專利名稱：一種物體表面表觀采集設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種圖形采集設(shè)備，尤其涉及一種物體表面表觀采集設(shè)備，屬于計(jì)算 機(jī)圖形學(xué)中物體數(shù)據(jù)采樣和三維建模領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的十年中，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究者們在合成圖像和視頻方面發(fā)展 了許多成熟的技術(shù)。這些技術(shù)的主要目標(biāo)之一是照片級(jí)的真實(shí)感。照片級(jí)真實(shí)感的繪制可 由基于物理的光線傳輸模擬來實(shí)現(xiàn)，這仍是圖形學(xué)研究的一個(gè)重要方向，因?yàn)檎枪饩€顯 示了物體的的形狀和材料屬性。然而，光線傳輸模擬需要幾何、反射率和光照作為輸入數(shù) 據(jù)，這些數(shù)據(jù)至少和光照模擬本身一樣對(duì)一幅合成圖像的最終視覺質(zhì)量有著許多的貢獻(xiàn)。 如果沒有真實(shí)感的幾何和光照數(shù)據(jù)， 一幅合成繪制出來的圖像就會(huì)看起來不真實(shí)。
在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)流程圖中，材質(zhì)模型和采樣對(duì)于真實(shí)感圖形學(xué)非常重要。采樣是真實(shí) 感繪制工作的前期工作和基礎(chǔ)。而且是絕大部分真實(shí)感繪制工作和虛擬現(xiàn)實(shí)工作的數(shù)據(jù)來 源。
幾何上有三種基本的度量層次，S卩宏觀結(jié)構(gòu)層次、亞宏觀結(jié)構(gòu)層次和微觀結(jié)構(gòu)層次。 幾何模型通常是指宏觀結(jié)構(gòu)層次，且經(jīng)常被指定為多邊形和(或)曲面的集合。亞宏觀 結(jié)構(gòu)層次包括相當(dāng)小但仍能看見的幾何細(xì)節(jié)。比如混凝土馬路上的凹凸部分。微觀結(jié)構(gòu) 層次包括肉眼看不到的表面微面元。后二種幾何層次對(duì)表面的光度學(xué)性質(zhì)起作用，這種 性質(zhì)告訴我們表面是如何反射光線的及其形狀的視覺質(zhì)量。
光度學(xué)性質(zhì)包括雙向反射分布函數(shù)(BRDF)、雙向紋理函數(shù)(BTF)、雙向透射分布函 數(shù)(BTDF)、雙向下表面散射函數(shù)(BSSRDF)、紋理映射(Texture Map)、凹凸映射(Bu卿 Map)等。其中一些用于亞宏觀結(jié)構(gòu)層次的建模。雙向反射分布函數(shù)(BRDF)部分依賴于 材料固有的光學(xué)性質(zhì)如菲涅爾系數(shù)；其余部分依賴于微面元的分布。
雙向反射分布函數(shù)BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function)用來 描述物體的材料屬性，表示光如何從一個(gè)表面反射出去。該函數(shù)的輸入為入射及發(fā)射光的 方位角^和仰角S。另一個(gè)輸入為入射光的波長。該函數(shù)的輸出為一個(gè)無單位的值，表示對(duì)于給定的入射方向，在發(fā)射方向反射出去能量的比例。BRDF給出了入射光子在某一方 向離開的概率。BRDF描述了入射輻射亮度和發(fā)射輻射亮度是如何相互聯(lián)系的，并不解釋材 料是如何在物理上與光相互作用的。
給定一雙向反射分布函數(shù)和入射輻射亮度分布，反射方程決定了表面在給定視域方向 的發(fā)射輻射亮度。它通過在表面的半球面上對(duì)所有方向的入射輻射亮度進(jìn)行積分得到
<formula>formula see original document page 4</formula>
其中i表示入射方向，o表示發(fā)射方向。Z表示在給定方向的輻射亮度，/為BRDF。Z cos (A) 使得變成正向入射(其意義與Lambert定律類似)，雙重積分符號(hào)和c表示在半球面上Q積 分。該方程表示對(duì)于表面半球面上的所有方向，決定入射輻射亮度，乘上該入射方向和 發(fā)射方向的BRDF，并用入射方向和表面法向夾角的余弦進(jìn)行比例縮放，然后積分。結(jié)果為 視域方向的輻射亮度。該方程對(duì)三個(gè)顏色分量單獨(dú)計(jì)算。
現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中投入到實(shí)用的一些采樣設(shè)備，以及Ward設(shè)備，雖然能夠很好的 采集物體的雙向反射分布函數(shù)，但是都存在著普遍的問題
1. 成本過高，大約都在數(shù)十萬元的價(jià)格。
