[发明专利]一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法

权利要求书

1.一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法，其特征在于包括下列步骤：

1.1读入三维物体模型，模型由相机序列拍摄实际物体，通过三维重建算法得到PLY模型文件；提取PLY模型文件头，读取点云坐标、三角面片数量和颜色信息；

1.2利用C++语言在虚拟环境下建立虚拟相机阵列，包括下列步骤：

1.2.1将相机光心的初始位置设为世界坐标系原点，给定相机绕各个坐标轴的旋转角度和平移量，求得相机坐标系下旋转矩阵和平移矩阵为：

其中：θ_x、θ_y、θ_z为相机绕坐标轴旋转的角度；平移向量u＝(t_x,t_y,t_z)′；I为3×3的的单位矩阵；相机坐标系的原点为相机的光心；

1.2.2以拍摄到物体的子图像能覆盖子图像阵列的最大范围为标准，计算虚拟相机阵列光学中心在世界坐标系的位置；对坐标列向量左乘旋转、平移矩阵，得到相机在世界坐标系下的位置坐标，建立初始相机阵列；假设虚拟相机符合小孔成像规则，相机参数包括相机镜头的焦距f、相机的采集角度θ_c、相机底片的宽度w和高度h，满足下列公式：

其中：z为相机的光学中心与物体中心的距离；w_m和h_m分别为物体包围盒的宽度和高度；

1.2.3将初始相机阵列中各个相机以底片为底面，焦距为高，建立四棱锥模型，写入PLY文件；将三维物体模型和相机阵列模型在三维软件mashlab中显示，以拍摄到物体的子图像能够覆盖子图像阵列的最大范围为标准，计算虚拟相机阵列光学中心在世界坐标系的位置；

1.3拍摄立体元图像阵列，包括下列步骤：

1.3.1利用步骤1.1中的参数θ_x、θ_y、θ_z、t_x、t_y、t_z和z设置虚拟相机阵列，确定每一个相机的光学中心及其底片在世界坐标系下的位置，即追踪光线的起始位置；

1.3.2以每个相机的光心为起始点定义BVH，其中每个根节点的叶子节点数为4，对模型内每一个三角面片进行分类，使每一个三角面片在层次中仅存储一次，直至所有物体划分结束；

1.3.3运用光线追踪算法，对于每一个相机，以其光学中心为起始点，到其底片上的像素点连线为方向，建立用于光线追踪的光线束；

1.3.4对于每一条光线，沿着前进方向步进式地判断是否与包围盒内的物点相交；若相交，将该叶子节点的RGB值赋予该像素点；若不相交，则其必定不与包围盒内的物点相交，将该像素点置0；

1.3.5重复步骤1.3.2至1.3.4，并利用openmp对生成立体元图像的循环进行多线程计算，提高计算速度；

1.3.6利用步骤1.2生成的虚拟相机符合小孔成像原理，对照物体即为倒立的实像；将每一个立体元图像翻转180度，得到正立的虚像，显示时无深度反转效果；将立体元图像按照对应相机排列关系组合，得到立体元图像阵列；

1.4修正立体图像显示范围，包括下列步骤：

1.4.1调整虚拟相机阵列的参数，使得设计的相机阵列对于给定空间范围的物体拍摄得到的立体元图像阵列，能获得合适的显示效果，其有效内容需充满显示面积的50％及以上，且物体的质心居于显示图像的中心，从图像阵列的中向u,-u,v,-v四个方向搜索元素图像，设背景色为黑色，立体图像中不含所展示物体的元素图像块为连续的全黑色块，调整虚拟相机阵列的参数x，y，z；计算出各个方向上连续背景色图像块占该方向图像块的百分比；

1.4.2设四个方向P_b的均值为E(P_b)，满足下述公式：

E(P_b)＝(P_b(u)+P_b(-u)+P_b(v)+P_b(-v))/4 (7)

对E(P_b)进行判定，以说明物体是否充满所需显示范围，调整焦距和相机位置z，以达到所需效果；设四个方向P_b的标准差为S(P_b)，满足下列公式：

1.4.3当E(P_b)50％时，减小相机位置z的1.1倍，直至各个方向均满足要求，再对x,y位置进行判定；当E(P_b)25％时，增大相机位置z的1.1倍，直至各个方向均满足要求，再对x,y位置进行判定；

1.4.4当S(P_b)4.3％时，求max(P_b)和min(P_b)，当max(P_b)-E(P_b)10％时，说明物体远离该方向，将x，y向该方向移动1.1倍；当min(P_b)-E(P_b)10％时，说明物体靠近该方向，将x，y向该方向移动-1.1倍，直至S(P_b)4.3％；

1.4.5重复上述步骤直到均值25％≤E(P_b)≤75％，标准差S(P_b)≤4.3％，且0≤P_b≤75％，则得到理想的相机位置x，y，z；

1.5立体元图像阵列的显示，包括下列步骤：

1.5.1集成成像显示平台设置为虚像模式，平台上透镜阵列焦距为f_c，透镜阵列与显示屏的距离为g,满足g＜f_c为虚模式；

1.5.2显示屏上的立体元图像阵列经过透镜阵列，显示出与物体三维空间符合的立体图像。