FR3099279A1 - Method for determining a normal map from images by uncalibrated stereo photometry - Google Patents

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Abstract

Procédé de détermination d’une carte de normales à partir d’une pluralité d’images 2D par photométrie stéréo non calibrée, comprenant les étapes consistant à : -recevoir un jeu d’images avec différentes conditions d’éclairage non calibrées ; -extraire un champ de Normales intermédiaires et un champ de Lumières intermédiaires issus d’une décomposition en valeurs singulières de la Matrice I contenant les données des images ; -déterminer six coefficients mineurs de l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales afin de le rendre intégrable ; -modifier le champ de Normales afin de rendre sa surface induite intégrable; -extraire des Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM) ; -déterminer l’ambiguïté de bas relief généralisée basée sur les LDRM en utilisant une approche statistique; -appliquer la GBR aux champs de Normales intermédiaires et de Lumières intermédiaires ; -normaliser les Normales du champ de Normales intermédiaire. Figure 5A method of determining a normal map from a plurality of 2D images by uncalibrated stereo photometry, comprising the steps of: receiving a set of images with different uncalibrated lighting conditions; -extract an intermediate Normals field and an intermediate Enlightenment field from a singular value decomposition of Matrix I containing the image data; -determine six minor coefficients of the inverse of the linear transformation to be applied to the field of Normals in order to make it integrable; -modify the field of Normals in order to make its induced surface integrable; -extract the Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM); -determine the ambiguity of generalized bas relief based on LDRMs using a statistical approach; -apply the GBR to the fields of Intermediate Normals and Intermediate Lights; -normalize the Normals of the intermediate Normals field. Figure 5

Description

Procédé de détermination d’une carte de normales à partir d’images par photométrie stéréo non calibréeMethod for determining a map of normals from images by uncalibrated stereo photometry

La présente invention concerne un procédé de détermination d’une carte de normales à partir d’une pluralité d’images 2D par photométrie stéréo non calibrée.The present invention relates to a method for determining a map of normals from a plurality of 2D images by uncalibrated stereo photometry.

Le domaine de la photométrie stéréo s'attelle à extraire des informations géométriques à partir d'un jeu d'images obtenu d'un même point de vue où pour chaque image, la scène statique capturée est observée dans des conditions d'éclairage différentes La photométrie stéréo présente un fort intérêt dans le domaine de la création artistique, car les résultats qui en découlent permettent à un artiste de se focaliser sur la modification de la matière (et donc son originalité) plutôt que sur la création intégrale de cette dernière, évitant ainsi un long processus où des étapes fastidieuses sont souvent de rigueur.The field of stereo photometry strives to extract geometric information from a set of images obtained from the same point of view where for each image, the static scene captured is observed under different lighting conditions. stereo photometry is of great interest in the field of artistic creation, because the resulting results allow an artist to focus on the modification of the material (and therefore its originality) rather than on the integral creation of the latter, avoiding thus a long process where tedious steps are often necessary.

On distingue deux grandes classes de méthodes dites de photométrie stéréo : celles de type calibré où les informations de lumières (i.e. direction et intensité) sont connues pour chaque image, et celles dites non calibrées où les informations de lumières sont inconnues et font donc partie des variables à résoudre (les autres variables étant le champs de normales).There are two main classes of so-called stereo photometry methods: those of the calibrated type where the light information (i.e. direction and intensity) is known for each image, and those called uncalibrated where the light information is unknown and is therefore part of the variables to solve (the other variables being the field of normals).

Les approches calibrées, bien que plus simple à la résolution d'un point de vue mathématique, présentent la forte contrainte du besoin de déterminer les informations concernant les données relatives à la lumière ou l’éclairage. Cette étape est complexe et nécessite en général du matériel spécifique (par exemple une boule réfléchissante à placer dans la scène à capturer) combiné à des logiciels dédiés à l'extraction de ces informations. Les résultats manquent souvent de précision, impactant ainsi négativement les résultats obtenus.Calibrated approaches, although simpler to solve from a mathematical point of view, have the strong constraint of the need to determine information about light or illumination data. This step is complex and generally requires specific equipment (for example a reflecting ball to be placed in the scene to be captured) combined with software dedicated to the extraction of this information. The results often lack precision, thus negatively impacting the results obtained.

