專利名稱：一種物體光學(xué)屬性獲取立體采集設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機圖形學(xué)和計算機視覺技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種捕獲物體在不同光 照條件下圖像的采集設(shè)備，應(yīng)用于基于圖像的真實感材質(zhì)建模、非均勻參與介質(zhì)建模、幾何 建模等方向。
背景技術(shù)：
真實世界中的物體與光交互具有豐富的光學(xué)現(xiàn)象，利用計算機對其進行真實感建模和三 維重現(xiàn)具有廣泛的應(yīng)用空間。但是度量物體的光學(xué)屬性需要用高維數(shù)據(jù)描述光與物體交互的 反射、折射或散射過程，這給數(shù)據(jù)采集、建模及實時繪制都帶來了巨大困難。
物體光照屬性由光線與物體的相互作用所決定，可以用一個12維函數(shù)描述，包括入射 光和出射光的位置、方向、波長及傳輸時間參數(shù)。直接對12維數(shù)據(jù)進行采集、存儲和建模 超出了當(dāng)前計算機的軟硬件能力。為此，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)實際情況簡化這個函數(shù)。如 果忽略傳輸時間及次表面散射，即光線在物體內(nèi)部的傳輸過程，該函數(shù)可以簡化為6維的空 間變化雙向反射分布函數(shù)(spatially-varying bidirectional reflectance distribution function, SVBRDF)。針對單一材質(zhì)，忽略空間變化特性，SVBRDF可簡化為4維的雙向反射 分布函數(shù)(bidirectional reflectance distribution function, BRDF) 。 BRDF是定義在頂 點的單位上半球空間上，因此構(gòu)造可以在半球之上任意移動的光源和任意移動的相機，可以 對BRDF的整個定義域進行采樣，獲取BRDF數(shù)據(jù)。研究人員針對BRDF所特有的物理特性， 研究搭建多種采集設(shè)備。主要參考文獻有[1] Sing-Choong F. A gonioreflectometer for measuring the bidirectional reflectance of material for use in illumination computation. Ithaca: Cornell University, 1997; [2]MarschnerS，Westin S, LAFORTUNE E, et al. Image-based measurement of the bidirectional reflection distribution function . Applied Optics, 2000， 39(16): 2592-2600; [3] Matusik W， Hanspeter P, Matthew B， et al. Efficient isotropic BRDF measurement. //Proceedings of the 14th Eurographics workshop on Rendering Techniques, Leuven, 2003: 241-247; [4] Lensch H， Kaxitz J， Goesele M， et al. Image-based reconstruction of spatial appearance and geometric detail. ACM Transactions on Graphics, 2003， 22(2): 234-257; [5] Gardner A， Chris T， Tim H， et al. Linear light source reflectometry. ACM Transactions on Graphics, 2003， 22(3): 749-758; [6]Levoy M. Stanford spherical
