（计算机应用技术专业论文）基于光度立体算法的图像建模系统的设计及实现.pdf

浙江太学硬士学倪论文 摘要 y 8 7 6 7 2 3 光度立体建模技术是基于图像建模方法的一个重要分支，与几何造型，兰 维扫描重建，及光度立体之外的冀它基于闰像的建模技术辋比，具有精度高，成 本低廉，流程简便，效率高等特点，在墟拟现实，1 4 监制造等领域有，泛的应用 前景。 虽然该技术快捷可行，但存精度，通用性帮速度。t ，一般的光度京体建模 技术迷存组多缺陷：在较好的拍摄燕件n 算法耪发往往势不能选捌理论r 的最 大值；在建模物体的外观方髓有很多的限制，否m 4 会导致效果和理想值的剧烈偏 差：部分算法只简单依赖数学的方式求解，商较大的提升空间。 本文研究了光度立体算法的原理和设计问题首先，针对光度立体算法中 应用更糟确的高光模型瓣题，提出了精光模型在光凄立体算法中的应用方式和实 际可行的求解算法。接着，本文结合光成立体尊法应用的实际效巢，提出了一种 基于4 一s o u r c e 的鲁棒冀法，通道多张图片珏相验诞其摄色有效性的方法，灵活剿 除高光和阴影。本算法在实现上简单可行，在实验中也获得了较好的效莱。 在分析基= f 光照模型的光度藏搏算法的基础上，本文进一步研究了基于参 照隼身的光度立体建模算法。基于参照物建模算法利用朝向一致性原理，使用最近 邻居算法，在参照耪上搜素特征向量采进行建模，从丽将对光照的依赖转移到了 参照物材睡上，具有较妻 的鲁棒性。本文针对最近邻居搜素算法的速度问题，提 出了种加速搜索技术，利用参照物和建模对象两方面的邻近信息采引导搜索的 方向，并使用金字塔式的数据结构，巧妙重用了避似最近邻屠搜索算法，保证掉 法的最差时间复杂废和近似最近邻君搜索算法一致。 由于光度立体算法的多样性，不问的算法需爱不同的图片输入期不同的参 数输入，并且计算的瀛程和维祟也各不相同，与此同时包辔多种光度立体建模算 法的建模系统却键少。本文针对专家用户和普通用户两种类型的霈求，开发了一 个功能丰富，操侮简便，易扩展的基于图像的建横系统，该系统集成了上述算澶， 并且取褥r 较好的实验效柒。 荚键蠲： 基于图像的建模技术，立体援觉，光爱立体，朝商、致性，虚拟现实 潮敬大学硬士学僚论文 a b 蕊t 耀 a m o n g 氆。蕊e t 渊so f3 d 瓣o d 趣氍鞭瓣n e t 五os 懒i s o 投eo f 蜘et y p i 赫a g eb 鑫s m 酣e l 证窭f 潞m ) 拱e t h 酬s 1 砖f e 硪黼db y 主t sa c e 驵r a t e 黼s u l kl o wc o s 毫， s 妇出m o d e l i n gf o 穗i 淝黼d 量l i 曲。徽e i e 鞋e y 慨e nc o 掣dw i 也3 d s i n g ， g e o m e 田m o d e l i 隅a n do 氆e rh n a g eb a s e dm o d 。l t n g 协c 姒唾u e 8 弧o r e 躺 p r o s p e c t i v ea 1 ) p l i c a d o n si n 、雌n u 触r e a l i t y8 芏l di n d u s t r y 】a n u f a c t l l r i n g 0 咀也eo t b e rs i d e ，p h o t o m 群融es t e o _ l l a sm a n ys h o r t c o m i n 鲻i t sa c c u r a c yc a n n o tr e a c ht 糙e x 驴【e c t e dv a 差u ei nm a n yc a s e s 灿dt h e f ea r om a n yr e s 城c t i so n 龇 a p p e 粼eo f 曲i e c tb e i n 瑟檄o d 0 1 e d o n c en o to b s e r v e d ，m eo u t c o m o 谢l ld o v i a 协a l o t 窃o m 慷o d e av 蠢u e t | l i 穗l y ，s o m eo f 氇e 翻g o r i 她sa r es o l v e ds 抽l 蹦yb ya 辨l 辩l y m a 穗e 掰拄蛀ew a 弘赵鑫v i n ga1 0 tp o t o n i i 蜒f i 糯p v o 瓣e n t + 强i sp a p e fm a i 霜y 镬s e u s s e s 童i 臻姆黼i p l e 鼢da l g 硪蛙强s l 辨o f p 晒o 激e 俄c s 船瓣机f i 磷y ，鑫辫畦e 最s o 溺o n8 圭m i 拄g 融m o 瓣a 氍盛ef e s 滋抟i s 搿d p o s e d ，抛 娜 y 龇韬痨- l i 察搬。黼涟确蝴糙矧es 把黼。强鹄扭g 翠套o & p o o r 辩s 酶s c 8 赫s e d 坶锤e 搽g b l i g 融a 聪s h a 娃。码w b i e 魏榭o 穗ni n 谢t a b l 岛辩p u f o r w 黼d 黼 掰鲥伤m 毫oo l i m 妇擞e h 。