一種光照明模型的逆推

1建立真實環(huán)境的光照模型現(xiàn)實的改進(jìn)（ar）技術(shù)是基于虛擬現(xiàn)實（虛擬現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實現(xiàn)實）技術(shù)的發(fā)展的。這是基于信息系統(tǒng)提供的信息，它可以增強(qiáng)用戶對現(xiàn)實世界的感知。增強(qiáng)現(xiàn)實有相當(dāng)巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景,因此正越來越引起人們的關(guān)注。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)是要將計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境和用戶周圍的現(xiàn)實環(huán)境融為一體,使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍環(huán)境的組成部分。要使增強(qiáng)現(xiàn)實中計算機(jī)生成的虛擬環(huán)境具有真實感,讓使用者從感官效果上確信虛擬物體是其周圍環(huán)境的組成部分,虛擬物體的光照情況應(yīng)該與真實環(huán)境中的光照情況保持一致,換言之,就是應(yīng)該用真實環(huán)境中的光源,對虛擬物體進(jìn)行“照明”。因此,對真實環(huán)境中的光照情況進(jìn)行注冊,建立真實環(huán)境的整體光照模型是增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)研究的重要部分。目前的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)研究中,一般采取的方法都是對真實環(huán)境中實際存在的光源一一登記注冊,確定了真實光源的位置性質(zhì)等等,從而建立真實環(huán)境的光照模型,在虛擬物體繪制中采用這些光源對其進(jìn)行照明。這樣的方法相當(dāng)復(fù)雜,工作量相當(dāng)大,而且局限性較大,每換一個環(huán)境,就要重新進(jìn)行一次注冊,并且在許多增強(qiáng)現(xiàn)實的應(yīng)用環(huán)境中,影響系統(tǒng)環(huán)境光照的因素相當(dāng)多,實際上無法完全進(jìn)行注冊,尤其是在室外使用的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng),這種方法基本不適用。這就限制了增強(qiáng)現(xiàn)實的應(yīng)用,為此提出一種新的方法,利用計算機(jī)圖形學(xué)的光照明模型計算方法進(jìn)行逆推,可以較為方便地建立增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)光照模型,算法簡單易行,并且適應(yīng)性較強(qiáng)。2光亮度的計算光照模型是計算機(jī)圖形學(xué)中生成真實感圖形的基礎(chǔ)。簡言之,即根據(jù)材料表面和光源特性,依據(jù)光學(xué)物理的有關(guān)定律,計算景物表面上任一點投向觀察者眼中的光亮度的大小和色彩組成。光照模型定義了光源特性、光強(qiáng)在照射表面的幾何分布和表面對光照的反射特性等。在三維圖形繪制中,需要根據(jù)光照模型計算每一個像素上可見的景物表面投向觀察者的光亮度。2.1點光源法i自然界的絕大多數(shù)景物是理想漫反射體,因此Lambert漫射模型廣泛應(yīng)用于計算機(jī)圖像和視覺系統(tǒng)中。它描述問題簡單,適用于較理想的漫射表面,如石灰墻壁,紙張等。其方程形式為I(x,y)=kaIa+f(d)kdInL·N(1)式中,I(x,y)是光照表面點(x,y)處的光強(qiáng);Ia是入射環(huán)境光的光強(qiáng);In是點光源發(fā)出的入射光光強(qiáng);ka為景物表面對環(huán)境光的漫反射系數(shù);kd為景物表面的漫反射系數(shù);f(d)為光源強(qiáng)度衰減因子,是光源與物體表面之間距離d的函數(shù);L為光源發(fā)射方向單位向量;N是點(x,y)處的表面單位法向量。Lambert模型沒有考慮表面的鏡面反射效果,所以僅能對有限的表面給出較好的近似。2.2光源的個數(shù)及光特性在圖像處理系統(tǒng)中,綜合考慮模型與實際的吻合程度和模型處理所需的代價,Phong模型是一個可接受的“標(biāo)準(zhǔn)”模型,它綜合反映了漫射、反射和環(huán)境光對表面作用的結(jié)合。其方程形式為Ι=kaΙa+Μ∑i=1fi(d)Ιni[kd(Ν?Li)+ks(Ν?