室外場(chǎng)景的光照分析研究.pdf

1、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是近二十年來(lái)信息領(lǐng)域中迅速興起的一種技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的景物實(shí)時(shí)地疊加到一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的畫(huà)面中，通過(guò)將真實(shí)信息和虛擬信息互相融合，創(chuàng)造出一個(gè)和諧統(tǒng)一的環(huán)境。由于具有對(duì)真實(shí)環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)顯示的特性，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護(hù)、醫(yī)療手術(shù)規(guī)劃、軍事訓(xùn)練等領(lǐng)域都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是，迄今為止，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中仍有大量的問(wèn)題尚未解決。其中，實(shí)時(shí)重構(gòu)室外場(chǎng)景的光照條件用于虛擬物體的繪制，實(shí)現(xiàn)虛擬物體與真實(shí)場(chǎng)景的光照一致性對(duì)室外場(chǎng)景虛實(shí)

2、融合的真實(shí)感具有十分重要的作用。
　　 室外光照估計(jì)也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究課題之一，變化的室外光照往往導(dǎo)致陰影檢測(cè)、物體識(shí)別、視頻跟蹤等算法的不穩(wěn)定。實(shí)時(shí)地求解出室外場(chǎng)景視頻中每一幀的光照條件，然后將光照進(jìn)行歸一化處理去除變化光照的影響可極大地提高許多算法的性能。如何在場(chǎng)景三維模型未知的條件下實(shí)時(shí)地估計(jì)在線視頻的光照條件對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)都具有十分重要的意義。
　　 本文圍繞固定視點(diǎn)下室外場(chǎng)景視頻序列的實(shí)時(shí)光照估計(jì)

3、展開(kāi)研究，針對(duì)現(xiàn)有方法的不足提出了一系列新的解決方法。本文工作的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新如下：
　　 ·首次給出了室外場(chǎng)景圖像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與場(chǎng)景光照參數(shù)之間的解析表達(dá)式。在假定太陽(yáng)光為平行光，天空光為泛光的條件下，從基本的光照明模型出發(fā)，推導(dǎo)出了場(chǎng)景圖像的方差和均值與場(chǎng)景的太陽(yáng)光和天空光入射光強(qiáng)之間互為表達(dá)的解析表達(dá)式，揭示了圖像的統(tǒng)計(jì)屬性與場(chǎng)景光照之間的關(guān)系，為研究場(chǎng)景的光照條件提供了新的思路和途徑。
　　 ·基于圖像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)與

4、光照參數(shù)之間的解析表達(dá)式，提出了一個(gè)估計(jì)室外場(chǎng)景光照的框架。該框架在離線階段通過(guò)學(xué)習(xí)建立解析表達(dá)式，在在線光照估計(jì)階段，根據(jù)建立好的解析表達(dá)式，利用圖像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)實(shí)時(shí)地計(jì)算出場(chǎng)景的太陽(yáng)光和天空光入射光強(qiáng)。為了對(duì)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景取得穩(wěn)定的光照估計(jì)結(jié)果，進(jìn)一步提出了一種基于光照的空間連貫性和時(shí)間連貫性對(duì)已求的光照參數(shù)進(jìn)行光順的方法，獲得了穩(wěn)定的求解結(jié)果。
　　 ·將天空光模型推廣到更為一般的面光源模型，提出了一個(gè)基于圖像分解的室外場(chǎng)景光照估

5、計(jì)框架。首先將一幅室外場(chǎng)景的圖像表示成太陽(yáng)光基圖像和天空光基圖像的線性組合，其中組合系數(shù)是所要求解的太陽(yáng)光和天空光入射光強(qiáng)，太陽(yáng)光和天空光基圖像則分別表示了場(chǎng)景的幾何、材質(zhì)的乘積。在離線階段通過(guò)學(xué)習(xí)求解出采樣太陽(yáng)位置下的太陽(yáng)光和天空光基圖像。在在線階段通過(guò)對(duì)采樣太陽(yáng)位置處場(chǎng)景的太陽(yáng)光基圖像進(jìn)行更新，實(shí)時(shí)求解視頻中每一幀的太陽(yáng)光和天空光入射光強(qiáng)。
　　 ·提出了一種無(wú)需離線學(xué)習(xí)的室外場(chǎng)景光照估計(jì)方法。首先使用上述圖像分解模型，將圖

6、像表示成太陽(yáng)光和天空光基圖像的線性組合。然后，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光基圖像的特點(diǎn)進(jìn)行分析，將太陽(yáng)光和天空光入射光強(qiáng)的求解歸結(jié)為一個(gè)可實(shí)時(shí)求解的能量最小化問(wèn)題。該方法對(duì)場(chǎng)景的材質(zhì)無(wú)要求，允許場(chǎng)景中存在具有復(fù)雜材質(zhì)屬性的物體。除了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，該方法可廣泛應(yīng)用于一般的在線視頻處理，如陰影檢測(cè)、基于圖像的重光照、顏色恒常性以及光照歸一化等。
　　 本文所提出的三種估計(jì)室外光照的方法均不需要場(chǎng)景的三維幾何信息，因而避免了對(duì)大規(guī)模室外場(chǎng)景進(jìn)行重建時(shí)面臨