话s i d ee 董毽e ib a s eo 珏i s t i n g 心o u f a 王鼬砖搬m s 糖t 瓤s 甜g o r i 疆m ，m 癌t i 曲。约g f a 砖sa r eu 锺粘8w h o ot ov a l 过翻潜w 醅魄e r 瓣it i l e s e 髓o t o 露锰p h sa r e 聃d e r 王，a m r 舡a ns h 矗d i n gm o d d t 赫s 蕾g 崩l se a s y t o i m p l e m e n t ，a n dt t l mo m 专oh a v os 仃露硒s t 琏e s s o i l 镪eb a s i so fr e s e a r c ho n 饿oa l g o 畦椭m su s i n gs h a d 抽gm o d e l 8 ，w o e r f o c u so n t o 搬e 腩a t o m 喇cs t o r e oa l g o r i 搬氆su s i n gr e f e n c eo b 肆c t 8 融o s e 甜鐾o r i 她su s en e a r c s tn e i g h b o rs e a r c ha l g o r i t l l l n s 删n s ) t os e a r c ho b s e r v a t i o 蕈l v e c t o f so nr e f 酾l e eo b i e 烈、 ，h e nm o d e l 钕ga no b e c t ，b a s e do nt h eo 菇翎糖t i o 娃 c o n s 至s e 张e y 潮l 撼i p l 氇a n d 讯e i f 鳓b 鼍l s 瓤o s sa n d8 e c u r a e yb e n e f l tf 略m 獭i ss o l 撼i o 藏 w 砖p r 遵站a 强d 琶瑚撼一酶s e da l g o 蠢氆腿t o8 e e e l e 豫耋。t k 辨do f 辩拽纛融器b y e x p l 馥逸氇e 崩g b 搬 确激i 。n 颤b 鼬龇碉嘲磷n gr e 是湖e 撼勰d 触碱e c t ob e 撙o d d 聪。i 珏菇d i 专i o 建，o 谢p 辨瀚撼藤g o 蛾t h m 臻璐e s 聩羚n n s 鑫| g o 矗鼬赫s ，姆 鞠a 薹赫t 耱也鼓也ep 口稍意菇p 释勤r 娃l 箍矬e ei s 嚣o tw 棚s e 谯a 热n n s 。 a s 秘l o l o m e 证c 鼢辩。霸o w sm o 辑v 8 娃e 琢塔穗a no 班群越翻e l 撅鼗t e c 董l n 翊驻e s ， d i 镬宅瓣哦a l 酬铂m so f p 氛a 协m o 蛹es t e 船om 矗yr c q 啦糟氆强嚣鞠馘嬲so f i 船p u t 缸媳氇g e s ， 国e nm 矗yh a v ed 主f i 觇嫩p a r a m 蠛e 鹅，擞溢e v e n t u a i l yl e 8 dt od i 妊b 糖n | 潮c e s s i n g 辩q n c e s 毡n dr e s u l t s b u t 墩e r ea 靶r a 心l ys y s t e m sn o wa c c 。m 糊o d a t i n 黛t 1 1 e s e c o m p l e xp r o c e s s e s 8 a s e do n 协ea l g o 西c | l m sw ed e s i 掣1 e d ，a n dt h ep 0 8 s i b l e r e q u i r e m e n to fd 主f 梵r c n tu s e r s ，s u c ha se x p e r t sa n do f d i n 8 r yu s e r s ，v 嘴b u i l da 即w e r f l l ku s e r _ 魁e n d l ya n d 僦托n s i b l ch n a 辨- b 跚i e dm o d e l i n gs y s t e mm a i n l yb a s e do n p h o t o m e 拄i cs t e r e o ，鞠d 也es y g 协mh a sb e e np r o v e dt ob eo f g o o dp e 粕辩n 穗n c eb yo u 把s 畦n go nf e a l 搬o d b l s 。 粒蟛，哺嘲： i m a g e _ b 鑫s c d 瓢甜瓤舀酬瓣蛙一钢e ws 船 e o ，p 晒把嘲e 垴cs 盼鹈。畦e 躺獭蝴e o 托s ；s 燃喜c 饕 辘粕舔r e 霜i 移 浙菠大学硬士学位论文 第l 章绪论 物体建模在诗算机镁域的应用一直是广泛多样鲍，计冀枧视觉中的重要阏鼹就是场景建 摸。遴避扶摄像头获褒的圈片，砖物薄遴行建模，势擞据其三缝燕惑来避行类傲予撂导撬器 天蠡巍耱藏璃。寝攒嚣蜜魏黧赢也在予瓣场景进行建搂，鞫辩像复姥镩形状秘绞理信悫，遗 丽进行黼寞赛感绘铡豹技术。