Le document WO2008/066368 concerne un procédé et un appareil destinés à un modelage tridimensionnel qui utilise le principe de vision stéréo avec un système d'éclairage intégré afin de permettre la restauration en profondeur sans connaissance préalable de la réflexion de la surface. Le procédé comprend diverses étapes initiales de calibrage stéréo et radiométrique et des procédés de rectification destinés à obtenir des résultats précis. En outre, une technique stéréo active est appliquée afin de restaurer des cartes à profondeur dense simplement à partir de quelques images stéréo. Cette technique est une combinaison des rapprochements classiques et de la photométrie stéréo et se base sur la propriété de réciprocité de la réflexion qui considère une répartition superficielle arbitraire de la réflexion. Cette propriété particulière est obtenue si l'objet à restaurer a été acquis dans des conditions d'éclairage spécifiques préalablement prévues. La technique stéréo active est suivie de l'application d'un procédé de calibrage de la carte en profondeur. Le procédé comprend également un processus d'acquisition d'images destiné à obtenir des jeux d'images nécessaires au calibrage, à la rectification et aux procédés de restauration tridimensionnelle. Le procédé et le dispositif sont relativement complexes du fait des étapes de calibrages devant être mises en œuvre.The document WO2008/066368 relates to a method and an apparatus intended for three-dimensional modeling which uses the principle of stereo vision with an integrated lighting system in order to allow restoration in depth without prior knowledge of the reflection of the surface. The method includes various initial stereo and radiometric calibration steps and rectification methods to achieve accurate results. Furthermore, an active stereo technique is applied in order to restore dense depth maps just from a few stereo images. This technique is a combination of classical approximations and stereo photometry and is based on the property of reciprocity of reflection which considers an arbitrary surface distribution of reflection. This particular property is obtained if the object to be restored was acquired under specific lighting conditions previously planned. The active stereo technique is followed by the application of an in-depth map calibration process. The method also includes an image acquisition process for obtaining sets of images needed for calibration, rectification and three-dimensional restoration processes. The method and the device are relatively complex because of the calibration steps to be implemented.

Il existe donc un besoin pour un procédé de détermination de caractéristiques d’images permettant de s’affranchir de contraintes de matériel, tout en permettant l’obtention de résultats fiables, de façon simple et rapide.There is therefore a need for a method for determining image characteristics that overcomes hardware constraints, while allowing reliable results to be obtained simply and quickly.

Pour pallier ces différents inconvénients, l’invention prévoit différents moyens techniques.To overcome these various drawbacks, the invention provides various technical means.

Tout d’abord, un premier objectif de l’invention consiste à prévoir un procédé permettant d’améliorer la productivité des artistes pour la création d’objets ou de scènes dans le domaine de la création artistique, par exemple pour des jeux vidéo ou des films.First of all, a first objective of the invention consists in providing a method making it possible to improve the productivity of artists for the creation of objects or scenes in the field of artistic creation, for example for video games or movies.

Un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un procédé permettant de déterminer les caractéristiques d’images sans devoir utiliser de matériel spécifique pour effectuer les prises de vues de ces images.Another object of the invention consists in providing a method making it possible to determine the characteristics of images without having to use specific equipment to take the shots of these images.

Pour ce faire, l’invention prévoit un procédé de détermination d’une carte de normales à partir d’une pluralité d’images 2D par photométrie stéréo non calibrée, comprenant les étapes consistant à :
i) recevoir un jeu d’au moins trois images avec différentes conditions d’éclairage non calibrées (ou non connues);
ii) préparer les données des images reçues afin de les rendre compatibles pour un traitement destiné à des données Lambertiennes dénuées d’ombres;
iii) extraire un champ de Normales intermédiaires et un champ de Lumières intermédiaires issus d’une décomposition en valeurs singulières de la Matrice I contenant les données des images ;
iv) déterminer six coefficients mineurs de l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales afin de le rendre intégrable ;
v) modifier le champ de Normales afin de rendre sa surface induite intégrable à l’aide des six coefficients mineurs et d’une transformation de bas relief généralisé (GBR) quelconque, soit les trois valeurs déterminant la dernière colonne de la matrice décrivant l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales ;(on pose par exemple les trois valeurs égales à 1)
vi) extraire des Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM) ;
vii) déterminer l’ambiguïté de bas relief généralisée (GBR ambiguity) basée sur les LDRM en utilisant une approche statistique;
viii) appliquer la GBR aux champs de Normales intermédiaires et de Lumières intermédiaires ;
ix) normaliser les Normales du champ de Normales intermédiaire.
To do this, the invention provides a method for determining a map of normals from a plurality of 2D images by uncalibrated stereo photometry, comprising the steps of:
i) receive a set of at least three images with different uncalibrated (or unknown) lighting conditions;
ii) preparing the data of the received images in order to make them compatible for processing intended for Lambertian data devoid of shadows;
iii) extracting a field of intermediate Normals and a field of intermediate Lights resulting from a singular value decomposition of the Matrix I containing the image data;
iv) determine six minor coefficients of the inverse of the linear transformation to be applied to the field of Normals in order to make it integrable;
v) modify the field of Normals in order to make its induced surface integrable using the six minor coefficients and any generalized low relief (GBR) transformation, i.e. the three values determining the last column of the matrix describing the inverse of the linear transformation to be applied to the field of Normals; (for example, the three values are set equal to 1)
vi) extract Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM);
vii) determine the generalized low relief ambiguity (GBR ambiguity) based on the LDRMs using a statistical approach;
viii) apply GBR to Intermediate Normals and Intermediate Lights fields;
ix) normalize the Normals of the intermediate Normals field.

