之，在获取时是将物体的表面划分为若干个拍摄面，保证该拍摄面与拍摄源为正投影，主要有以下目的：保证多尺度曲面(尤其是存在凹陷区域)的投影方向一致，同时保证无阴影遮挡的区域能够准确的获取其表面。
在进一步的实施例中，由于在光照情况下获取的曲面结构，针对多尺度曲面(尤其是存在凹陷区域)将会在周边或者指定的区域上产生阴影，而产生的阴影部分直接遮挡住周边或者指定的区域的曲面结构，导致这部分的结构获取存在严重的偏差，故在本文中将存在阴影遮挡的部分定义为阴影区域，无阴影遮挡的部分为非阴影区。获取到的阴影区域的曲面结构上并非其实际的曲面结构，而是存在阴影的曲面结构，阴影将会导致该结构不清晰或者直接将实际的结构完全遮挡导致获取的实际为曲面阴影部分。因此
步骤二、基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离，分别得到至少一个非阴影曲面和至少一个阴影曲面；在本实施例中，阴影曲面可以连续的一个较大面积的曲面，也可以是非连续的若干个面积不等的曲面，具体的根据实际情况而定。非阴影区域同理。
步骤三、对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；即将阴影区域中的阴影消除，获得对应区域的真实的曲面结构。
步骤四、将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。
在进一步的实施例中，所述步骤二中的基于所述曲面色彩将曲面划分为至少两个区域的流程如下：
步骤201、分别选用长波L、中波M和短波S的入射光照射在原始三维模型的表面，在照射的过程中原始三维模型按照预定的角速度和方向转动，保证入射光能照射到每个角落；
步骤202、基于映射关系将长波L、中波M和短波S映射为彩色通道{l、m、s}：彩色通道k∈{l、m、s}采用以下公式获取：
Figure BDA0003679617610000061
式中，K为尺度因子，Mmax为对应入射光的饱和度，M∈{L、M、S}表示对应入射光的强度。
步骤203、所述彩色通道{l、m、s}得到对应的彩色调函数
Figure BDA0003679617610000062
基于所述彩色通道{l、m、s}通过以下公式得到对应的彩色调函数
Figure BDA0003679617610000063
Figure BDA0003679617610000064
步骤204、使用旋转矩阵A计算得到无色调函数σ和对立色调函数δ1,δ2，再次利用所述映射关系，基于无色调函数σ和对立色调函数δ1,δ2得到无色调分量
Figure BDA0003679617610000065
和对立色调分量
Figure BDA0003679617610000066
所述旋转矩阵为A：
Figure BDA0003679617610000067
式中，α表示原始三维模型转动的角速度，β表示当前点与彩色通道之间的角度，即β为预先设定的角度，当原始三维模型中的任意一点与彩色通道之间的角度为β时，则开始计算：
Figure BDA0003679617610000068
步骤205、当无色调分量
Figure BDA0003679617610000069
和对立色调分量
Figure BDA00036796176100000610
同时满足以下关系时，则对应曲面的点或者区域为非阴影区域：
Figure BDA0003679617610000071
其中，σ1,σ2,δ11,δ12,δ21,δ22均为预先给定的阈值。
首先使用三种不同波长的光按照同样的参数进行照射，降低单一波长光下产生阴影的偶然性，增加划分的普遍性和多样性。同时，在指定角度β和指定角速度α的限定下，保证不同波长之间投影角度的一致性，便于后期的参数对比。
在进一步的实施例中，所述步骤二中的将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离具体包括以下流程：
将若干个连续或/和非连续的非阴影区域做关联性得到唯一的非阴影模型，并选定一个标志点C1(x1,y1)；
将若干个连续或/和非连续的阴影区域做关联性得到唯一的阴影模型，并选定一个标志点C2(x2,y2)；其中，x1＝x2，y1＝y2；
定义并存储拖拽方向，选中标志点C1(x1,y1)或C2(x2,y2)将非阴影模型或阴影模型按照所述拖拽方向移动，直至阴影模型与阴影模型之间完全脱离，对应更新标志点分别为C’1(x'1,y'1)或C’2(x’2，y'2)。
设置非阴影模型和阴影模型均仅在拖拽方向具有自由度。将非阴影模型和阴影模型完全分离，且分离的过程中每个模型的内部区域不会发生变动，模型与模型之间除了在拖拽方向上有移动，其他都不会产生相对唯一和转动，便于后期再次拼装，保证拼装时能够迅速的对接并恢复至初始模型(结构连接上)。