蠢论对何锋应用蒋畜，三维模型都是最基磷的数据，其建模方 式是黄快捷，建模结果是否精确，在不润建模环境中魑褥镶棒，对已知条件煦照求是黉合理， 都盏接旋戚了建模技术的优劣。 并鼠，璇着计算机硬件近年的迅速发展，复杂模型的安时绘制或是英他艘用都b 经不荐 是蕊颈所巍，转丽模型约遥囊性鞫缁节化又成为了问联沟焦点。基于窝像的建模技术正是以 捷捷懿效为毽标达至我毽翡方法。 遴道对物体鹊三维建摸，蓠先可瑷获褥耪镩携兰维轮霹接患。扶瓣懿瓣拍摄鹣秘姆场 景煮接进行绘制，对其更换纹壤，加上光影效果和新的背景，弗缳持物体漾有冉q 阴影，游光， 内反射簿特性。同时述能谯三维建模的同时提取物体，场景的纹理，用三维模溅信息和一个 纹理m 矬p 驰形式保存物体鹣僚怒，占用少量豹存储窳间，就可以从各个角艘不闻的光照和 视角以及背景采对物体进彳亍囊嶷的露现。 本章将概述图像建模技术的蒸零概念，痘用鹜袋，菇茭体奔绣本文斡嚣的，王俺蠹容， 襄论文鳇缀缓。 1 网像建模发展背景 零节将从结果和敲栗的角度，综述建楱算法，舟鳃麒发展历史。 簸先挺瘩瓣跫主凄式 b 麟，运避大王撵天一些脊髓于诗冀戆特蘸，糖臻辩物体表蟊蠡戆 兰维嫩檬的诗募。显然计雾穰簿举，经是由予对设备的侬戆性，所醛实际翡三维模型获取工 作还是十分复杂。 程被动i b m 领域，曾先撼出的是从单幅图片中获敬物体三维信息的方i 蠢。一萃申是通过 图片亮艘变化来推测物体表瓤法向变化，并加以表面平滑限靠4 米整合获取法向值得算法f 1 1 。 另种则鼹避过熊透视的螽度，从霭像中提取轮廓边缘僖患，来获取透视的灭点位置，对三 维健鬟避嚣建搂憩算法f 2 嘲。 幽予筚耀謦片信惫静弱袋性，难褥避免不精确帮竣义多解。继嚣握爨了遴建多戳不辩霆 度图片，蒸于立体视觉，帮空域建模算法的计笺方式，麟对物体避矛亍不丽角淀的拍摄，最螽 恢复箕形状。蓠先提出的也是獭似主动的，使用机械设器对物体旋转豳定角淡米进行拍摄。 继霹掇出了通过提取物体的轮麟绒，使用s h a p e 艉嗽s 油o u e 溉s 的方式来计簿的算法【5 】( 分 割算法：b a c k 箨o t l l l ds u b 咖c d o n ，i m 8 9 ed i 位f e n c i n g ) 。侔为使用轮癣的模型重建黧法适用性盼 理解，l 删逊i 撬出了s 强l 董 u l 弧理论【6 】，鞠钛轮麟中碍恢复爨寒的甥体翡镪匿盒。之岳 对予v i s u 蕊 l l s 葵法在璩淑领域又提窭了。辨e i 移 轴瓤理论f 7 l ，葙警予袭计舞兹体髂豢 魏磊辩，还记录了该体素耩予物俸魏再努魄毽蹬曲a 自蠹) 。对于萋予轮察魏诗算方式，虽然对 于图像的处理和计算较篱单，艇因为s u 甜h u l l 的限制，不能处理凹陷豹区域，并且拍摄条 件也较为游刻，需要在同一乎掰旋转岳获褥的图片。翔黼g u l a t i 方法可以算是空域i b m 的 又一大代袋。通过强个方向不平豁的照耀桃，对于不瓣轮勰的物体拍摄所得的照片鳃肯定也 浙江大学硕学位论文 不一样，因此反过来通过拍摄的照片组，也能唯一确定物体的轮廓。酥a n g 瞳撕o n 的可行原 因就是该唯一性。嚣之后p o l l e 狮提出了手提摄像桃拍摄物体的建模方式【8 】，系统的综合 了t d a l l 蛐l a t i o n 和摄像机定标等成熟算法，可以说是立体视觉技术完善的标志。 近年来相继提出了基于光度立体，印时域的撒m 技术。该技术拍摄的对象由室外大场 景转换为需要精确建模的较小物体。光度立体的特点即拍摄扮物体以及摄像机的位置不发生 变化，两只透过光源发生变化来对物体进行建模。 光度立体的基础楚w o o 曲a m f 9 】提出的使用参考物法搜索法翘量算法和【1o 】的通过散射 光照模型建模求解法向方法。 对于w 的d l l a m 的算法，其适用性有限，又有b a 州和j a c o b s 【1 1 的来知必源下的三维 建模( 2 0 0 1 ) ，从不同的角度对，h e n m a n n 和s e i | z f l 2 】豹任意8 r d f 物体的三维建模( 2 0 0 4 ) ， 使得时域m m 技术不需要对光源进行定标校正，更使得该技术适用于材质复杂，表箍纹理 变化的物体。此后g 0 1 曲l a l l ，h e 蛹a m 等f 1 3 3 又将研究重点拓宽到了对物体表箍b 砌) f 的 获取( 2 0 0 s ) 。 璇对于通过光照模型求解豹方法，继而毒c h 】提出的因蹦像输入方法对图片中非散射 情况，譬如高光和阴影避行熊剐。之后又陆续有【1 5 】和今年的f 1 6 】对该算法进行了不嗣角度 的改进。两四图像之后又提出了稠密光度立体冀法，从概率统计驰角度，对高光和阴影等异 常情况进行了鲁捧性的优化。f 1 7 一1 9 】刘对稠密光度立体进罩亍了速度，鲁棒性的优化和球模 型的建模。除此之外也有在光照模薹! 和视觉方式上进行改进的，如【2 0 】提出使用t o f r a n c e 和 s p a n u w 光照模型，可以漓除散射情况下的二义性。 2 l 鼹出使用透视投影的方式对糖摄建 模。 最后还有综合时域和宝域的溉点【2 2 】，结合了两者的特点，为整个m m 技术定下了规 范的框架。【2 3 】中则提出了结合时域和象域方法两种建模方法的利弊，用其数据结果来互相 优化结合获得最优解的算法。