L’utilisation d’une approche par photométrie stéréo non calibrée permet à un artiste de se dispenser des étapes de calibration des lumières pour se focaliser uniquement sur la capture de la scène avec un matériel commun (par exemple un appareil photo de téléphone). Pour éviter que le modèle équationnel soit trop complexe, la présente méthode décrit une approche de photométrie stéréo non calibrée où la matière est considérée comme Lambertienne. Par ailleurs, pour simplifier d’avantage le modèle, on considère les lumières comme étant directionnelles et la scène comme étant dénuée d'ombres. Bien que ces prérequis soient rarement réunis dans la réalité, les essais réalisés ont permis d’obtenir des résultats d’un haut niveau qualitatif. De plus, l’approximation de rang faible appliquée aux données d’entrée permet de satisfaire au plus proche de ces prérequis et ainsi d’obtenir des résultats d’autant plus qualitatifs.Using an uncalibrated stereo photometry approach allows an artist to dispense with the light calibration steps and focus solely on capturing the scene with common hardware (e.g. a phone camera). To prevent the equational model from being too complex, this method describes an uncalibrated stereo photometry approach where the material is considered Lambertian. Also, to further simplify the model, we consider the lights to be directional and the scene to be without shadows. Although these prerequisites are rarely met in reality, the tests carried out have made it possible to obtain results of a high quality level. In addition, the low rank approximation applied to the input data makes it possible to satisfy these prerequisites as closely as possible and thus to obtain even more qualitative results.

De plus, étant dans un contexte d’outils de création de matière digitale (texture, image, matériau ou autre), un des objectifs vise à minimiser et optimiser l’utilisation des ressources mémoires ainsi que calculatoires afin de rendre la méthode disponible et attrayante au plus grand éventail d'utilisateurs possible dans des conditions de productivité avantageuses.In addition, being in a context of digital material creation tools (texture, image, material or other), one of the objectives is to minimize and optimize the use of memory and computing resources in order to make the method available and attractive. to the widest possible range of users under advantageous productivity conditions.

A l’étape vii, l’approche statistique est de préférence de type "online" à défaut d' « offline », c'est à dire que la convergence peut arriver et arrive en pratique bien plus tôt de par le traitement des données (soient les GBR locales issues de l'intersection des segments 2D) au fur et à mesure avec une heuristique quant à la convergence (variance de la GBR en dessous d'un certain seuil).At step vii, the statistical approach is preferably of the "online" type in the absence of "offline", i.e. convergence can and does happen in practice much earlier due to data processing ( be the local GBRs resulting from the intersection of the 2D segments) progressively with a heuristic as to convergence (variance of the GBR below a certain threshold).

Selon divers modes de réalisation avantageux, l’étape de préparation des données comporte une ou plusieurs des phases suivantes: une phase de conversion des données d’images en flottant, une phase de linéarisation des données, une phase de conversion des valeurs RGB en valeurs de luminance, une phase de vectorisation des images en tant que colonnes d’une matrice I, une phase d’approximation de rang faible, de préférence proche de trois, afin de respecter les prérequis Lambertiens et d’absence d’ombres des images.According to various advantageous embodiments, the step of preparing the data comprises one or more of the following phases: a phase of converting the image data into float, a phase of linearizing the data, a phase of converting the RGB values into values of luminance, a phase of vectorization of the images as columns of a matrix I, a phase of approximation of low rank, preferably close to three, in order to respect the Lambertian prerequisites and of absence of shadows of the images.