Ηi)n](2)I=kaIa+∑i=1Mfi(d)Ini[kd(N?Li)+ks(N?Hi)n](2)式中,M表示對場景有貢獻(xiàn)的點光源的總個數(shù);I是光照表面點(x,y)處的光強(qiáng);Ia是入射環(huán)境光的光強(qiáng);Ini、fi(d)是第i個點光源發(fā)出的入射光光強(qiáng)和光源強(qiáng)度衰減因子;ka為景物表面對環(huán)境光的漫反射系數(shù);kd為景物表面的漫反射系數(shù);ks為景物表面的鏡面反射系數(shù);n稱為鏡面高光指數(shù),被用來模擬鏡面反射光在空間的會聚程度;Li為第i個點光源發(fā)射方向單位向量;N是點(x,y)處的表面單位法向量;Hi為將入射光反射到觀察者方向的理想鏡面的單位法向量,Ηi=Li+V2?V為觀察者視線單位向量。2.3確定單位向量光線跟蹤算法是由原用來消除場景中隱藏面的光線投射算法演變而來。算法采用逆向跟蹤技術(shù),從視點出發(fā),通過跟蹤圖像平面上每一個像素中心向場景發(fā)出的光線,確定景物與光源光線的交點,完成景物的繪制。如圖1所示,反射光線單位向量的確定如下R=L-2N(N·L)(3)式中,L為入射光線方向向量,N是表面單位法向量,且R、L和N共面。光線跟蹤是一種多功能的技術(shù),它可用同一模型來模擬光源和環(huán)境入射光在表面產(chǎn)生的鏡面反射和折射,實現(xiàn)場景消隱及生成陰影等。3基于圖像中光照情況的模擬照明算法在三色立體基準(zhǔn)注冊的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)中,使用了一個三色棱的正方體作為三維標(biāo)志物,利用一個CCD攝像機(jī)對包含三維標(biāo)志物的真實環(huán)境進(jìn)行拍攝,采集的圖像既包含了使用者的頭部注冊信息,也包含了真實環(huán)境光照情況的信息。充分利用采集到的數(shù)字圖像數(shù)據(jù),可以根據(jù)圖像中標(biāo)志物的明暗狀況逆推出真實環(huán)境中的光照情況。算法的具體步驟如下:(1)對包含三色棱標(biāo)志物的景物進(jìn)行拍攝,得到包含光照情況信息的數(shù)字圖象;(2)找到標(biāo)志物上的高亮點,利用光線跟蹤算法求出光照情況;(3)建立虛擬正方體標(biāo)志物,用所求光源位置的點光源對虛擬正方體進(jìn)行模擬照明;(4)比較模擬照明的標(biāo)志物與CCD圖像,明暗對比是否一致,若一致,結(jié)束;不一致,調(diào)整模擬照明參數(shù),繼續(xù)步驟3。3.1基于熒光跟蹤算法的調(diào)整方向當(dāng)環(huán)境中只存在單個點光源的時候,照明情況比較簡單。一般說來,標(biāo)志物上只存在一個高亮點,利用光線跟蹤算法可以很容易找到主光線的方向向量。假定光源位置在主光線向量方向上拍攝畫面以外的某一點(x,y,z)上。建立一個虛擬空間,在原點處建立虛擬的正方體標(biāo)志物,用位于(x,y,z)處的虛擬光源對此正方體進(jìn)行照明,使用phong模型計算。3.2主射線方向的跟蹤當(dāng)環(huán)境照明是自然光源時,也就是說,光源是某一方向的平行光。一般說來,這時候標(biāo)志物上沒有高亮點,而是有一個亮度較高的區(qū)域。利用光線跟蹤算法同樣可以找到主光線的方向向量。建立一個虛擬空間,在原點處建立虛擬的正方體標(biāo)志物,用主光線方向的平行光對此正方體進(jìn)行照明。3.3利用先進(jìn)的對比點光跟蹤算法當(dāng)環(huán)境中存在多個光源的時候,照明情況比較復(fù)雜。一般說來,標(biāo)志物上存在不止一個高亮點,利用光線跟蹤算法可以找到幾個主光線的方向向量。假定幾個光源位置,建立一個虛擬空間,在原點處建立虛擬的正方體標(biāo)志物,用虛擬光源對此正方體進(jìn)行照明,使用phong模型計算。綜合考慮以上幾種情況,增強(qiáng)現(xiàn)實光照模型的建立算法流程圖如圖2所示。4圖像采集模塊的實現(xiàn)在VisualC++平臺上實現(xiàn)算法。軟件部分主要由圖像采集模塊、光線跟蹤模塊以及虛擬照明模塊組成。如圖3所示。圖像采集的硬件為OK-C20彩色視頻采集卡。因此,圖像采集模塊部分主要是基于OK-C20采集卡的編程。用C語言調(diào)用動態(tài)庫OKAPI32.DLL中庫函數(shù)的連接方法有兩種:一是靜態(tài)鏈接,即直接鏈接輸入庫OKAPI32.LIB;二是動態(tài)鏈接,可以通過DLLENTRY.C源程序來實現(xiàn)。在程序中使用的是第2種方法。另外,還將3DS模型添加到真實場景中。圖版Ⅲ圖3是將不同材質(zhì)的沒有紋理的3DS模型添加到真實場景的實驗結(jié)果。由上面的實驗結(jié)果可以看出,實驗程序基本能夠模擬光源的照明情況。6圖像采集模塊對真實環(huán)境光照明模型研究的目的是要對虛擬物體進(jìn)行正確的顯示,因此,只要讓使用者在感官上覺得虛擬物體的光照情況與真實環(huán)境相一致就達(dá)到目的了。實驗證明,這種光照模型的建立方法在桌面增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)中基本可以滿足要求,因此上述方法是可行的。然而,本文的算法是以某一視點的圖像為依據(jù)來確定真實環(huán)境光照情況。在增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)的工作中,視點的變化有可能引起光照情況出現(xiàn)誤差。本文方法建立的光照模型,實際情況肯定是不可能對任何位置、任何材質(zhì)的物體都能滿足照明的要求。因此