【2 4 】中则提出了一秘将光度立体算法获得的法向和遵过三位扫 描重建设备获得的深度信息，互相优化的方法。【2 5 】则针对动函数据，通过将空域映射到时 域的方式，巧妙地在时域和空域之间互相遮代方式，获 导一种逐渐收敛并最优化的建模方法。 由于结合这两种算法必将在算法套良缺陷的地方有所牺牲，所以距离完全结合两者的优势还 有禳长的路要走。但另一方薤结合两种算法的结柒就是在输入和限制条件方磊获得了一定的 放松，理想情况就是通过不用定标的动甭柬赢接获取物体的模型，这也是可以不断改进的方 向。 以上这些背景综述，其实正预示着当前磷究约重点，矬及目前应用趋势和将来研究的 方向。一方面图像建模在向着算法的鲁棒进步，另一个方向则是向着拍摄的简捷，拍摄限制 条件的放宽，最后还向萋更丰富逼真驰信息建模这些方向发展。 于此同时，算法本身也呈现出多样化的趋势，对丽一目的出现了多种不同的算法，继 颡又有这些算法之阀的互相借鉴，结合，优化。丽舞法的领域也牵涉越来越广，从三维几何 理论开始，细到材质和表瑶轮癣的物理分布，广到概率分布，神经网络的应用，也反过来要 求研究人员在算法领域有一个融会贯通的理论基础，这样才可能有新的进步。 1 2 图像建模技术的意义 目前真实物体3 d 模型重建技术在实际应用领域中具有广泛两重大豹意义。这臻领域至少包 括如下范围： 稳遗虚拯环境： - 2 一 浙江大学磋学位论文 虚拟环境在游戏或者旅游服务中应用广泛，并需要大囊现实中物体的模型做基硝。 而一个物体的真实感模型正可以通过3 d 模型重建技术，来从现实豹物体，艺术晶中， 快速豹获取。 嘲络w 曲应用： 因特网领域，特别是屯子商务方箍的应用聪3 d 模型的应用越来越广，无论楚网上 购物，还是住房租赁业务，都和3 d 模型密切相关，通过用w 曲s e r v i c e 的形式，可以把 3 d 模型提供给用户，从丙让用户可以从各个角度动物体进杼观察，获得更形象的了艇。 同时虚拟现实技术也已经被灵活应用在附络上，遥过把3 d 信息纛拟成可戳自由探索的 环境，给稍户一种全新的信息潮览形式。 逆向工程 计算枫辅助设计工具目前被广泛应用于对物理物体的设计和肯造。然而对于复杂 物体，如果都通过传统的方式进行设计，将会花费报多的人力物力。使用重建的3 d 模 型，将能很快捷的构造出逼真的信息，只需要进行少量的磊期处理，藏鼹将其重用于之 后豹设计和靠选。 工业检潮： 给定一个翻造好的邦件，对其进行自动的3 d 重建，胡来和样本进行比较，从来反 过来校准生产工艺，控制最终产品质量。这样的技术和传统的半骞动测量技术相比具有 速度抉精度高等优势。 这些领域者i 对模型重建的快捷，鲁捧性，以及获得的模型逼真性有较离的要求。如果 用传统的重建设冬，虽然精度较离，健建模过程中不仅设备昂贵，并且还需要大量的前期和 后期处理，效率蓑晨自动化程度很低。 图像建模技术在这些方西都有很大的针对憔，算法简单，成本低廉，效果又好。是当 今研究的热点所在。 虽然相对丽言优点明显，但实际计算上也还有缀大的可提升空间，譬如算法运算时间 上还是较慢，建模的流程，对图片的管理还是较为繁琐，以及建模算法繁多而没存清曦的分 类，和统的可用于 鲤i 试及 e 较的系统框架。针对这些闯题，本章的后两节将其体分析并提 出本文将完成的工作。 1 。3 光度立体技术 本节将对本论文的算法研究熏点，光度立体技术从运作方式，性熊特点方面进行简单 的介绍，并概遮本文在算法方薤的改进意义。在第二章中会对光度立体算法的慕本原理和流 程进行其体的介绍。 1 3 1 本文算法的研究意义 i 蛩像建模的意义在1 2 节已经作了详细的奔绍。光度立体作为图像建模算法之一，其 意义不只是一静典型的存在，更在于其实际应用和建模结果的优势，在图像建模领域都占有 领先的地位，起着带头的作用。 赣江大学矮学盏谵文 光度立体算法从八十年代发震至今，已经在建横箨法中其存较犬的优势，但穗对的优 势和研究时间之跃并不就笛子算法理论和实际应闰的究荣。算法的区别般是由于算、捩底层 的理论掰决定懿，赝毅钱势魏稷大一部分也是盎戴所决定於。对于底鼷理论，本文程冀法方 蠢并没窍提出耩翡改变。偿楚锌露光瘦立体算法琨存辩一些趣嚣，本文试图鼠不嚣静角瘦提 出不同的改进，在获得蜜际效果改善的网时，力闰展示当今光度立体算法中臣大的发展空间， 和光明的发展前景。因此可以说，虽然没商厦的突破，但有灵活解决勰慰的宦造性，和实际 求解的理论萋础，以鼹陂鸯一种从量燮，完善，到质变孵窟发。 本文算法锌对研寇瓣熬点，扶襄光模鼙麓应弼，戮l 蛰禳建模算法懿霞缘，耍| 快遮援素 算法在辩发立体领域中的辫加速，都避行了一翻理论和实践的探索，从数据精度，算法鲁棒 性，和求解速度上进行了分剥豹优化，指出了光度立体簿法强前所存的不足，为将采麴发展 指出了方向。 重3 2 光度立体技术简介 必度立体，顾名愍义，撂通过光照变化对物体兰维模型进行建模的弊法，由予阁像中 薛撩摄掰褥主要楚帮巍照，耱髂表嚣蘩秘，数及凌律毒| 矮三六毽紊摇哭，弱筵当物体馘定， 只改变巍牒，藏能够通过分辑黼像的淘霹 疑发) 与光照的交纯关系，获褥对应的物体袭砸朝 自值。 在实际操作中，光麂立体技术其窍拍摄简便，设备简单，处理方式简明，不用定拇等 特点。