De manière avantageuse, l’approche statistique de l’étape de détermination de l’ambiguïté de bas relief généralisée (GBR ambiguity) est basée sur une pluralité de résolutions analytiques locales de la GBR avec détection de la convergence lorsque la distribution de l’ensemble des GBR locales satisfait une loi de distribution normale.Advantageously, the statistical approach of the step of determining the generalized low relief ambiguity (GBR ambiguity) is based on a plurality of local analytical resolutions of the GBR with detection of convergence when the distribution of the set of local GBRs satisfies a normal distribution law.

Cette approche est relativement simple, particulièrement rapide et procure des résultats fiables et précis. L’utilisation des histogrammes permet d’avoir une faible complexité mémoire.This approach is relatively simple, particularly fast and provides reliable and accurate results. The use of histograms makes it possible to have a low memory complexity.

Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend une étape préalable de transformation des données d’images d’entrée en niveaux de gris.According to an advantageous embodiment, the method comprises a preliminary step of transforming the input image data into gray levels.

Le procédé étant fonctionnel avec des images sans coloration, cette étape permet d’élargir le domaine d’application à l’univers des images couleurs, en prévoyant une étape simple et rapide pour rendre ces images compatibles.As the process is functional with images without coloring, this step makes it possible to broaden the field of application to the universe of color images, by providing a simple and quick step to make these images compatible.

De manière avantageuse, le jeu d’images d’entrée comprend au moins trois, et plus préférentiellement au moins huit images.Advantageously, the set of input images comprises at least three, and more preferably at least eight images.

Ce mode de réalisation permet, dans la mesure où l’échantillonnage de la lumière est distribué dans de façon uniforme relativement à la scène, de garantir un niveau de qualité suffisant pour un grand nombre de cas d’utilisation, et pour une grande partie des images utilisables.This embodiment makes it possible, insofar as the sampling of the light is distributed in a uniform manner relative to the scene, to guarantee a sufficient level of quality for a large number of use cases, and for a large part of the usable images.

Selon un exemple de réalisation, les données résultantes de carte de Normales sont utilisées pour générer un rendu 3D de l’image d’entrée.According to an exemplary embodiment, the resulting normals map data is used to generate a 3D rendering of the input image.

Ce mode de réalisation est particulièrement utile par exemple dans le domaine de la création artistique. Il permet par exemple de s’inspirer d’objets courants pour les intégrer à une œuvre en cours d’élaboration.This embodiment is particularly useful for example in the field of artistic creation. For example, it allows you to draw inspiration from everyday objects to integrate them into a work in progress.

Selon un autre exemple, les données résultantes de carte de Normales sont utilisées pour générer une carte de Hauteurs de l’image d’entrée.In another example, the resulting Normals map data is used to generate a Heights map of the input image.

Ce mode de réalisation permet de rajouter du micro-détail (hautes fréquences) à la matière sans perturber la géométrie sous-jacente. (Normal mapping). Le « displacement mapping » permet d’ajouter du macro-détail (basse fréquence) à la matière en perturbant la géométrie sous-jacente.This embodiment makes it possible to add micro-detail (high frequencies) to the material without disturbing the underlying geometry. (Normal mapping). The “displacement mapping” makes it possible to add macro-detail (low frequency) to the material by disturbing the underlying geometry.

Selon encore un exemple de réalisation, les données résultantes de carte de Normales sont utilisées pour compléter les données de description d’un matériau défini de façon procédurale pour utilisation sur une texture ou une image digitale.According to yet another exemplary embodiment, the resulting normal map data is used to supplement the description data of a procedurally defined material for use on a texture or digital image.

Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 23, présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles:All the implementation details are given in the following description, supplemented by figures 1 to 23, presented solely for the purpose of non-limiting examples, and in which:

Fig.1Fig.1

La figure 1 illustre un exemple d’un jeu de données de photométrie stéréo (sous ensemble de 8 images en lieu des 40 images originelles prétraitées par l’application d’une méthode de minimisation de rang). Figure 1 illustrates an example of a stereo photometry data set (subset of 8 images instead of the original 40 images preprocessed by applying a rank minimization method).