2. 機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用過程復(fù)雜。
3. 釆樣時(shí)間長， 一般都超過l小時(shí)。
4. 不能同時(shí)采集幾何信息，只能釆集光學(xué)特性。
因此，急需一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的表觀采集設(shè)備來滿足科研工作和計(jì)算機(jī)圖形學(xué) 一些行業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集工作的需要。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種精確采集物體表面的反射、透射屬性等物體表觀的設(shè) 備。我們提供了一種雙向反射分布函數(shù)和雙向透射分布函數(shù)的采集方法，并搭設(shè)了一套設(shè)
備來進(jìn)行物體表觀的采集工作。我們的儀器硬件部分主要由以下4個(gè)部分構(gòu)成機(jī)械式光 源移動(dòng)平臺(tái)、光源(包括線性光源和均勻白色面光源)、圖像采集相機(jī)和控制/數(shù)據(jù)接收電 腦。同時(shí)，我們使用了一套方法通過我們的設(shè)備來分析采集到的圖像序列和數(shù)據(jù)，從而計(jì)
算出物體的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)和雙向透射分布函數(shù)(BTDF)，并最終合成物體 帶有反射和透射屬性的表觀信息。
4為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為
一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于包括光源移動(dòng)平臺(tái)、線性光源、均勻白色 面光源、圖像采集相機(jī)和控制/數(shù)據(jù)接收單元；所述線性光源位于所述光源移動(dòng)平臺(tái)上從被 采樣物體的前上方開始運(yùn)動(dòng)，并從物體上方經(jīng)過；所述均勻白色面光源位于所述光源移動(dòng) 平臺(tái)的被采樣物體區(qū)域下方，提供從下方向上照射并穿透物體的透射光；所述圖像采集相 機(jī)位于被采樣物體的后上方，用于接收來自所述被采樣物體的光，所述圖像采集相機(jī)與所 述控制/數(shù)據(jù)接收單元通過數(shù)據(jù)線連接。具體相對(duì)位置關(guān)系請參見圖1、圖2。
所述光源移動(dòng)平臺(tái)包括一減速齒輪系統(tǒng)，所述齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為通過級(jí)連方式串聯(lián)5個(gè) Z 40/32型變速齒輪構(gòu)成，所述變速齒輪減速比例均為1:5。
所述光源移動(dòng)平臺(tái)由所述齒輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，所述線性光源位于所述光源移動(dòng)平臺(tái)前端下
所述線性光源包括一日光燈和一燈罩，所述燈罩包圍所述日光燈且在所述燈罩下側(cè)開 一狹長縫隙，所述燈罩為黑色。
所述白色面光源包括一液晶背光板和兩組白光發(fā)光二極管光源，所述兩組白光發(fā)光二 極管光源分別位于所述液晶背光板兩側(cè)向其內(nèi)側(cè)發(fā)光，所述液晶背光板上放置一半透光薄 膜。
本實(shí)用新型的積極效果
本實(shí)用新型能夠用較低的成本和簡單的設(shè)備搭設(shè)出物體表觀采集設(shè)備，能夠同時(shí)采集 物體表面的雙向反射分布函數(shù)BRDF和雙向透射分布函數(shù)BTDF，并且采集速度相對(duì)較快， 數(shù)據(jù)密度大，能夠很好的用來對(duì)物體表觀采樣，并用生成的數(shù)據(jù)直接用于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)真 實(shí)感繪制的工作中。
圖1為采集設(shè)備頂視l.主控計(jì)算機(jī)；2.采樣照相機(jī)；3.固定導(dǎo)軌；4.行動(dòng)輪；5.線性光源； 6.高速電機(jī)；7.減速齒輪組；8.被釆樣物體；9.均勻白色面光源；
圖2為采集設(shè)備側(cè)視切面圖3為線性光源橫切面結(jié)構(gòu)示意圖；31.白色日光燈光源；32.黑色遮罩；33.經(jīng)過遮擋后寬度大幅降低的線性光源； 圖4為采集方法流程圖5為BRDF采樣工作原理圖，橫軸為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向，縱軸是豎直向上方向；