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文獻[1]構(gòu)建4自由度的機械裝置，分別掛載單個光源和單個能夠測量物體表面反射比 的反射計儀器， 一次只能采集一個BRDF數(shù)據(jù)樣本，速度非常慢。文獻[2-3]使用單個數(shù)碼 相機和單個光源，利用曲面物體一次獲取多個BRDF樣本數(shù)據(jù)，采集速度有所提高，以上文 獻只適合采集單材質(zhì)BRDF。文獻[4]在黑暗房間環(huán)境下手動移動單個光源和單個相機，采集 多材質(zhì)SVBRDF，采集數(shù)據(jù)比較稀疏。文獻[5]構(gòu)建兩個機械臂分別掛載單個光源和單個相機， 自動控制光源和租機的移動進行SVBRDF數(shù)據(jù)采集，可自由選擇進行密集或稀疏采集。文獻 [6]構(gòu)建了與本文相似的采集設(shè)備，但是該設(shè)備只完成了整個2V Geodesic Dome球體的一半， 且相機和光源位置固定，靈活性不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有采集設(shè)備的不足，提供一種針對任意物體基于2V
Geodesic Dome的立體光學(xué)屬性快速采集設(shè)備，該設(shè)備采集速度快、可靈活擴展，適合采集 多種數(shù)據(jù)，滿足了當(dāng)前光學(xué)屬性數(shù)據(jù)采集的需求。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案 一種基于2V Geodesic Dome的物體光學(xué)屬性獲取立體采集設(shè) 備，其特征在于包括以下部分
(1) 利用四面單凹鋁型材構(gòu)建2V Geodesic Dome,設(shè)計可升降高度的球體中心電動旋 轉(zhuǎn)平臺支撐部件；設(shè)計可在四面單凹鋁型材凹槽內(nèi)任意滑動的相機和光源掛載部件，以上部 件均采用陽極鋁氧化工藝處理為黑色不反光。
(2) 多相機、多光源及電動旋轉(zhuǎn)臺同步控制系統(tǒng)。
所述步驟1中構(gòu)建2V Geodesic Dome,其特征在于使用四面單凹鋁型材做為構(gòu)建原材 料，根據(jù)2V Geodesic Dome ^i術(shù)標準，設(shè)計長邊、短邊、五邊連接、六邊連接等部件。設(shè) 計固定于水平面的中空立柱套筒、可插入套筒的升降柱及電動旋轉(zhuǎn)臺托板。設(shè)計圓盤形底座， 中心打一個螺絲孔，邊緣打三個螺絲孔。其中中心孔利用螺絲與預(yù)先嵌入凹槽內(nèi)的中心帶螺 絲孔的劃片相連用于滑動或固定。邊緣三個螺絲孔用來固定萬向節(jié)，萬向節(jié)上掛載光源或者 相機，具有360度的自由度。
所述步驟2中相機、光源及電動旋轉(zhuǎn)臺同步控制系統(tǒng)，其特征在于設(shè)計信號控制器實 現(xiàn)對多通路的開關(guān)控制，主要由相機端子板和LED繼電器端子板組成，分別根據(jù)相機觸發(fā)需 要5伏的高電平和光源觸發(fā)需要220伏電壓的特性，輸出電平信號。所有的控制信號均由數(shù) 字量輸出卡(AMPCI-7208)產(chǎn)生。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果(1) 基于2V Geodesic Dome的球體采集設(shè)備，所有連接點出無焊點，方便拆裝及調(diào)整， 可靈活掛載多相機和多光源，并可以任意調(diào)整相機和光源的位置及其密度分布。
(2) 將光源、相機、電動旋轉(zhuǎn)臺等統(tǒng)一利用一臺計算機和同步控制系統(tǒng)進行控制，采集 過程可實現(xiàn)自動化。


圖la和圖lb為2V Geodesic Dome示意圖2為搭建2V Geodesic Dome長邊設(shè)計圖3為搭建2V Geodesic Dome長邊與節(jié)點連接板設(shè)計圖4為搭建2V Geodesic Dome短邊設(shè)計圖5為搭建2V Geodesic Dome短邊與節(jié)點連接板設(shè)計圖6a和圖6b為搭建2V Geodesic Dome節(jié)點設(shè)計圖7a和圖7b為5邊連接節(jié)點和6邊連接節(jié)點實際組裝效果圖8a和圖8b為相機光源與2V Geodesic Dome中間可滑動連接部件設(shè)計圖和實際加工 效果圖9a和圖9b為嵌入帶螺絲孔滑片的四面單凹鋁型材及萬向節(jié)；