Fig.2Fig.2

La figure 2 illustre un exemple de carte de normales en vue vectorielle obtenue par le procédé selon l’invention à partir des données illustrées dans l’exemple de la figure 1. FIG. 2 illustrates an example of a map of normals in vector view obtained by the method according to the invention from the data illustrated in the example of FIG. 1.

Fig.3Fig.3

La figure 3 illustre un exemple de carte de hauteur extraite de la carte de normales de la figure 2. Figure 3 shows an example height map extracted from the normals map in Figure 2.

Fig.4Fig.4

La figure 4 illustre un exemple de différents rendus 3D prenant en entrée la carte de hauteur de la figure 3. Figure 4 illustrates an example of different 3D renderings taking as input the height map of Figure 3.

Fig.5Fig.5

La figure 5 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple de déroulement des principales étapes d’un procédé de détermination d’une carte de normales selon l’invention. FIG. 5 is a functional flowchart showing an example of the progress of the main steps of a method for determining a map of normals according to the invention.

Fig.6Fig.6

La figure 6 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de préparation de données. Figure 6 is a functional flowchart showing an example data preparation step.

Fig.7Fig.7

La figure 7 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape d’extraction de normales et de lumières. Figure 7 is a functional flowchart showing an example of a normal and lumen extraction step.

Fig.8Fig.8

La figure 8 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul de transformation linéaire d’un champ de normales par imposition de la condition d’intégrabilité de surface. FIG. 8 is a functional flowchart showing an example of a calculation step for the linear transformation of a field of normals by imposing the surface integrability condition.

Fig.9Fig.9

. La figure 9 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de modification de champs intermédiaires de normales et de lumières par imposition de la condition d’intégralité de surface. . FIG. 9 is a functional flowchart showing an example of a step for modifying intermediate fields of normals and lights by imposing the condition of completeness of surface.

Fig.10Fig.10

La figure 10 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul des Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM) pour un jeu d’images de photométrie stéréo. FIG. 10 is a functional flowchart showing an example of the calculation step of Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM) for a set of stereo photometry images.

Fig.11Fig.11

La figure 11 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de résolution de l’ambiguïté de Bas Relief Généralisé (GBR) basée sur les Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM). Figure 11 is a functional flowchart showing an example Generalized Low Relief (GBR) ambiguity resolution step based on Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM).

Fig.12Fig.12

La figure 12 est la suite de l’organigramme fonctionnel de la figure 11. Figure 12 is the continuation of the functional flowchart of Figure 11.

Fig.13Fig.13

La figure 13 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’application d’une GBR à des champs intermédiaire de normales et de lumières. Figure 13 is a functional flowchart showing an example application of a GBR to intermediate normal and light fields.

Fig.14Fig.14

La figure 14 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul de normalisation d’un champ intermédiaire de normales. FIG. 14 is a functional flowchart showing an example of a calculation step for normalizing an intermediate field of normals.

Les figures 15 à 23 illustrent des exemples d’étapes préparatoires pour la mise en œuvre du procédé.Figures 15 to 23 illustrate examples of preparatory steps for implementing the method.

Fig.15Fig.15

La figure 15 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul d’un masque des Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM) pour une image. FIG. 15 is a functional flowchart showing an example of a calculation step for a Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM) mask for an image.

Fig.16Fig.16

La figure 16 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul d’un segment 2D (u,v) pour des GBR. Figure 16 is a functional flowchart showing an example step for calculating a 2D segment (u,v) for GBRs.

Fig.17Fig.17

La figure 17 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul de l’intersection de deux segments 2D. Figure 17 is a functional flowchart showing an example step for calculating the intersection of two 2D segments.

Fig.18Fig.18

La figure 18 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul de lambda d’un point de segment 2D d’une LDRM. Fig. 18 is a functional flowchart showing an example lambda calculation step of a 2D segment point of an LDRM.

Fig.19Fig.19

La figure 19 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape d’initialisation d’une classe d’histogramme. Fig. 19 is a functional flowchart showing an example of an initialization step of a histogram class.

Fig.20Fig.20

La figure 20 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape d’ajout d’une valeur à une classe d’histogramme. Figure 20 is a functional flowchart showing an example step of adding a value to a histogram class.