51 —光源入射角等于出射角位置，52--光源由正上方入射位置，53 —圖像投影平 面，54—采樣照相機(jī)，55—被采樣物體表面，56—鏡面反射峰位置，57—漫反射峰位置；
圖6為采樣后的數(shù)據(jù)分析過程圖；(圖中坐標(biāo)橫軸為時(shí)間t，縱軸為亮度L，其中一些 曲線代表不同的顏色，圖中用R表示紅色曲線，G表示綠色曲線，B表示藍(lán)色曲線，這三 種顏色的曲線分別代表被采樣數(shù)據(jù)三種顏色的分量，當(dāng)RGB顏色曲線近乎于重合的時(shí)候， 也就是顏色接近灰色的時(shí)候，圖中即不再用字母標(biāo)出RGB曲線，豎線U表示確定的鏡面 反射波峰，豎線12表示確定得到的漫反射波峰，豎線13表示確定的鏡面反射采集范圍) (a)原始反射分布曲線 (b)調(diào)整后漫反射曲線
(c)減去漫反射之后的鏡面反射曲線 (d)調(diào)整后的鏡面反射曲線； 圖7為不同物體的采樣分析結(jié)果；(圖中坐標(biāo)橫軸為時(shí)間t，縱軸為亮度L，其中一些 曲線代表不同的顏色，圖中用R表示紅色曲線，G表示綠色曲線，B表示藍(lán)色曲線，這三 種顏色的曲線分別代表被采樣數(shù)據(jù)三種顏色的分量，當(dāng)RGB顏色曲線近乎于重合的時(shí)候， 也就是顏色接近灰色的時(shí)候，圖中即不再用字母標(biāo)出RGB曲線，如(b)中電光紙的采樣 結(jié)果，豎線11表示確定的鏡面反射波峰，豎線12表示確定得到的漫反射波峰)
(a)漫反射牛皮紙(b)電光紙(c)金箔(d)富含水份的樹葉上表面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖描述本實(shí)用新型的設(shè)備結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)采集和處理方法-1、采集設(shè)備的構(gòu)造
采集設(shè)備主要由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、光源、采集用相機(jī)和控制計(jì)算機(jī)4部分組成。 其主要結(jié)構(gòu)圖如圖l、圖2所示。圖1為頂視圖，圖2為側(cè)視切面圖。圖l、圖2同時(shí) 表示了此設(shè)備中各種部件的相互位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)方式。光源移動(dòng)平臺(tái)——高速電機(jī)和齒輪減速結(jié)構(gòu)
采集物體表面表觀特性中的雙向反射分布函數(shù)(BRDF)需要改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌龋?采集在不同入射角度下反射出射光的強(qiáng)度，我們通過德國Fischer Technik公司的慧魚工業(yè) 模型機(jī)器人系統(tǒng)，搭設(shè)了一個(gè)可移動(dòng)的線性平臺(tái)，兩條平行的導(dǎo)軌固定，平臺(tái)通過與導(dǎo)軌 咬合的行走齒輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)，沿著導(dǎo)軌的方向平行移動(dòng)。平臺(tái)上用來架設(shè)各種光源。平臺(tái) 長55cm，寬30cm，使用高精度分段齒輪導(dǎo)軌行走系統(tǒng)，定位精度為0.5mm。
驅(qū)動(dòng)行走齒輪運(yùn)動(dòng)的行走系統(tǒng)通過6-9伏迷你電機(jī)驅(qū)動(dòng)。BRDF采樣過程中，為了提高 采樣密度和精度，需要平臺(tái)以較慢的速度通過被采樣物體上方，而大部分小型直流電機(jī)都 是高轉(zhuǎn)速、低扭矩輸出型電機(jī)，為此，我們搭設(shè)了一套減速齒輪系統(tǒng)，減速齒輪系統(tǒng)將迷 你電機(jī)輸出的動(dòng)力通過機(jī)械方式減慢其速度，并將這個(gè)動(dòng)力傳遞給與導(dǎo)軌咬合的行走齒 輪，從而帶動(dòng)平臺(tái)沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)?；痉椒ㄊ鞘褂眉?jí)連方式串聯(lián)了5個(gè)Z 40/32型變速 齒輪，每個(gè)齒輪減速比例為1:5，前一個(gè)齒輪的直徑較小的輪帶動(dòng)后一個(gè)齒輪直徑較大的 輪來實(shí)現(xiàn)減速目的。從而使得電機(jī)的總減速比達(dá)到了 1:3125，并提高了輸出扭矩。經(jīng)過測 試，平臺(tái)可用負(fù)載為2kg，可在平臺(tái)前方架設(shè)線性光源。減速齒輪結(jié)構(gòu)可以保證，平臺(tái)帶 動(dòng)線性光源，以緩慢的速度從被采樣物體上方通過，從而改變線性光源光線對(duì)于物體的入 射角，從而可以通過在不同光線入射角的情況下，用采樣照相機(jī)采集物體的雙向反射分布 函數(shù)，采樣照相機(jī)的參數(shù)和使用方法在后面將獲詳細(xì)說明。具體設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所 示。