举例说明，当操作人员决定拖拽非阴影模型，则首先将阴影模型定位在指定点C2(x2,y2)上，再选中关于非阴影模型的标志点C1(x1,y1)在拖拽方向上进行移动，直至阴影模型与阴影模型之间完全脱离，即无重叠或者交叉部分。此时非阴影模型的标志点更新为C’1(x’1,y'1)，即x’1≠x1，y'1≠y1，且x’1,y'1不属于非阴影模型。
当对阴影区域处理结束后，需要做以下处理，使模型在结构上与原始状态一样，选中C’1(x’1,y'1)或C’2(x’2,y'2)，按照拖拽方向做原路返回，直至C’1(x’1,y'1)与C1(x1,y1)完全重叠或C’2(x’2,y'2)与C2(x2,y2)完全重叠。
基于上述举例做延伸，即阴影模型一直被定位在指定点C2(x2，y2)上，选中关于非阴影模型的更新后的标志点C’1(x’1,y'1)在拖拽方向上进行反方向移动，直至C’1(x’1,y'1)与C1(x1,y1)重合，即非阴影区域恢复至原始位置，，即x'1＝x1，y'1＝y1。移动的过程模型除了在拖拽方向上移动则不会发生任何转动或者位置、状态变化。
在进一步的实施例中，步骤三具体包括以下步骤：定义非阴影区域的RGB分量分别为Rfn(i,j)，Gfn(i,j)，Bfn(i,j)，其中n非阴影区域的等级，所述等级基于灰度进行分级；即根据阴影的灰度进行等级划分，不同等级的处理级别不同，n越大则表示阴影严重，需要多次处理，反之。
为阴影区域的RGB分量分别为Rs(i,j)，Gs(i,j)，Bs(i,j)，将非阴影区域的RGB分量与阴影区域的RGB分量做差，得到差Rcn(i,j)，Gcn(i,j)，Bcn(i,j)；基于Rcn(i,j)，Gcn(i,j)，Bcn(i,j)得到关于阴影层：
Figure BDA0003679617610000081
对阴影层进行二值化处理，得到像素均值
Figure BDA0003679617610000082
式中，m表示模板n的大小m×m，Pnm表示模板n的像素值；
使用以下公式进行阴影消除：
Figure BDA0003679617610000083
I为预先设置的阈值。
实施例2
为了实现实施例1所述的方法，本实施例公开了基于阴影补偿的多尺度目标三维重建系统，包括：
第一模块，被设置为使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件勾勒出原始三维模型；所述数据信息至少包括：目标物体的曲面、以及对应的曲面色彩RGB。
第二模块，被设置为基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离，分别得到至少一个非阴影曲面和至少一个阴影曲面；
第三模块，被设置为对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；
第四模块，被设置为将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。

Claims (9)

1.基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件；
基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离，分别得到至少一个非阴影曲面和至少一个阴影曲面；
对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；
将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。
2.根据权利要求1所述的基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，所述数据信息至少包括：目标物体的曲面、以及对应的曲面色彩RGB。
3.根据权利要求2所述的基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，基于所述曲面色彩将曲面划分为至少两个区域的流程如下：
分别选用长波L、中波M和短波S的入射光照射在原始三维模型的表面，在照射的过程中原始三维模型按照预定的角速度和方向转动，保证入射光能照射到每个角落；
基于映射关系将长波L、中波M和短波S映射为彩色通道{l、m、s}；
基于所述彩色通道{l、m、s}得到对应的彩色调函数
Figure FDA0003679617600000011