圖10a和圖10b為2V Geodesic Dome中心可升降平臺設(shè)計圖11為固定電動旋轉(zhuǎn)平臺的托板設(shè)計圖12可升降平臺組裝效果圖13 a和圖13b為控制系統(tǒng)電路設(shè)計圖14 a和圖14b為控制系統(tǒng)電路及數(shù)字量輸出卡(AMPCI-7208板)外觀圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用如下步驟
(1)基于2V Geodesic. Do腿球體框架的搭建 使用2V Geodesic Dome多面體來形成接近球體的結(jié)構(gòu)。如圖1 (a)所示。2V Geodesic Dome 具有80個面，42個節(jié)點，120條邊。其中42個節(jié)點根據(jù)所連接邊的個數(shù)可分為5邊連接節(jié) 點和6邊連接節(jié)點，120條邊可以分成兩類長邊和短邊分別如圖1 (b)中的實線和虛線邊所示， 下半球與上半球?qū)ΨQ。為了構(gòu)成一個球體長邊和短邊與節(jié)點所處切面的夾角不同，分別為18 度和16度。圖2為本發(fā)明設(shè)計的長邊鋁型材設(shè)計圖，由于長邊與節(jié)點所在切面的夾角為18 度，因此將其邊緣切割成角度為72度的斜面；圖3為長邊與節(jié)點相連所設(shè)計的連接板，其 彎曲角度為18度，打3個螺絲孔用來固定，其中圖3下圖左邊螺絲孔用來與節(jié)點相連，而 右側(cè)兩個螺絲孔用來與長邊固定。圖4和圖5分別為短邊鋁型材及連接板設(shè)計圖，與長邊相比除了長度和角度不同，與節(jié)點連接方式一致。圖6為兩類節(jié)點設(shè)計圖，其中但)為五邊連 接節(jié)點，設(shè)計為5棱柱，并對應(yīng)5條邊中間位置打5個螺絲孔與連接板固定，(b)為六邊連 接節(jié)點，設(shè)計為6棱柱，對應(yīng)6條邊中間位置打6個螺絲孔與連接板固定。按照2VGeodesic Dome的幾何結(jié)構(gòu)以及圖2-圖6設(shè)計的部件可以完成對Dome的組裝。圖7(a)和圖7(b)分別 為組裝完成后5邊連接節(jié)點和6邊連接節(jié)點實際效果圖。
圖8(a)所示為相機光源與Dome設(shè)備連接部件設(shè)計圖，圖8(b)為實際加工效果圖。由于 使用四面單凹形鋁型材完成Dome搭建，因此在凹槽內(nèi)事先放入帶螺絲孔的滑片如圖9(a)所 示，圖8(a)設(shè)計的圓形連接部件，中心打孔通過螺絲與嵌入凹槽的滑片進行連接，順時針旋 轉(zhuǎn)此圓形連接部件可固定位置，逆時針旋轉(zhuǎn)松動螺絲之后可以在凹槽內(nèi)移動后順時針旋轉(zhuǎn)重 新調(diào)整位置。圓形連接部件邊緣打3個螺絲孔與圖9(b)所示市場購買的萬向節(jié)相連，通過萬 向節(jié)與相機或光源相連保證光源及相機的3自由度旋轉(zhuǎn)。
圖IO所示為可升降的平臺設(shè)計圖，其中(a)為中空鋼管，內(nèi)壁直徑與(b)外壁直徑相同。 (b)所示升降柱可插入(a)中，并可進行上下升降。調(diào)整位置之后，通過(a)圖右上角所示兩 個螺絲進行固定。圖10(b)的頂端與圖11所設(shè)計的托臺通過3個螺絲進行固定，而圖ll設(shè) 計的托臺可與市場購買的電動旋轉(zhuǎn)平臺進行連接固定，使得放置在該平臺上的物體可以在水 平面上360度旋轉(zhuǎn)。圖12為實際安裝效果圖。
(2)相機、光源及電動旋轉(zhuǎn)臺同步控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
由于觸發(fā)條件不同，因此同步控制系統(tǒng)的設(shè)計包含三部分-1) LED繼電器端子板
如圖13(a)所示，Dc表示固態(tài)繼電器SSR控制端的正極輸入電壓+12v， R表示保護電阻， 控制信號表示從數(shù)字量輸出板產(chǎn)生的高低電平信號，Ac為市電交流220v，負載為LED光源。 通過控制固態(tài)繼電器輸入端回路的通斷實現(xiàn)對負載回路的開關(guān)。 2)相機端子板