通過可調(diào)型直流變壓器，我們可以將輸入給電機(jī)的支流電壓分別定位在1.5V， 3V， 4.5V， 6V， 9V和12V。從而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別讓平臺(tái)在55cm的總行程時(shí)間在3分鐘 和24分鐘之間調(diào)整，通過對(duì)于平臺(tái)移動(dòng)速度的調(diào)整，我們可以控制拍照采樣的入射角間 隔，從而控制雙向反射分布函數(shù)的采樣密度。
光源線性光源和均勻面光源
線性光源是雙向反射分布函數(shù)采樣過程中的光學(xué)輸入設(shè)備，使用簡單的日光燈作為線 性光源的基礎(chǔ)，通過在日光燈周圍圍繞黑色遮光遮罩，遮擋大部分從日光燈向周圍射出的 光線，僅僅保留寬度為2mm的狹長縫隙，從而使得光源形狀更加接近理想線性光源形狀。 加裝遮罩后的線性光源橫切面示意如圖3所示。對(duì)于普通數(shù)據(jù)采集，采用白色"氬-汞"曰 光燈作為光源，可以同時(shí)采集RGB三個(gè)分量，當(dāng)需要精度較高的數(shù)據(jù)時(shí)候可以使用單一色光的紅色、綠色、藍(lán)色日光燈作為光源。采樣時(shí)線性光源從被采樣物體上方平緩移動(dòng)， 經(jīng)過物體的過程中，提供不同方向上的入射光線。
均勻面光源液晶背光板。為采集表示物體光學(xué)透射屬性的雙向透射分布函數(shù)BTDF (Bidirectional Translucency DiffUse Function )，我們在被采樣物體背后放置了一個(gè)35cm X 20cm的背光板。背光板上下兩側(cè)分別由兩組白光發(fā)光二極管光源組成，兩組發(fā)光二極管向 背光板內(nèi)側(cè)透射白色光線，由背光板轉(zhuǎn)換成均勻的白色向上的面光源。背光板過多的亮度 影響被采集物體透射屬性雙向透射分布函數(shù)的采樣，我們在背光板上方放置了一個(gè)很薄的 黑色半透光薄膜，用來遮擋多余的光線。采樣時(shí)物體平放在均勻面光源上方，光源打開， 采集面光源發(fā)出的光線經(jīng)過物體透射之后的結(jié)果。
圖像序列采樣設(shè)備Nikon D200采樣相機(jī)與主控電腦
我們通過一臺(tái)Nikon D200數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，D200相機(jī)具體性能參數(shù)為 APS-C畫幅1020萬像素CCD,單鏡頭反光光學(xué)模式，并配備AF-S DX Zoom-Nikkor 18-70mmf/3.5-4.5GIF-ED光學(xué)鏡頭，最遠(yuǎn)長焦距200mm，最短焦距18mrn。并結(jié)合Nikon Camera Control Pro軟件和一部分相機(jī)控制API,自行編寫了一部分程序，通過相機(jī)Nikon 相機(jī)API提供的相機(jī)控制功能，由電腦自動(dòng)控制相機(jī)在設(shè)備運(yùn)動(dòng)中連續(xù)拍照。在相機(jī)控制 API中我們使用了函數(shù)CamInit,CamCtrl,PicTrans等，所編寫的腳本控制程序用來控制相機(jī) 在固定的時(shí)間內(nèi)以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行拍攝，比如每隔5秒拍攝一張，或者每隔3秒拍攝 一張，同時(shí)能夠控制拍攝的張數(shù)或者拍攝時(shí)間，比如連續(xù)拍攝1000張，或者連續(xù)拍攝30 分鐘。并且我們的程序?qū)⑾鄼C(jī)拍攝的結(jié)果傳輸?shù)街骺仉娔X的硬盤上面進(jìn)行存儲(chǔ)。我們的程 序通過按照固定的順序調(diào)用拍攝、存儲(chǔ)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相機(jī)的自動(dòng)拍攝以及拍攝結(jié)果的存 儲(chǔ)。相機(jī)最快拍攝速度5fps，最大存儲(chǔ)容量320GB (利用控制端電腦的硬盤的存儲(chǔ)空間)。 實(shí)際采樣時(shí)采用Jpeg格式，拍攝分辨率3872x2592。相機(jī)由Manfrotto 055 Pro MF4型三角 架固定，使用USB2.0傳輸協(xié)議與控制電腦通信，傳輸控制信息與采樣圖片數(shù)據(jù)。