Fig.21Fig.21

La figure 21 est un organigramme fonctionnel montrant un autre exemple d’étape d’initialisation d’un histogramme. Fig. 21 is a functional flowchart showing another example of a histogram initialization step.

Fig.22Fig.22

La figure 22 est un organigramme fonctionnel montrant un autre exemple d’étape d’ajout d’une valeur à un histogramme. Figure 22 is a functional flowchart showing another example step of adding a value to a histogram.

Fig.23Fig.23

La figure 23 est un organigramme fonctionnel montrant un exemple d’étape de calcul d’une médiane d’un histogramme. Fig. 23 is a functional flowchart showing an example step for calculating a median of a histogram.

La présente méthode décrit une approche de photométrie stéréo non calibrée où la matière est considérée comme Lambertienne, les lumières étant considérées comme étant directionnelles et la scène étant dénuée d'ombres. Bien que ces prérequis soient rarement réunies dans la réalité, la méthode en pratique se comporte étonnamment de façon satisfaisante d'un point de vue qualité des résultat.This method describes an uncalibrated stereo photometry approach where the material is considered Lambertian, the lights are considered to be directional and the scene is devoid of shadows. Although these prerequisites are rarely met in reality, the method in practice behaves surprisingly satisfactorily from the point of view of the quality of the results.

La figure 1 illustre un exemple d'un jeu d'images obtenu d'un même point de vue (c’est-à-dire avec une position unique de la caméra). Pour chacune des images, la scène statique capturée est observée dans des conditions d'éclairage différentes.Figure 1 illustrates an example of a set of images obtained from the same viewpoint (i.e. with a single camera position). For each of the images, the captured static scene is observed under different lighting conditions.

Les figures 2, 3 sont des cartes de normales en mode vectoriel et de hauteurs obtenues à partir des images de la figure 1 en appliquant le procédé selon l’invention.Figures 2, 3 are maps of normals in vector mode and of heights obtained from the images of Figure 1 by applying the method according to the invention.

La figure 4 illustre un exemple de différents rendus 3D basés sur la technique dite de « displacement mapping » prenant en entrée la carte de hauteur de la figure 3, chaque image montrant une variation du point de vue ainsi que de l’illumination de la scène.Figure 4 illustrates an example of different 3D renderings based on the so-called "displacement mapping" technique taking as input the height map of figure 3, each image showing a variation of the point of view as well as the illumination of the scene .

La figure 5 illustre, de façon schématique, les principales étapes permettant la mise en œuvre du procédé de détermination d’une carte de normales à partir d’une pluralité d’images 2D par photométrie stéréo non calibrée. L’étape 1 consiste à recevoir un jeu d’au moins trois images avec différentes conditions d’éclairage non calibrées. L’étape 2, parfois optionnelle, consiste à préparer les données des images reçues afin de les rendre compatibles pour un traitement destiné à des données Lambertiennes dénuées d’ombres. L’étape 3 consiste à extraire un champ de Normales intermédiaires et un champ de Lumières intermédiaires issus d’une décomposition en valeurs singulières de la Matrice I contenant les données des images.Figure 5 schematically illustrates the main steps for implementing the method for determining a map of normals from a plurality of 2D images by uncalibrated stereo photometry. Stage 1 consists of receiving a set of at least three images with different uncalibrated lighting conditions. Step 2, sometimes optional, consists in preparing the data of the images received in order to make them compatible for processing intended for Lambertian data devoid of shadows. Step 3 consists in extracting a field of intermediate Normals and a field of intermediate Lights resulting from a singular value decomposition of the Matrix I containing the image data.

Ensuite, à l’étape 4, il s’agit de déterminer six coefficients mineurs de l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales afin de le rendre intégrable. Ceci permet, à l’étape 5, de modifier le champ de Normales afin de rendre sa surface induite intégrable à l’aide des six coefficients mineurs et d’une GBR quelconque, soit les trois valeurs déterminant la dernière colonne de la matrice décrivant l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales.Then, in step 4, it is a question of determining six minor coefficients of the inverse of the linear transformation to be applied to the field of Normals in order to make it integrable. This allows, in step 5, to modify the field of Normals in order to make its induced surface integrable using the six minor coefficients and any GBR, i.e. the three values determining the last column of the matrix describing the inverse of the linear transformation to be applied to the field of Normals.