如圖13(b)所示，Dc+5v表示相機端子板正極輸入電壓+5v， R表示保護電阻，控制信號 表示從數(shù)字量輸出板產(chǎn)生的高低電平信號，負載為相機。通過控制回路的通斷實現(xiàn)相機的開 關(guān)。
圖14(a)為控制電路外觀效果圖。LED繼電器端子板和相機端子板的控制信號均由數(shù)字 量輸出卡產(chǎn)生(AMPCI-7208板，圖14(b))，數(shù)字量輸出卡與信號控制器通過針式D型插頭 連接。
3)電動旋轉(zhuǎn)臺
高精度電動旋轉(zhuǎn)臺為市場購買，與計算機通過串口直接相連。
權(quán)利要求
1.一種基于2V Geodesic Dome的物體光學(xué)屬性獲取立體采集設(shè)備，其特征在于包括以下部分(1)利用四面單凹鋁型材構(gòu)建的2V Geodesic Dome，設(shè)計可升降高度的球體中心電動旋轉(zhuǎn)平臺支撐部件；設(shè)計可在四面單凹鋁型材凹槽內(nèi)任意滑動的相機和光源掛載部件，以上部件均采用陽極鋁氧化工藝處理為黑色不反光；(2)多相機、多光源及電動旋轉(zhuǎn)臺同步控制系統(tǒng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于2V Geodesic Dome的物體光學(xué)屬性獲取立體采集設(shè)備，其特征在于使用四面單凹鋁型材做為構(gòu)建原材料，根據(jù)2V Geodesic Dome技術(shù)標準，設(shè)計長邊、短邊、五邊連接、六邊連接部件；設(shè)計固定于水平面的中空立柱套筒、可插入套筒的升降柱及電動旋轉(zhuǎn)臺托板；設(shè)計圓盤形底座，中心打一個螺絲孔，邊緣打三個螺絲孔；利用螺絲通過中心孔與預(yù)先嵌入凹槽內(nèi)劃片的中心孔相連，可用于滑動或固定劃片位置；邊緣三個螺絲孔用來固定萬向節(jié)，萬向節(jié)上掛載光源或者相機，具有360度的自由度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于2V Geodesic Dome的物體光學(xué)屬性獲取立體采集設(shè)備，其特征在于設(shè)計信號控制器實現(xiàn)對多通路的開關(guān)控制，每個通路開關(guān)控制一臺相機或者一個光源，所述信號控制器由相機端子板和LED繼電器端子板組成，分別根據(jù)相機觸發(fā)需要的5伏的高電平和光源觸發(fā)需要的220伏電壓的特性，輸出電平信號；所有的控制信號均由數(shù)字量輸出卡AMPCI-7208產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明基于2V Geodesic Dome提出一種用于物體光學(xué)屬性獲取的立體采集設(shè)備。當(dāng)前影視、數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C繪制的逼真性提出了較高的要求，傳統(tǒng)的光學(xué)模型無法描述真實世界物體復(fù)雜的光學(xué)屬性。隨著數(shù)碼相機等高精度成像設(shè)備的迅速發(fā)展，研究人員開始研究如何通過真實采集圖像而恢復(fù)真實物體光學(xué)屬性的問題。本發(fā)明利用四面單凹鋁型材構(gòu)建2V Geodesic Dome，設(shè)計可升降的中心平臺及靈活的相機或光源掛載部件，并采用陽極鋁氧化工藝處理所有部件為黑色不反光。Dome之上可以掛載相機和光源，滿載數(shù)量為400左右，研制一套同步控制系統(tǒng)，通過一臺計算機，可任意控制相機拍照、光源亮滅及高精度電動旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)。本設(shè)備可根據(jù)需要任意調(diào)整相機及光源個數(shù)和位置，具有較高的靈活性和穩(wěn)固性。
文檔編號E04B1/32GK101673041SQ20091009336
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者沈方陽, 勇 胡, 趙沁平, 越 齊 申請人:北京航空航天大學(xué)