采樣相機(jī)的位置如圖1、圖2所示，位于被采樣物體的后上方，相機(jī)拍攝方向指向物 體， 一般相機(jī)鏡頭主光軸與水平地面成35度到55度的夾角，這樣既可以很好的拍攝物體， 也不會(huì)被運(yùn)動(dòng)過后的平臺(tái)所遮擋。如果鏡頭主光軸和水平地面夾角過小，則拍攝的物體將 會(huì)有較大失真，使得采樣不夠精確；如果鏡頭主光軸與水平地面夾角過大，則在平臺(tái)運(yùn)動(dòng) 的過程中就會(huì)過早遮擋住采樣相機(jī)，使得采樣不完全。2、設(shè)備工作方法，即物體表觀采集方法
如圖4中的流程圖所示，釆集物體表觀主要分為采集表面反射屬性和采集表面透射屬 性兩個(gè)過程。
采集雙向反射分布函數(shù)的過程和原理如下我們將被采樣物體放到兩側(cè)平臺(tái)道軌之間 的采樣區(qū)域內(nèi)，將線性白色光源位置放置于平臺(tái)的最上端(即最遠(yuǎn)離采樣相機(jī)的位置)，
相對(duì)位置橫切面圖如圖2所示。相機(jī)放置在平臺(tái)最下側(cè)遠(yuǎn)離平臺(tái)，相機(jī)以55度到35度傾 斜的入射角拍攝圖像，來對(duì)平臺(tái)上的被測量物體進(jìn)行采樣。
在對(duì)于物體的定標(biāo)，即確定被測物體位置完成之后，固定被采樣物體，如圖5所示， 當(dāng)采集開始的時(shí)候，移動(dòng)平臺(tái)承載著線性光源，整體以一定的速度向相機(jī)方向移動(dòng)，直至 線性光源對(duì)于物體上第一排被采樣點(diǎn)的入射角等于出射角，這個(gè)時(shí)候，是被采樣點(diǎn)鏡面反 射分量最大的一個(gè)波峰，這個(gè)波峰的位置就是入射角等于出射角的反射強(qiáng)度最大位置，如 圖6 (a) 、 6 (b) 、 6 (c)、圖7中偏左側(cè)的豎線即為這個(gè)位置的定標(biāo)后位置。鏡面反射 波峰之前的運(yùn)動(dòng)就是入射角度逐漸變小的過程。隨著平臺(tái)和線性光源向相機(jī)方向繼續(xù)移 動(dòng)，當(dāng)線性光源達(dá)到物體正上方的時(shí)候，此時(shí)，對(duì)于漫反射分量來說，漫反射分量應(yīng)該最 大，對(duì)于光源處于這個(gè)入射位置的時(shí)候， 一般會(huì)采樣到漫反射最大的波峰，如圖6 (a)、 6 (b) 、 6 (c) 、 6 (d)、圖7中右側(cè)豎線所示，這個(gè)位置記錄為每個(gè)被采樣點(diǎn)的漫反射 波峰，同時(shí)也是線性光源位于物體的被采樣點(diǎn)正上方時(shí)候。漫反射波峰和鏡面反射波峰就 是對(duì)于線性光源和物體相對(duì)位置的定標(biāo)點(diǎn)。同理，對(duì)于被采樣物體上的任意一個(gè)采樣點(diǎn)， 由于平臺(tái)光源位置、相機(jī)位置和被采樣物體的相對(duì)位置關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，我們可以知道第 一個(gè)遇到的波峰是鏡面反射波峰，第二個(gè)遇到的波峰是漫反射波峰。在這個(gè)被采樣點(diǎn)的整 個(gè)出射光亮度序列中，都能通過上面的分析方式獲得這兩個(gè)波峰的位置。
對(duì)于任意一個(gè)被測量的物體，由于平臺(tái)距離被采樣物體的高度、運(yùn)動(dòng)速度以及物體的 大小和擺放位置都是固定且可以測量得到的，因此，由一個(gè)較典型的采樣點(diǎn)，我們就能獲 得整個(gè)采樣過程中其他采樣點(diǎn)和光源在采集過程中的相對(duì)位置關(guān)系。比如，由于我們的光 源是橫向的線性光源，同一橫排的采樣點(diǎn)的兩個(gè)波峰應(yīng)該位置相同，而對(duì)于沿著平臺(tái)運(yùn)動(dòng) 方向縱向的采樣點(diǎn)與采樣點(diǎn)，他們各自的兩個(gè)波峰之間的相對(duì)距離應(yīng)該不變，只是沿著平 臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行了一段平移。對(duì)于一個(gè)被采樣物體采樣到的圖像序列，我們只要確定序列 中一個(gè)較典型的像素點(diǎn)在采集中對(duì)于光源的相對(duì)位置(也就是確定鏡面反射波峰和漫反射
波峰的位置)，就可以由此去確定整個(gè)物體上任意一個(gè)位置采樣點(diǎn)的相應(yīng)情況。在對(duì)兩個(gè)波峰定標(biāo)之后，由于我們知道波峰處的入射角度、出射角度、平臺(tái)距離采樣物體的高度， 因此我們可以得到采樣序列中每個(gè)位置光線的入射《和出射角度《。
對(duì)于采樣原理和數(shù)據(jù)的分析，在下一節(jié)中會(huì)詳細(xì)說明。
通過之前所提到的移動(dòng)平臺(tái)可調(diào)型直流變壓器，可以控制平臺(tái)用不同的時(shí)間完成全部 行程的移動(dòng)，時(shí)間可以在3分鐘到24分鐘之間。同時(shí)用軟件控制相機(jī)不同的拍攝速度， 5fps 0.1fps，可以控制雙向反射分布函數(shù)的采樣精度。