弱藤在潜一褪煮不蕊光照条传下稳到的多蠛强像。掂摄嚣重要求照攘撬帮餐体熬戳置不 燮，哭嚣巍照发生变豫，就链够获褥秘体形捩。 在功熊方瓣，从酋次提出光度立体概念以来，程光庹立体领域涌璐了不少新的算法和应 用。从最簿单的单纹理物体豹三维信息建樵，发蔗到凝巍对变化纹理和几何信惠的同时建模 算法。强度立体技术透过黼像建模静目标已经不限予物体躲三维模型，述拓震至物体酶绞理， 耪俸戆豺震。并量鑫予鞭先要求匏拯援环境鬻方式，兜度立体援寒不辫要遘多孛窝靛鲣溪， 获褥结果一般较精确，势展相比赢体视觉豹一些必需的操作两言，譬如特征点豹提取帮强配， 光度立体技术相对具有蛰棒的效果。 技术的发震总是以实用积高效为酲梅，可以说在3 d 挡描重建设备如被普遮虚朋的环 境下，l b m 技术貔诞生黄先诞赛了这点，蠢凌立露技零煞发震更是这一趋势麓体瑰。 1 。4 圈像建摸系统 搴论文瓣_ 王搏不仅霞只是葵法，较大帮努鳃霹拣穗在予建立一个器于傻嗣辣扩震熬建 模系统。本章将诧建模系统的背景，系统的必要性，璐能，优势，可扩展缝进行介绍。丽在 第五章游懿体介绍建摸系统，建模备棱块肫理论背景和设计实现。 董。或l 系统熬必要径 纵溉灏内的论文，藻本研究领域都檠中在立体戡镦上。这主要是学术界的趋势，2 0 0 4 年前豳像建模的重点基本集中h a i l d h o l dm o d e l i n g ，即用手提摄像枫拍摄的方法来建模，丽 对予毙寝立律算法，燃放1 9 8 2 苹掇赉之赋媛避鞫怼较少。 缴脱系统性的论文，大多也都萋予立体裰熬算法，一方瑶是研究霭要，另一方蕊贝g 是 一4 一 辩巍大学硕士学位论文 蠲为立体裰觉本身瓣要较移蔚入枫交蔓处理，警如定标，特征点的选取，以及特镊点的蹑 配。 与之鞠魄，光凄立髂方露秘葵法澍人瓿交鼙憨赘求少懿多，只嚣甏一缀黧菏彝个鬻 像的m a s k 郡可。髓是如暴旅到整个拘攒割输出熬流程来看，翦麓秽藤期熬强壤还楚羧 为繁琐的。 姨数褥摄像瓿辘撩之箍，嚣要辩瓣菏熬瑷成缀，猫终l i 鞋文耱，势遥过魄较慕剔除鲐 摄效泉不好静强片，皴槊图片过大，述需要进行裁减等操作，除越之岁 锱份m a s k 簿纂零 攥襻柱缝也会比较篷涟，方露要爨攒片避孬瓣斋，势菇要保程帮簿靖蕊裁减等搡佟避行 潮步，搬巢没有一个遥翔的幕绞，那么对予多籍实验数据拘熬瑗酾保存也会是较为繁琐游 鬻情。特别是光度立体算法，还是需嚣管理穗少三张以上的豳片，并且穰嶷琢操作流稷中， 避霜要辩燃片进行徽多熊壤。饕如簧梅物体，参照穆，缄誊巍光球分开僚为输入瓣辫靖缀。 然焉每个瘸片组，都至少爱徽一张m 嬲k 鬣标谗踟襄难的物体或者参考物占整个黼片酌窘 闯使鬣。这样至少魄就簧篱遂9 强涟拷。势靛这个数字照麓霞背瓣个数燕毙土势。魏聚每 次计葬流程都要乎秘方式管瑗调整遮黪图片，遮无谂怒对实际斑粥，还嫩秘研方蕊都怒不 合适的。 黠予必度立体憝输蹬，嚣深度辫，也荨馨鹾融嚣蘩不嚣，般霈簧撼这鏊点数攒转挨 为疆菏力缝在商竞熙环麓下进行绘制，秘之瑟豹选联，簿纯，僚存等熊瑾。 对予毙痊立体辣法系绫的需求还遴涎不业如拢。隧羲2 5 年寒对毙度立体注意力靛 褥离，一方瓣撬出了不醚类鍪静炎发嶷蒋舞法，；l = = 瓣的薅法鬻要不阏类鬟髂图片赣入，不 黧的舞法也需要不嗣的参数鞠处理流疆，瓣稻裔需要光源球游算法，也瘸露要参考辣的弊 法。茄一方瑟瞧挖掇融淹凄立体棼法酶戏蘑，譬如蕊纹理反翦墅溶| 粼“裂b 黻臻，戮 藏空阚经意交换静b 砸) f 魏提取，戳及封物体糖壤分类。这些都辩蛰道瓣建模系统握离了 操作和动能上的要求。 1 船系统的功畿 针对以上需求，本系统的翳辩定位为；为了简饿强度立体建模流程，使建模掇传流水 忧，翳操作，易扩麓舱系缝。 搽佟瀛球话，黄毙要瓣潞鬓扶禳入烈辍蕊整个滚程孛懿黧搿撼器藩，糟含建搂鹣漉程。 冀次述瓣要将某些操作按习惯进行排序，为羽户提供替靛。 具体来说，霹黻怒= 幸# 分为辫大方蕊：磅能模块魏宠成，耪爝户接瀚酶设诗。 凌糍模块应该镪旗：撂入，鹫冀灏楚毽，建模诗辣，| 套裁，维桨簸毽，输出等。瓣予 不黼的算法，输入昀图片帮搿需躲颈处理瞧不一样。聪臻粱的输出霸鼗示也会鸯很太愿艇。 程密嗣声羧墨方蠹巍然也簧多遮藏弼戆变健豹蛾方撼珙荔扩蓑翁支捺。照辨耀户嚣藏方 谢，对予不涌的用户可能魂有不同的侧重，鳓此可敬遴避对用户缎分的方法，提供简易和 专寨两种母航模式，两对于禁些图片处理方式，则可以分舅4 使用全盘动朔褥要用户交曩的 方式。 巍方便搡律船藻础上，本系统力争戚强一个盛予扩餍，能整合多种箕德建模算法的祭 绞薰点还在广疫立俸) 。颡舞不褥辣法掰熊蠢不弱熬输入，鲢慈滚疆，鞠输爨，遮藏辩 系镜船设计和适应变纯韵黥力宥较大的要求。 碱谯辣法方面的考虑，本系统针对寅际拍摄情况中的闷题，崧速魔嗣精度上进行了一 系列盼优豫。对不瓣耱算法键提窭了不弱爨偬魏方式。 ”s * 灏旺丈攀磺圭学蹙论文 1 。5 本论文的工作及结构 l 。5 1 本文工侔 本文的工作及意义已经在1 3 1 节和1 4 2 节中进行介绍。这里按照本文的组织续秘，对本文 完成的主要工作盛结+ 依次懿下； 奔绍建模算法，总结分褥光疫藏体算法稳袭褒与不髭 2 + 缀据光度立体簿法的特点，分拼系统需完成豹滤程，介绍本建横系统的构絮葶酲设计。 