[发明专利]基于光度图的几何与表面材质的重建方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实的技术领域，具体地说是涉及一种基于光度图的几何与表面材质的重建方法，其从单视点下拍摄的已知光源的图片序列中重建物体表面的法向量、BRDF（Bidirectional Reflectance Distribution Function）材质基和权重图，该方法可以用于重建三维物体的几何和表面材质。

背景技术

近些年来从图片序列中重建真实材质组成的场景一直吸引着研究者们的目光。重建真实场景问题的核心是如何构建一个模型来恢复整个光场，这意味着可以预测任意给定的光照条件下物体的反射形态。通常解决这类问题的方法包含两个步骤：第一，使用图形学中的几何方法来恢复物体的三维形状以及表面的法向量朝向；第二，标定光源，在不同光源下采集照片，然后选择一个BRDF模型，优化模型参数使其匹配采集数据，参见Herbort S,C:An introduction to image-based 3D surface reconstruction and a survey of photometric stereo methods.3D Res 2011,02(03004):1–18。这类方法万网需要使用特殊的仪器，例如三维扫描仪或者矩阵光照，因此代价非常昂贵，参见P.Fechteler,P.Eisert,J.Rurainsky(2007)Fast and high resolution 3d face scanning,ICIP'07,3:81–84,doi:http://dx.doi.org/10.1109/ICIP.2007.4379251。并且这类方法往往需要一个匹配过程，来将照片上的每一个像素与三维模型上的点一一对应起来。与几何方法相反，立体光度视觉场提供了一个更加简洁的解决方法，它仅仅需要一组研究者已知光照条件的照片。

但是，光度图方法的效果对漫反射初值的估计和表面材质的划分有着非常高的要求。初始的漫反射值用于预测特定光照条件下的初始法向量图，和基础BRDF材质基。表面材质的划分用于提供一个基础材质的初始权重图。光度图方法的第二个问题是，当每个像素上基础材质的权重可以为任意时，物体表面的法向量时高度缺乏约束，参见H.P.A.Lensch,J.Kautz,M.Goesele,W.Heidrich,and H.P.Seidel.Image-based reconstruction of spatial appearance and geometric detail.ACM Trans.Graph.,22(2):234-257,2003。这将导致法向量图的估计十分困难，并且很容易使整个算法的优化过程收敛到一个错误的局部解中。

在早期的研究工作中，Woodham（参见R.Woodham.Photometric method for determining surface orientation from multiple images.Optical Engineering,19(1):139-144,January 1980.）和Silver（参见W.M.Silver.Determining Shape and Reflectance Using Multiple Images.Master’sthesis,MIT,1980.）提出了强烈的假设，关于使用特别的BRDF知识或者简单的参数化模型（通常是Lambertian模型，参见Ngan,A.,Durand,F.,and Matusik,W.2005.Experimental analysis of brdf models.In Eurographics Symposium on Rendering,117--126.）来重建物体表面。