[发明专利]基于光度图的几何与表面材质的重建方法

权利要求书

1.一种基于光度图的几何与表面材质的重建方法，从已知光照情况的一组照片序列中恢复几何与材质基的过程，其特征在于步骤如下：

步骤（1）、对所述照片序列中的像素，利用RGB颜色空间到HSV颜色空间的变换，对像素的颜色值聚类；

步骤（2）、选择不同光照下同一像素空间中最合适的点，进行材质划分，构造初始化材质权重图，估计初始Diffuse Albedo；

步骤（3）、保持步骤（2）得到的权重图和改为Diffuse Albedo不变，使用漫反射的颜色值作为阈值过滤掉高光的像素；

步骤（4）、使用Brute-Force方法列举所有的光源组合，利用Woodham的Lambertian-Photometric-Stereo方法计算表面朝向，然后选择Root-Mean-Square误差最小的结果作为初试的法向量；使用Alternating-Constrained-Least-Square方法迭代求解法向量和构建BRDF材质基；

步骤（5）、固定步骤（1）、步骤（4）得到的法向量和权重图，利用Levenberg-Marguardt方法优化每一种材质的BRDF模型；

步骤（6）、固定步骤（5）得到的BRDF的材质基，使用离散搜索方法，将法向量的自由度约束到一维，根据BRDF材质基，在渲染不同光照下的材质球图片上，搜索最合适的法向量和材质权重；若步骤（6）得到的法向量方向已经收敛，则重新将法向量自由度释放为三维，使用Levenberg-Marguardt方法优化法向量和材质权重；

步骤（7）、增强深度场：以步骤（6）得到的法向量图为基础，通过解Poisson方程得到最小二乘误差的表面深度信息。

2.根据权利要求1所述的基于光度图的几何与表面材质的重建方法，其特征在于：所述步骤（1）中颜色空间的变换方法，其步骤为：每一个像素进行颜色空间转换时，对于照片上的每一个像素ρ，首先同时计算该像素所在位置的n种光照情况下的像素集合P，将其颜色值从RGB颜色空间P_RGB转换到HSV颜色空间P_HSV，然后剔除V通道上的能量，使用参数（H,S）进行聚类，得到一张深度为n的HSV空间颜色图。

3.根据权利要求1所述的基于光度图的几何与表面材质的重建方法，其特征在于：所述的步骤（2）中估计初始Diffuse Albedo，其步骤为：高光的像素ρ往往在H和V通道上有更大的能量，第一重搜索中，搜索该点的像素几何P中H通道能量最小的点，得到点集P’，则此点集中的像素都不是高光点；其次，在该点集P’中，搜索V通道上能量最大的点，则此点不是阴影点；同一种材质的像素，在非高光和非阴影时，H和S通道值相似，此时利用步骤（1）中HSV空间颜色图，设置合适阈值，进行材质分割，生成多材质权重图；用同一种材质的HSV空间颜色值的平均值，作为该材质的颜色初始值。

4.根据权利要求1所述的基于光度图的几何与表面材质的重建方法，其特征在于：所述的步骤（4）具体为：使用一种Bruit-Force方法，对于照片上某一位置的像素ρ_i，列举所有可能的光照组合L，对于每一种光照情况L_j，利用Woodham的光度图方法，计算其法向量n_i，j，将n_i，j代入BRDF模型中，计算其与P集合的最小二乘误差e_i，j，最终得到像素ρ_i的误差集合E_i，选择E_i中最小的E_min，将E_min对应的n_i，j作为法向量的初值，避免了光源方向线性相关以及高光和阴影引起的误差。