3 ，提出对光度立体算法的优化 4 邂过实际数据和模拙数据，提出谈差分耩方法，并按此分析本系统的应耀效粟。 l 。5 2 章节安排 本文静颦带安捧如下： 箨= 睾，黄宠奔缙瓣像建模算法静原理，努类。猩第三节孛羹杰毅述近年寒主滚毙褒 立体算法的内容，以及务蛊静特点。程第霸节对竞发崴体算法的流程进行了奔绍。 第三四章，算法 殳计。从光度立体鲜法豹两大类剐，分别提出搬照模型，鲁棒性，速 度方蕊敬避的算法和求解设诗。在每章的开头，在系统原型耱现有基本舞法实现的基础上， 瓣现蠢箨法麴不是避移了总结。随藤，铮对这些缺陷，零文提出自己酌改进，跌爱改进嚣的 瑾论分橱，著按照算法设计熬过疆，逐步挺是可选靛敬进，嚣及实器袋瓣豹方法。第三嚣夯 绍了利阁高光模型精确求解，和利用鞠张图片输入剔除弊常的两种算法。而第霸章奔缨了快 速法肉暇配求解算法。德张最后给出艨法的总结。 薷孤章，针对当前光度立体算法的分类及各爨特点，设计建模系统，展示系统的丰富 功辘，发好撵侉器瑟，鞍献设计模式穰x p 努发理念褥采酶扩展瞧。本拳的蠹容较多，5 。l 。5 。2 节首先飙操终籁功蘸角魔对系统进孳亍憨静介绍，接着5 3 ，5 6 苇按输入，建模操作嚣l 输出次 序，分别奔绍了建模豳像豹获取方法合理论，建模系统的设计和展示，和建模维栗的分类及 各自处理。最后5 7 节介绍了系统的实际操作环境，缭出实际结栗，掩杼了结果分析。 第六章，总结与袋攫。本章简要阻鞭了本文所讨论的内容，惑结了零文赏献，窖瓣攒 爨本文潞荐懿不是，簸蠢度立髂豹理论建度器系统鹣角壤嚣方嚣对将采豹磷究方彝挺邈了设 想和展操。 一6 - 赣江大学颈学位论文 第2 章光度立体理论概述 2 1 基本原理 2 1 1 光照模型 巍赓立体算法的关键在予鼠光源燮化蕊拍摄的一缀强片中，提取出图片申物体颜惫或 赛度交纯匏蕊簿。蒡髑假设熬光照摸鼙，去强配该交纯娥簿，获簿貔体表露瓣应到鞠像土 每一点的法囱薰，鞋及冀能参数馕。 为了从光照所引越图像的亮度健变化中建模黯褥体静信息。蓥先裁需要对光照模型进 行建模。这里在f 1 2 】的麟础上中给出了最通用一般的形式： 其蹿li p 表示p 点上躲辫像馕。诧露像值帮褫热v 燎俸裘蕊对嶷p 点光照鲍秘以获 法淘雄寄芙。劳显【 2 】褥镑蒋袭隧懿霉葶壤建模蠹多静攀一糙凄麴集会，每释耩震i 都对瘟 自己的蔽射率p 和光照方程厶 2 嘎。1 1 残蠢光照楼爨分类奔绍 光照模型大致可坟分为数射模型和非数魅模型。 散射模型( l a m b e r t i a e o 指都种反射光强度只和法肉与入射光驰夹角的模型，遐法向 与入封党确定，则从镘悄凫度观察强的亮度都一样。 簿教瓣横黧粼一般考虑了嵩竞帮绞莲麓特牲。对予娄赫被捉篷麓嚣教嚣模墼，觳爵 以分为缀验模墼和物理横型。 p h 。n g 模型属于经验模型，具有模型箍单，绘锖效果好等特点。德是p h o n g 并不媳备 物理现毅的特性，不能擒捉物理现象中霾骚的反射效袋，譬如随卷入射角变大对b r d f 蕊熬迅漶主舞，懿及蔫光范霪中数射爨寒鲍竞壤趣熬现象。寝多譬如皮默，金属等枣耋鹱都 其有逮种属性。 c e 和s p a n 付w f b s ) 2 6 】是一种可以捕捉上滚睡种现象的錾予物理现象的模型， 其假设她的反封由硒种成分缀成，一种鼹表现擞在特定位鬣上l a m b 州i a n 叶色现象，另一 成分刘只鞫表露散射有关。此光照模型更翔真实，符合瑗实僚况。 2 1 2 物体轮廓的建模 ( 1 ) 斌孛与物体表藤挝嚣荣意鞠美酾，只有法囱馑c 靛p 。嚣戴求解瓣滚程一簸舞惫袋解 法巍塞，然看逶遥法囱爨求解深度篷。 两实际情况中，在使粥公式( 1 ) 之前，会先对巧域进行合理的假设，简化光照模犁， - ，+ 吩 p玉 ，lz 矽暖 。捌 i | 0 辩莲文学矮学徒论文 从而方便求解。 譬如，蓠先光度立体的拍摄方式决定了v 是固定不变的，可以瓣作矗_ 知。而光源方向 l 剿可以使鼹乎牙光源( 爹个兜滚可敬合著劳逶过疆定义豹位受采磷定。馒媛擎一楗矮 戆镌髂，辘不麓再对秘德表露材覆辩组成进行建摸。最焉对对光照方程f 遵芎亍建接，使耀 线性方稷的话，就霹以纛接求解出法砖值。 2 1 3 物体纹理的建模 纹璐，本质甄为谯不同光照妁情况下，物体表西藏射的颜色。对予一般的立体视擞建 模方式，拍摄环境中都懈设光源不变，所以拍摄的图片不适仑对纹璐提取。光度立体即是 逶过变饯光源来控摄不瓣光照下斡物体鞠片，赝以首先英图像输入鼯炎纹理的恢复攘供了 缤意蒸龋。 b r d f 则特指物体寝面纹理对予不同方向光照鞠不同视点的情况下显示出的颜色。即 方程： p f ( k 、癸 | 搀反瓣颧色，参数串己兔毙添，v 为撬惫，努剐霹鞋薅嚣维鹣舞羹来摇逮，霆魏 b 妯f 蹙一个瑟续螽数。 虽然光度立体存档携角不变的淘越，但拍摄的图片却记录了不阁光照情况下物体袭箍 的颜色燮他，因越至少对于菜个固定的揽受，霹以通过拍摄的信息，将大致的b r d f 模型 绘提取斑来。 2 。2 建模算法 2 2 重建模步骤概述 出弛可以将步骤麴纳为： 圈2 * 1 图像建模流程圈 粪髂内容魏； l 。镳掇一组不簿光源的翔片 g 一 渐巍大学磺士学艇论文 2 ，分割蹬麴背串趣褥体 3 程豳片缀中提取穆律上每燕鹃颜魏德，缀戒姆鬣鏖繁 4 ，诗冀渡璃鼙，鳃成法囱瓣 s 。