采集雙向透射分布函數(shù)的過程如下對(duì)于雙向透射分布函數(shù)BTDF (Bidirectional Translucency DiffUse Function)的釆集，需要固定被采樣物體，打開在物體下方的白光背光 板，移除線性光源和平臺(tái)，并同時(shí)關(guān)閉線性光源。相機(jī)拍攝一張圖像來記錄物體的雙向透 射分布函數(shù)，然后拍攝一張去除采樣物體后的均勻面光源光強(qiáng)度圖像，這張圖在后面的分 析過程中經(jīng)過簡單的計(jì)算，即可以得到表示被采樣物體的雙向投射分布函數(shù)BTDF的數(shù)據(jù) 圖。對(duì)于絕大部分比較薄的被測量物體，由于物體的厚度一般小于一個(gè)像素，因此我們可 以假設(shè)物體內(nèi)部比較復(fù)雜的光學(xué)透射傳播現(xiàn)象可以由相對(duì)簡單的各向同性的雙向透射分 布函數(shù)描述。
如圖4的流程圖中所示，在獲得了物體的雙向反射分布函數(shù)和雙向透射分布函數(shù)之后， 就合成得到了包含反射與透射屬性的物體表觀信息。
3、被采集數(shù)據(jù)的分析方法
在雙向反射分布函數(shù)的采集過程中，由于采樣相機(jī)的位置是固定的，由采樣相機(jī)拍攝 的圖像序列Images Image2、 Image3……Imagen中，每個(gè)被采樣像素位置(x， y)都有一
個(gè)相對(duì)應(yīng)的像素序列I (x， y) 1、 I (x, y) 2、 I (x. y) 31 (x, y) no 這個(gè)像素序列就代表(x， y)
這個(gè)點(diǎn)在整個(gè)光源運(yùn)動(dòng)過程中，光源在不同位置入射光照下的(x， y)點(diǎn)反射情況，通過 對(duì)這個(gè)像素序列的分析，每個(gè)像素在每個(gè)被采樣時(shí)刻的不同入射光照情況下，都有其亮度 和顏色值，也就是前面提到的序列 I (x, y) 1、 I (x, y) 2、 I (x， y) 31 (x, y) n， 而這些采集到的
序列上的亮度和顏色值，也就是在光源變化過程中反射出射的情況，即在一定光照下的反
射值。將這個(gè)顏色序列在以時(shí)間軸為X軸，亮度為Y周的二維坐標(biāo)系中連接起來就可以得 到采樣過程中這個(gè)像素點(diǎn)的亮度曲線，如圖6、圖7中，我們描述了如何對(duì)某個(gè)像素點(diǎn)的 亮度曲線進(jìn)行分析的過程，曲線所在的平面坐標(biāo)系中，Y軸縱坐標(biāo)為亮度L表示被采樣點(diǎn) 的各個(gè)顏色分量的亮度，X軸橫坐標(biāo)為時(shí)間t，即表示采樣過程中隨著時(shí)間的推移和平臺(tái)移動(dòng)所帶來的光源入射情況變化下不同時(shí)刻所采集到的亮度。通過對(duì)(X, y)點(diǎn)在不同時(shí) 刻下采樣顏色和亮度連接而成的這條亮度變化曲線的分析，我們可以得到(X， y)點(diǎn)的雙 向反射分布函數(shù)。由此，對(duì)于整個(gè)圖像序列上每個(gè)位置進(jìn)行分析，可以得到整個(gè)被采樣物 體的全部位置的雙向反射分布函數(shù)圖。下面就以某一點(diǎn)的雙向反射分布函數(shù)分析過程為例 子，來進(jìn)行說明。
圖6中就是對(duì)某一點(diǎn)采樣到的，在不同入射角度下這一點(diǎn)像素的顏色值的分析。圖6 (a)就是對(duì)這一像素采集到的原始數(shù)據(jù)，對(duì)比圖5的采樣過程示意圖，可以看到隨著線性 光源從這一點(diǎn)上方移動(dòng)的過程中，隨著入射角度的變化，有明顯的兩個(gè)亮度波峰，第一個(gè) 是鏡面反射波峰，也就是線性光源的入射角等于出射角的時(shí)候，第二個(gè)是漫反射波峰，也 就是線性光源位于被采樣點(diǎn)正上方的時(shí)候。對(duì)于每個(gè)像素點(diǎn)處，提取雙向反射分布函數(shù)的 過程如下
1. 確定漫反射和鏡面反射的波峰，如圖6 (a)所示。
2. 由于漫反射的對(duì)稱性，我們將漫反射曲線平滑去噪，漫反射分量被平滑后的曲線如 圖6 (b)所示。分析并得到漫反射的分量。
3. 整個(gè)采集到的亮度曲線減去漫反射分量的部分，這樣剩下的就是圖6(c)所示中鏡 面反射的分量。
4. 最終，通過平滑和調(diào)整，得到如圖6 (d)所示結(jié)果，也就是被采樣點(diǎn)的鏡面反射 情況。通過分析鏡面反射曲線，可以得到這一點(diǎn)的鏡面反射光的顏色和亮度，即反
射光強(qiáng)度值/;。
5. 通過后面的Ward模型的方程和計(jì)算方法得到該點(diǎn)的雙向反射分布函數(shù),，計(jì)算方 法將在下面給出。