L’étape 6 consiste ensuite à extraire des Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM), pour pouvoir, à l’étape 7, déterminer l’ambiguïté de bas relief généralisée (GBR ambiguity) basée sur les LDRM en utilisant une approche statistique. Enfin, l’étape 8 consiste à appliquer la GBR aux champs de Normales intermédiaires et de Lumières intermédiaires, et l’étape 9 à normaliser les Normales du champ de Normales intermédiaire.Step 6 then consists in extracting Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM), in order to be able, in step 7, to determine the generalized low relief ambiguity (GBR ambiguity) based on the LDRM using a statistical approach. Finally, step 8 consists in applying the GBR to the fields of intermediate Normals and intermediate Lights, and step 9 to normalize the Normals of the intermediate Normals field.

Les cartes de normales obtenues permettent par exemple de compléter la description d’un matériau, et/ou de calculer une carte de hauteurs, et/ou de réaliser une édition basée sur l’image de la géométrie, etc.The normal maps obtained make it possible, for example, to complete the description of a material, and/or to calculate a map of heights, and/or to produce an edition based on the image of the geometry, etc.

Des exemples de calculs permettant d’effectuer les opérations requises à chacune des étapes 1 à 9 sont illustrées aux figures 6 à 14.Examples of calculations to perform the operations required in each of steps 1 to 9 are shown in Figures 6 to 14.

Des exemples de calculs permettant d’effectuer les opérations utiles pour préparer les données à traiter sont illustrées aux figures 15 à 24.Examples of calculations allowing to carry out the useful operations to prepare the data to be processed are illustrated in figures 15 to 24.

MISE EN OEUVREIMPLEMENTATION

La mise en œuvre des différents modules du système de photométrie stéréo préalablement décrit est avantageusement réalisée au moyen d’instructions de processeur ou commandes, permettant aux modules d’effectuer la ou les opérations spécifiquement prévues pour le module concerné. Les instructions de processeur peuvent être sous la forme d’un ou plusieurs logiciels ou modules de logiciels mis en œuvre par un ou plusieurs microprocesseurs. Le ou les modules et/ou le ou les logiciels sont avantageusement prévus dans un produit programme d’ordinateur comprenant un support d’enregistrement ou medium d’enregistrement utilisable par un ordinateur et comportant un code programmé lisible par un ordinateur intégré dans ledit support ou medium, permettant à un logiciel applicatif son exécution sur un ordinateur ou autre dispositif comportant un ou plusieurs microprocesseurs tel qu’une tablette.The implementation of the various modules of the previously described stereo photometry system is advantageously carried out by means of processor instructions or commands, allowing the modules to perform the operation or operations specifically provided for the module concerned. Processor instructions may be in the form of one or more software or software modules implemented by one or more microprocessors. The module(s) and/or the software(s) are advantageously provided in a computer program product comprising a recording medium or recording medium usable by a computer and comprising a programmed code readable by a computer integrated into said medium or medium, allowing application software to run on a computer or other device comprising one or more microprocessors such as a tablet.

Selon diverses variantes de réalisation, le microprocesseur, tout comme la mémoire de travail avec les instructions peuvent être centralisés pour tous les modules ou encore être agencés de façon externe, avec connexion aux différents modules, ou encore être répartis localement de façon à ce qu’un ou plusieurs modules disposent chacun d’un microprocesseur et/ou d’une mémoire de travail.According to various variant embodiments, the microprocessor, just like the working memory with the instructions, can be centralized for all the modules or even be arranged externally, with connection to the various modules, or even be distributed locally so that one or more modules each have a microprocessor and/or a working memory.

Claims (8)