诗簿褒寝壤，缀成糍度鳓 澍予返五个拳骤： 1 拍摄憨豳片可麓会艘麓算法麓假设，掰褥姆定熬黻割 2 。物体辩努霉方式冬簿法没蠢纛搂荧系； 3 ，姆锻岛基躺定义必韵锩上一点x 拶程瓣跨绺猢申瓣菇缘豢颜色壤魏黪戮，鼯 h 。强， 擞藏该特链彝爨静撬联遵醒缀稳定下来，不鲻特爨戆冀法； 4 。觚特铤囱爨审鬟欷特 垂- 辨藏躲僻选取逡懑黪光照模蘩，褥邋过浚趣容获鞭对廉簸 渡囱郄燕碟驳攘照琴鬻簸痰趟露嚣交讫戆。 5 + 法囱强到糍度潮的计簿已经嚣了成熟静算法( 魑3 。2 4 节) ，辩基数襞不错。 搿瓣荧键的磷巍方彝裁槎予步骤( 雉) 酆翱储歇特馥弱爨计算馥法彝的步瓣。弼下带举 舟缁粒现存淹魔塞傣莽法粪剿，缀大一豁分斑楚搬攘袋辫法趣麓方式来遵褥分粪翡。 黛名盘建模算法分类 辩裁澍予这个方法大致霹戳霄嚣释势类； 1 。 蹋辩单翁光照模型，遥涟多张照冀，蒯霭浚惫徽灏菠莉巍舔荧蘩熬方程缝，飘褥蕊搂 诗算法囊。 2 。 赠参照黪戆方法，遥遘张参照戆的特援国壁滋褥鹱辩，获餐秘褥髂上纛摆嚣熬鹣参照 耪上髂蔗，鼠嚣酉漩蕊缓复涮参悉瓣上黪法翘舔为物嚣煞法囱。 邋谶巍照援整鹃爨簿攀建摸冀法在瓣0 鼹掇，搬零鬻第一繁审掰述，f l o 】辩“试避行 了简能。通过暇设燕燮投影，辨搜羽毛籀毓酶r 虹张毅射摸鬻之疆，物体袭瓣鼹法囱翘蠲簸审 的灏彀簸严格采谶，遥经过摄像橇颤线铡派，豫器? ! ) 娥线性关系，瓣疵墩塞接袋鳃获 褥法辩麴傻。 巍缓：麓旗上，褥酸投影方式老躞避鬼赛立俸躲舞法，瞽摇诗潦捷鬻遮攥授澎方式来建 横黝霹栽性蹿褪，继鬻肖馕鲻逶程投影来遴譬芋搬凄立髂恢复静冀法鎏 j 。斑窝藏挽讫巍黧 模燮，缆之更遥近突辩援型靛囊获褥燮赣建模效祭静，譬翔遴避藤巍鹣g 鞫漱瓣 l a 热b e 姓 勰模型按戮铡溜仓瀚建模黪法，还商使麓韵甜鼍n o ea n dsp a _ n t o w 葳射搂溅鹣彝潦 【2 鳓。 参照物的算法恿惩爨秘斑w 删h 8 m 掇趣，瓣鏊予箕感想，s l i v e 瓣酲裙磁窭骏戆方 式，窭蠛了逶避一个本铡躲凝球来恢鬟箕镳瓣禚零壤黪体熬影凝熬冀法。数下黧餍恭，憷 建鬻撵颜惫戆耱髂贸氖糕魏参考镌髑球，罄渤纛滚之嚣麴撩多戳貔髂鞠参照镑 藏躲照片。接簧辩予露麓；瓶上任点，舔凌参照球上饕拽照羲淹灏变健簇焦发生瓣榉交豫 麴患，掇参照臻上谈畿的法霸终舞w 糸瓶上鄹京懿法趣。 - 9 一 颟菠大学疆学垃论文 图2 1 2 霹时拍摄参爨耪和嚣稼魏建搂方法 焱此之后又出现了支持不阍颜色物体的算法，支持多种物体表藤有多种材质，馒用多 个参照物米进行法向殛配的算法f 1 2 】，见下盥，最左边怒两个参照物，最右边楚建模结果) ， 这群就避兔了在三维建镤对，要对昏睡糖体糖剐颜料靛步骤，毽褥算法逶会予对珍爨文锈 酶离精度建攘。在撬撼该算法魏囊时，【1 2 捉：还给了种对器翔异镶纹瑗物体经援参考截 桂体的建模方法。 阕2 w 3 遥过多个参照物对表面纹理变倪物体的建模实蒯 沿承与参考物进行麟配的思想，f 1 3 】哼；给出了一种结合光照模型的箨法。该算法不需 要参照魏，煮接用预定的光照棱型靼鞠痰豹光源方向进行虑拱绘铡，势霹驳选择使翊参鼹 多个瘰撒参照球。最蠹塌实酥拍摄熬辫靖帮纛缀绘铡舞褥壅鲍围片采进行嚣聚，进褥求解 法向以及物体的b r d f 参数。该算法的三维建模部分与【1 2 】相似，只魑将原先参照物的拍 摄步骤黪换为通过求解光照方向后霹球体的虚拟绘肯乳蕊关键在予提出了物体裘砸材质权 熏图，并将建模的薰点转移为获取物体液蕊的b 戳) f 。 奔缓了毙度立捧雾法耱分类秘方舞，第三章蒋对党照搂委 窝参照耱采簿法彝两静方法 进行介缓，并重点绘出蕊予嚣种类型黧法的设诗和分糈，第谣章的系统中也蒋奔缁钟对这 两种基础算法的设计和实现。 一l o 浙江大学硕士学位论文 第3 章基于光照模型的光度立体算法设计 进过第二章的余绍，从2 2 2 节匪以看到光度立体算法大致w 以分为两类。 本章将对其中的第一类，即光照模型求解法囱的算法进行探讨和设计。虽然算法一般 比较复杂，荠量有报多假设的条件，但还是有不少可以深入研究的地方。 首先，本文将通过建模的藏程，通过对算法的各个环节，原理，及其特性的总结来分 析问题。并结合当髓最近发展趋势，及实际应用的效采，提嫩柱针对性的算法设计。之后 将给出详细的算法流程。最后，耨结合理论和实践，对算法的憔能进行分析。 3 。1 分析及章节安排 本章3 2 节将蓠先介缀遴过光照模型求解法| 句算法的方法和理论基础。基于 l a f n b e r t i a l l 散射模型的算法漉程简单，实现简便，虽然有较多拍摄方磊的限制，但是该算 法针对最常见的散射模型建模效果徽好，对具有一般高光阴影的图片也能获得逼真的结 莱。 对于该算法的计算方法，法向求解的算法很简单，只需要求解矩阵的伪逆。这些都是 以高度简化光照模型为代份的。只有在光照模型中法向n 和反射光l 成线性关系时才能够 通过简单的矩阵逆柬浆解。 如果采用更逼真的高光和散射相结合的光照模型，则需要对高次多元方程进行求解， 求解难度较大，特别对次数为小数的情况，没有固定的求解公式。而如果使用迭代的方法 逼近求解，则不仅速度会非常慢。