圖7是對(duì)不同材質(zhì)的物體進(jìn)行測量采集之后的數(shù)據(jù)曲線，可以很明顯的看出，對(duì)于一 些表面光滑的物體，其雙向反射分布函數(shù)中，鏡面反射的強(qiáng)度非常的大，而對(duì)于一些表面 粗糙的物體，其表面的漫反射強(qiáng)度則更大。而且不同物體由于自身顏色不同，其反射光的 RGB分量也不同。(對(duì)于某些被采樣物體，如樹葉，數(shù)據(jù)需要作特殊處理，因此RGB的 分量實(shí)際順序是BGR)(最后的一些非正常的高頻噪聲其實(shí)由于平臺(tái)最后從物體上方通過 之后對(duì)物體造成的遮擋，由于這些數(shù)據(jù)并不影響之前對(duì)于漫反射和鏡面反射的計(jì)算，因此 也不影響采樣和分析精度)
在數(shù)據(jù)采集和簡單的定標(biāo)分析之后，我們可以由我們得到的每個(gè)位置像素的鏡面反射 曲線和漫反射曲線開始雙向反射分布函數(shù)數(shù)據(jù)的分析，這里我們使用的模型是Ward在1992年提出的各項(xiàng)同性的Ward BRDF模型(參考WARD, G. J. 1992. Measuring and modeling anisotropic reflection. iVoceefifo 伊。/S/GGiL4尸//》2, 265.272.)。其公式如下
<formula>formula see original document page 12</formula>
在這個(gè)的公式中，對(duì)于入射角為(《A)，出射角為(《么)的光，會(huì)有如上的雙向反射分
布/;。我們的各項(xiàng)同性的線性模型中，由于只有一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)和角度變化，入射角和
出射角簡化為《和《。在上面的公式中，角度^是表面法向a與出入射角半向量《之間的 夾角，表面反射參數(shù)中a是漫反射分量，a是鏡面反射分量，"是鏡面反射粗糙度。當(dāng)
我們分析一點(diǎn)的BRDF時(shí)候，我們可以由前面采樣和測量過程中得到每個(gè)相應(yīng)位置處的入 射角&，《)、出射角&,《)、入射光強(qiáng)(默認(rèn)為純白色，最高亮度)、反射光強(qiáng)度值/,。 將這些參數(shù)帶入到上面的方程中，每個(gè)位置都會(huì)有一個(gè)方程。對(duì)于某一個(gè)像素點(diǎn)，將其在 不同時(shí)刻，即不同入射情況下的方程聯(lián)立起來，就會(huì)得到一個(gè)以A、 ^、 a為未知數(shù)的 線性方程組，求解這個(gè)線性方程組，就可以得到雙向反射分布函數(shù)的參數(shù)a、 a、 a的 值。由于采集到的數(shù)據(jù)是RGB數(shù)據(jù)，因此/^實(shí)際上是由(a^/^,^j組成，同理a也是
由(P,f，P,g,/^)組成。但對(duì)于絕大部分現(xiàn)實(shí)世界中的物體，除了金屬之外，由于微觀的光 學(xué)結(jié)構(gòu)，大部分采樣的鏡面反射分量都是RGB等同的，從我們的采樣結(jié)果中也可以看出 這個(gè)規(guī)律。
雙向透射分布函數(shù)BTDF的分析相對(duì)簡單，物體固定，只需要在均勻面光源開啟的時(shí) 候采集一張無采樣物體的均勻面光源光強(qiáng)度圖像和放置采樣物體之后的透射圖像即可以。 分析公式如下
<formula>formula see original document page 12</formula>，^即是沒有物體時(shí)候，均勻面光源的亮度，/^為放置采樣物體之后，均勻面光 源通過采樣物體透射之后的得到的光亮度。a,^所表示的就是透射屬性。通過對(duì)透射圖像 Image每一點(diǎn)Image(x,y)的分析，就能得到該位置的透射屬性，這里我們假定我們采集的物 體由于厚度相當(dāng)?shù)谋。潆p向透射分布函數(shù)是各項(xiàng)同性的。
最終將被采集物體的雙向反射分布函數(shù)和雙向透射分布函數(shù)放在一起，繪制時(shí)候需要表現(xiàn)反射的時(shí)候就讀取反射數(shù)據(jù)，需要表現(xiàn)透射的時(shí)候就讀取透射數(shù)據(jù)，這樣就可以得到 表達(dá)物體表面表觀的反射和透射屬性數(shù)據(jù)，用來在真實(shí)感圖形學(xué)應(yīng)用中繪制物體。繪制時(shí)， 使用ward模型進(jìn)行反射的繪制，使用各項(xiàng)同性的雙向透射分布函數(shù)模型進(jìn)行透射繪制。
我們對(duì)一些不同特性的物體進(jìn)行了表觀采樣，對(duì)于不同表面反射特性的被采樣物體， 控制其表面反射特性的參數(shù)就是A、 /9,、 《。同時(shí)我們在上面還提到了，我們也同時(shí)采