使用旋转矩阵计算得到无色调函数σ和对立色调函数δ1,δ2，再次利用所述映射关系，基于无色调函数σ和对立色调函数δ1,δ2得到无色调分量
Figure FDA0003679617600000012
和对立色调分量
Figure FDA0003679617600000013
当无色调分量
Figure FDA0003679617600000014
和对立色调分量
Figure FDA0003679617600000015
同时满足以下关系时，则对应曲面的点或者区域为非阴影区域：
Figure FDA0003679617600000016
其中，σ1,σ2,δ11,δ12,δ21,δ22均为预先给定的阈值。
4.根据权利要求3所述的基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，所述旋转矩阵为A：
Figure FDA0003679617600000017
式中，α表示原始三维模型转动的角速度，β表示当前点与彩色通道之间的角度，即β为预先设定的角度，当原始三维模型中的任意一点与彩色通道之间的角度为β时，则开始计算：
Figure FDA0003679617600000021
5.根据权利要求1所述的基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离至少包括以下流程：
将若干个连续或/和非连续的非阴影区域做关联性得到唯一的非阴影模型，并选定一个标志点C1(x1，y1)；
将若干个连续或/和非连续的阴影区域做关联性得到唯一的阴影模型，并选定一个标志点C2(x2，y2)；其中，x1＝x2，y1＝y2；
定义并存储拖拽方向，选中标志点C1(x1，y1)或C2(x2，y2)将非阴影模型或阴影模型按照所述拖拽方向移动，直至阴影模型与阴影模型之间完全脱离，对应更新标志点分别为C’1(x’1，y’1)或C’2(x’2，y’2)；
设置非阴影模型和阴影模型均仅在拖拽方向具有自由度。
6.根据权利要求5所述的基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处具体包括以下流程：
选中C’1(x’1，y’1)或C’2(x’2，y’2)，按照拖拽方向做原路返回，直至C’1(x’1，y’1)与C1(x1，y1)完全重叠或C’2(x’2，y’2)与C2(x2，y2)完全重叠。
7.根据权利要求1所述的基于三维重建的虚拟现实实现方法，其特征在于，对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理至少包括以下流程：
定义非阴影区域的RGB分量分别为Rfn(i，j)，Gfn(i，j)，Bfn(i，j)，其中n非阴影区域的等级，所述等级基于灰度进行分级；
为阴影区域的RGB分量分别为Rs(i，j)，Gs(i，j)，Bs(i，j)，将非阴影区域的RGB分量与阴影区域的RGB分量做差，得到差Rcn(i，j)，Gcn(i，j)，Bcn(i，j)；基于Rcn(i，j)，Gcn(i，j)，Bcn(i，j)得到关于阴影层：
Figure FDA0003679617600000031
对阴影层进行二值化处理，得到像素均值
Figure FDA0003679617600000032
式中，m表示模板n的大小m×m，Pnm表示模板n的像素值；
使用以下公式进行阴影消除：
Figure FDA0003679617600000033
I为预先设置的阈值。
8.用于实现如权利要求1至7中任意项所述的虚拟现实实现方法的实现系统，其特征在于，包括：
第一模块，被设置为使用正投影获取目标物体的原始数据，基于所述原始数据使用三维软件勾勒出原始三维模型；
第二模块，被设置为基于所述原始数据将原始三维模型划分为至少两个区域：非阴影区域和阴影区域；对非阴影区域和阴影区域进行分割处理，将非阴影区域和阴影区域在维持原始位置关系的基础上于空间上按照预定方向发生分离，分别得到至少一个非阴影曲面和至少一个阴影曲面；
第三模块，被设置为对所述至少一个阴影曲面同时进行阴影消除处理，得到处理后的至少一个多尺度曲面；
第四模块，被设置为将所述至少一个多尺度曲面按照预定方向的反方向进行拖拽，直至恢复至阴影区域所在位置处，多尺度曲面与非阴影区域进行拼接得到重建三维模型。
9.根据权利要求8所述的基于三维重建的虚拟现实实现系统，其特征在于，所述数据信息至少包括：目标物体的曲面、以及对应的曲面色彩RGB。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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