Procédé de détermination d’une carte de normales à partir d’une pluralité d’images 2D par photométrie stéréo non calibrée, comprenant les étapes consistant à :
i) recevoir un jeu d’au moins trois images avec différentes conditions d’éclairage non calibrées ;
ii) préparer les données des images reçues afin de les rendre compatibles pour un traitement destiné à des données Lambertiennes dénuées d’ombres;
iii) extraire un champ de Normales intermédiaires et un champ de Lumières intermédiaires issus d’une décomposition en valeurs singulières de la Matrice I contenant les données des images ;
iv) déterminer six coefficients mineurs de l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales afin de le rendre intégrable ;
v) modifier le champ de Normales afin de rendre sa surface induite intégrable à l’aide des six coefficients mineurs et d’une transformation de bas relief généralisé (GBR) quelconque, soit les trois valeurs déterminant la dernière colonne de la matrice décrivant l’inverse de la transformation linéaire à appliquer au champ de Normales ;
vi) extraire des Maxima de Réflectance Diffuse Lambertienne (LDRM) ;
vii) déterminer l’ambiguïté de bas relief généralisée (« GBR ambiguity ») basée sur les LDRM en utilisant une approche statistique;
viii) appliquer la GBR aux champs de Normales intermédiaires et de Lumières intermédiaires ;
ix) normaliser les Normales du champ de Normales intermédiaire.
A method of determining a map of normals from a plurality of 2D images by uncalibrated stereo photometry, comprising the steps of:
i) receive a set of at least three images with different uncalibrated lighting conditions;
ii) preparing the data of the received images in order to make them compatible for processing intended for Lambertian data devoid of shadows;
iii) extracting a field of intermediate Normals and a field of intermediate Lights resulting from a singular value decomposition of the Matrix I containing the image data;
iv) determine six minor coefficients of the inverse of the linear transformation to be applied to the field of Normals in order to make it integrable;
v) modify the field of Normals in order to make its induced surface integrable using the six minor coefficients and any generalized low relief (GBR) transformation, i.e. the three values determining the last column of the matrix describing the inverse of the linear transformation to apply to the field of Normals;
vi) extract Lambertian Diffuse Reflectance Maxima (LDRM);
vii) determining the generalized low relief ambiguity (“GBR ambiguity”) based on the LDRMs using a statistical approach;
viii) apply GBR to Intermediate Normals and Intermediate Lights fields;
ix) normalize the Normals of the intermediate Normals field.
Procédé de détermination d’une carte de normales selon la revendication 1, dans lequel l’étape de préparation des données comporte une phase de conversion des données d’images en flottant, une phase de linéarisation des données, une phase de conversion des valeurs RGB en valeurs de luminance, une phase de vectorisation des images en tant que colonnes d’une matrice I, et une phase d’approximation de rang faible, de préférence proche de trois, afin de respecter les prérequis Lambertiens et d’absence d’ombres des images.Method for determining a map of normals according to claim 1, in which the step of preparing the data comprises a phase of converting the image data into floating point, a phase of linearizing the data, a phase of converting the RGB values in luminance values, a vectorization phase of the images as columns of a matrix I, and a low rank approximation phase, preferably close to three, in order to respect the Lambertian prerequisites and the absence of shadows images. Procédé de détermination d’une carte de normales selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l’approche statistique de l’étape de détermination de l’ambiguïté de bas relief généralisée (GBR ambiguity) est basée sur une pluralité de résolutions analytiques locales de la GBR avec détection de la convergence lorsque la distribution de l’ensemble des GBR locales satisfait une loi de distribution normale.Method for determining a map of normals according to any one of claims 1 or 2, in which the statistical approach of the step of determining the generalized low relief ambiguity (GBR ambiguity) is based on a plurality of local analytical resolutions of the GBR with detection of convergence when the distribution of the set of local GBRs satisfies a normal distribution law. Procédé de détermination d’une carte de normales selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une étape préalable de transformation des données d’images d’entrée en niveaux de gris.Method for determining a map of normals according to any one of Claims 1 to 3, comprising a preliminary step of transforming the input image data into gray levels. Procédé de détermination d’une carte de normales selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le jeu d’images d’entrée comprend au moins huit images.A method of determining a normal map according to any of claims 1 to 4, wherein the set of input images comprises at least eight images. Procédé de détermination d’une carte de normales selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les données résultantes de carte de Normales sont utilisées pour générer un rendu 3D de l’image d’entrée.A method of determining a normals map according to any of claims 1 to 5, wherein the resulting normals map data is used to generate a 3D rendering of the input image. Procédé de détermination d’une carte de normales selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les données résultantes de carte de Normales sont utilisées pour générer une carte de Hauteurs de l’image d’entrée.A method of determining a normals map according to any of claims 1 to 5, wherein the resulting normals map data is used to generate a heights map of the input image. Procédé de détermination d’une carte de normales selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les données résultantes de carte de Normales sont utilisées pour compléter les données de description d’un matériau défini de façon procédurale pour utilisation sur une texture ou une image digitale.A method of determining a normal map according to any one of claims 1 to 5, wherein the resulting normal map data is used to supplement description data of a procedurally defined material for use on a texture or a digital image.
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