集了表達(dá)物體的透射屬性的雙向透射分布函數(shù)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)于一個(gè)典型的表面物體，如
葉子、紙張、織物等，描述其一側(cè)的其"反射+透射"表達(dá)式為(A,A，",A，,)。對(duì)于
一般的物體，加上Bump Map和Normal Map的表達(dá)式應(yīng)該是Od，/7s，"， 。如
果需要測量物體正反兩個(gè)面的反射屬性，如葉子，則需要一個(gè)7維向量表達(dá)式 (A,/7,，a，p,，,，A/，A，"),其中后三個(gè)維是用來表示葉子背面的反射屬性的分量。
由于采樣數(shù)據(jù)量非常龐大，大約對(duì)于每個(gè)面的樣本，在一般精度下，需要1000張左右 的3872x2592的Jpeg圖像，因此我們使用了 Intel的IPP庫來進(jìn)行圖像分析和處理。
權(quán)利要求1. 一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于包括光源移動(dòng)平臺(tái)、線性光源、均勻白色面光源、圖像采集相機(jī)和控制/數(shù)據(jù)接收單元；所述線性光源位于所述光源移動(dòng)平臺(tái)上，所述均勻白色面光源位于所述光源移動(dòng)平臺(tái)的采樣區(qū)域下方，所述圖像采集相機(jī)位于被采樣物體的后上方，用于接收來自所述被采樣物體的光，所述圖像采集相機(jī)與所述控制/數(shù)據(jù)接收單元通過數(shù)據(jù)線連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于所述光源移動(dòng)平臺(tái)包 括一減速齒輪系統(tǒng)，所述齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為通過級(jí)連方式串聯(lián)5個(gè)Z 40/32型變速齒輪 構(gòu)成，所述變速齒輪減速比例均為1:5。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于所述光源移動(dòng)平臺(tái)由 所述齒輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，所述線性光源位于所述光源移動(dòng)平臺(tái)前端下側(cè)。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于所述線性光源包括一曰 光燈和一燈罩，所述燈罩包圍所述日光燈且在所述燈罩下側(cè)開一狹長縫隙。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于所述燈罩為黑色。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于所述白色面光源包括一 液晶背光板和兩組白光發(fā)光二極管光源，所述兩組白光發(fā)光二極管光源分別位于所述 液晶背光板兩側(cè)向其內(nèi)側(cè)發(fā)光。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種物體表面表觀采集設(shè)備，其特征在于所述液晶背光板上放置 一半透光薄膜。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種物體表面表觀采集設(shè)備，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中物體數(shù)據(jù)采樣和三維建模領(lǐng)域。本實(shí)用新型的設(shè)備包括光源移動(dòng)平臺(tái)、線性光源、均勻白色面光源、圖像采集相機(jī)和控制/數(shù)據(jù)接收單元；通過采集的反射圖像序列和雙向透射分布函數(shù)的圖像和均勻白色面光源強(qiáng)度的圖像，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到物體的雙向反射分布函數(shù)BRDF數(shù)據(jù)和雙向透射分布函數(shù)BTDF數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型設(shè)備成本低廉且精度高，而且能夠同時(shí)采集物體表面的雙向反射分布函數(shù)BRDF和雙向透射分布函數(shù)BTDF，具有采集速度快、數(shù)據(jù)密度大。
文檔編號(hào)G03B42/08GK201226077SQ200820079448
公開日2009年4月22日 申請日期2008年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者劉學(xué)慧, 吳恩華, 猛 楊, 遲小羽 申請人:中國科學(xué)院軟件研究所