基于基圖像分解的室外光照估計(jì)研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實(shí)是近年來信息領(lǐng)域迅速興起的一種技術(shù)，具有重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用價值。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)的一個分支，借助于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、交互技術(shù)、傳感技術(shù)、三維顯示技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬景物實(shí)時疊加到真實(shí)場景中，增強(qiáng)用戶對真實(shí)場景的理解，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)應(yīng)用到尖端武器及飛行器的研制與開發(fā)、精密儀器制造和維修、醫(yī)療研究與解剖訓(xùn)練、工程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程機(jī)器人控制、文化遺產(chǎn)保護(hù)以及教育娛樂等諸

2、多領(lǐng)域。
　　通過將虛擬物體和真實(shí)場景無縫融合，呈現(xiàn)給用戶一個感官效果真實(shí)的新環(huán)境是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個重要研究內(nèi)容。但迄今為止，這項(xiàng)技術(shù)仍有大量的問題尚未解決。近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要的研究工作集中在跟蹤、注冊和交互技術(shù)上，光照一致性方面的研究相對較少，而光照一致性是確保虛擬物體表面光照效果的真實(shí)感、并使虛實(shí)物體無縫融合的關(guān)鍵技術(shù)，這就造成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中虛擬物體真實(shí)感程度不高的現(xiàn)狀。由于室外場景的幾何復(fù)雜性和光照復(fù)雜性，其光照估

3、計(jì)是當(dāng)前尚未解決的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。此外，室外光照估計(jì)也是計(jì)算機(jī)視覺的重要研究內(nèi)容之一，物體的分割與識別、視頻跟蹤、陰影檢測等算法都不同程度地受到變化光照的影響。因此，在場景三維模型未知的條件下，如何根據(jù)室外場景的光照特點(diǎn)，從輸入的視頻圖像估計(jì)光照條件對計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)具有十分重要的意義。
　　在場景三維幾何信息未知的情況下，本文圍繞固定視點(diǎn)下室外場景視頻圖像的光照展開研究，分析基于室外場景光照線性分解模型的光照估計(jì)算法的求

4、解性質(zhì)，避開重建大規(guī)模室外場景所面臨的重重困難，省去繁瑣的幾何建模工作，提出新的解決策略，使光照估計(jì)算法更為實(shí)用，以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景中虛實(shí)物體的光照一致性的目標(biāo)。本文在室外場景光照估計(jì)研究的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1)證明了在室外場景基圖像分解模型下，同一太陽方位在不同天氣條件下的三幅圖像具有線性相關(guān)性，使得基圖像方程欠約束，導(dǎo)致基圖像無法自動求解。為此，利用不同太陽方位不同天氣條件下的采樣圖像，提出自動求解基圖像的新算法。其

5、基本策略是根據(jù)陰影中的像素估算天空光，由基圖像分解的特點(diǎn)計(jì)算太陽光，并利用太陽光與天空光基圖像的像素色調(diào)一致性優(yōu)化基圖像及太陽光和天空光光照參數(shù)。
　　2)提出了基于對反射率沒有任何限制的整體光照明模型的室外靜態(tài)場景圖像線性分解模型，并證明了在此模型下任意一幅靜態(tài)室外場景圖像都可以分解為太陽光基圖像和天空光基圖像的線性組合;分析研究了基圖像的性質(zhì)，證明了基圖像包含場景的幾何信息和材質(zhì)反射率，且是場景的不變量，將太陽光和天空光基圖像

6、定義為太陽光和天空光單位強(qiáng)度下的場景整體光照明效果;輸入靜態(tài)場景圖像通過最小化二次能量方程得到基圖像。
　　3)提出了基圖像的約束和先驗(yàn)條件的室外場景光照估計(jì)新方法，將靜態(tài)室外場景的延時視頻序列的每一幀自動分解成太陽光基圖像和天空光基圖像的線性組合;使用k-means聚類算法分析每個像素的延時曲線檢測出陰影像素，利用基圖像線性分解模型得到太陽光和天空光基圖像，并基于基圖像的約束和先驗(yàn)條件提出過程式改進(jìn)方法，優(yōu)化光照參數(shù)。