也可能会存多个有效和无效解存在，需要大量的额外处 理来消除螋义。虽然【2 0 】等相继提出了基于t o r r a n c e 和s p a 搬d w ( 导s ) 模型的技术，但本质 上这魑技术都不属于光照模型求解法向的分类。 对此本论文提出了一种基于共轭梯度遥近的求解算法，通过鍪于t s 模型，并在求解 的过程中加入了局部信息的约束，譬如连续性，表西圆滑型。从西保证了求解的有效性， 以及算法对高光情况的适应性。典体算法设计请见3 3 节。 对光照模型进行优化的思路，一方匪求解困难，另一方面算法的极限也只能处理高光 的情况，覆现蜜情况中往往除了高光，更多不符合散射模型的地方还是阴影和内反射情况。 对于阴影的情况，在知道物体三维轮廓之前是无法进行建模的，丽图像建模的目的就是从 图片中恢复出物体的轮廉的信息，这种鸡生簧，蛋生鸡的循环依赖性只能说明通过建模而 暴力求解的方法是行不避的。不能正面解决闷题，就只能通进迂回，回避的方式来熏新避 彳亍考虑。从这个角度思考，最饽单的方法就是对有阴影的图片区域进行识别，然质使用一 组光度立体照片中其他没有阴影的图片来继续3 2 种介绍的伪避求最优解的方法来求艇。 这个算法阍样也适用于高光的区域，因为痣光效果一般随距离镜垂反射点距离增大而指数 级递减豹，所以对非嵩光区域仍然可以用教射模型来逼近。因此使用求解位鬣没毒拍摄到 高光的图片，也就能不受高光的影响。 于是酋先就出现了每次都从4 张照片中选鞭三张有效照片的方式柬求解的四图像输 入算法【1 4 ，1 5 】。其中有使用建模结果来分桥是否高光的方法【1 4 】，也鸯直接通过判断是否 符合光照模型来检测高光和阴影的方法f 1 5 】。本章3 4 节将黠四图像输入算法进行介绍， 游辽丈学疆士学位谚窆 分析，并针对存在的阚露提出本文馊粥的算法。 熬次，对于简单的判断图片中某氍域是属于 丕怒不属于瓣影麓光等非散射的方法，f 1 8 j 通过跑较和数射模型的裙 娃蛙，提凄了使翔马尔辩失模型鞠神经网络黥方式，歇多张图片 输入中对法巍遗嚣遮伐侥豫求簿。与j 琬鬻辩，【1 7 】撼爨了使瘸g 御be 越来全弱最小托辘 篮方程的方法，从图片中恢复出满足平滑和光照方襁的法向馕。( 出于算法涉及神经网络， 图论等领域知识，实城较复杂，并整因为迭代的需辩，并且对于这种舞法辕入的翻片盛一 般蔼簧缀大，鳗此计爨时闻一般会撮长。因此由于涉及瓢其它领域的算法，所以本系统对 这整分樊算法没毒遴簿磷竞。 3 2 建模流程及原理 零苇将穷缓基予k m 酶糠女m 数翦撰鬻静建褛方法。 建模的滤程鞠如下，之衢各，j 、节将按照流程进行理论帮求解方法上的奔缨。 3 2 1 图像拍摄 溺3 1 建攘焱蓐麟 零舞法要求建横静物体表面大致满足浸反射，否捌需要在拍摄薷辩物体袭疆进彳亍喷 漆，使葵表蔼基本满足赦射方程，蓊避免商光的出城。在拍摄辩还褥保证没有环境光的影 响，拍摄物体表面也没霄遮挡阴影等情况。 其次光照模型求髂盼光度立体舞法毒一个秘显的特点，帮嚣要知道当蔻接摄强冀辩盎 熬光照清况。灵有暑期入射毙彝量，才碍麓穰摇党爨摸型来诗舞法趣缀。为了获褥巍瓣方 向，般嚣要使用平行光源，加入个高必豹小球朝待建模物体靠谶放置同时拍摄，从而 从每个辐光小球的豳像中求解出的光源方向就能对艘刘间时拍摄的物体所接受的光源方 向。辨晨为了保证正交投影，所以嚣袋把摄像槐焦躐溅攘为无穷大。 簸蓐在掐摄多张瓣片黠，要保持稳辊秘垮薅经嚣，鞋及巍源豹亮度不交，每次改变攀 个平行光源的位置采进行拍摄。 - 1 2 - 基 浙江大学硕士学位论文 圉3 - 2 用不翔光源拍摄而得的鞫像集，e p 所得的所有特征向鲎集合 3 2 2 求解光源方向 每个物体照片都和一个高光黑球照片相配对( 同时拍摄) ，这两张照片的光线角度一 致。通过离光黑球照片，盎找高光位置，获得光照方囱，作为嚣己对物体图片的光源方向。 具体求解方法如下淘： 弱3 - 3 毒光方向与光源方向圈 当番见穗光的时候，说明视角方向和反射方向致，即v 娘，此畦v 是甚知的，可 以通过离光球上的高光点位置在可见球丽上的位嚣来获得( 可以参考4 1 5 节) 。 此时光源方向lw 以用下式求得： l = 2 圆r ) n r 3 2 3 求解法向 在已知光照方向的情况下，光照变化的时候相应拍摄到的物体光亮度也会发生变化。 对图像上每一像素点按照捆应的光照方程和拍摄的照片( 亮度圈) ，可以列出关于法向嚣的 方程组。计算此方程组朝可获得图像该点对威的物体表面位置的法囱。 简单起见，假设摄像机拍摄到的照片亮度和实际物体的表面亮度一致，并使用 l 甜n b e r t i a n 散射模型。由此我f f j 获得： l = 【d n l - 1 3 - 澎 江大学硕士学也论文 _ _ _ _ 。_ h h h q _ 。_ 。* _ _ _ _ 。_ _ _ _ - _ w _ 。_ _ 。_ _ ”_ 。_ - _ * * h 。- _ m * # _ w _ h _ 。_ “。”一一 这里即为已知的法向，k d 为反瓣系数，为拍摄列的幽片亮度。拍摄n 张翻片之 基，就诳以获得 l l j 1 蠢= 泌辩臣j 。，l 毒 对物体上任一点( x ，y ) ，假设张是鞭悫值 ，两l 和l 都为鑫知，邸从