基于近場照明的光度立體視覺算法研究.pdf

1、光度立體視覺算法（Photometric stereo，簡稱PS算法）是三維掃描技術(shù)中一種重要研究方法，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的主要研究方向?；诠舛攘Ⅲw視覺算法的重建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可獲取高精度重建表面信息，為此受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛的關(guān)注與研究。物體表面光源信息及圖像亮度信息是影響光度立體視覺算法所得表面法向精度的重要因素。在結(jié)構(gòu)緊湊，光源工作空間有限的重建系統(tǒng)中，光線空間分布較為復(fù)雜，使得物體表面各點(diǎn)光源信息獲取變得十分

2、困難。除此之外，用于求解表面法向的圖像信息通常為滿足某種光源模型假設(shè)的亮度分布，這與實(shí)際獲取的圖像亮度分布存在一定差距。以上因素導(dǎo)致求得的物體表面法向方向存在一定誤差。為實(shí)現(xiàn)在近場光源照明條件下得到接近真實(shí)表面深度信息的重建結(jié)果，本文對光源信息獲取及圖像亮度校正過程進(jìn)行了深入而細(xì)致地研究，提出了一系列有效的創(chuàng)新與改進(jìn)算法。
　　本文首先對光度立體視覺算法的研究內(nèi)容，研究趨勢以及成果和應(yīng)用進(jìn)行了詳解介紹。并針對當(dāng)前研究的難點(diǎn)問題，確

3、定了本文主要研究內(nèi)容。
　　本文詳細(xì)論述了光度立體視覺算法的實(shí)現(xiàn)過程，作為驗(yàn)證算法的軟件及硬件平臺基礎(chǔ)，對重建系統(tǒng)及標(biāo)定過程進(jìn)行了詳細(xì)描述。
　　在光度立體視覺算法中，光照模型不僅用于求解法向信息，同時(shí)可用于光源信息標(biāo)定，光照模型對物體表面特性描述的準(zhǔn)確程度，對光源信息標(biāo)定精度有著十分重要的影響。為此，本文基于光度學(xué)及輻射度學(xué)概念推導(dǎo)得出了一般性光照模型，結(jié)合光源光學(xué)和結(jié)構(gòu)特性提出了基于光源特性的雙朗伯光照模型。通過實(shí)驗(yàn)對比

4、表明，所提模型較朗伯模型更接近真實(shí)物體表面反射特性。
　　本文稱將光源抽象為具有某種形狀幾何體的泛光源的標(biāo)定算法為理想光源標(biāo)定。理想光源根據(jù)位置和形狀的不同，主要分為無窮遠(yuǎn)點(diǎn)光源，近點(diǎn)光源及面光源。針對近場照明系統(tǒng)應(yīng)用，本文比較了不同光源模型對重建結(jié)果的影響，為選取合適的光源模型提供了理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。對現(xiàn)有基于面光源的光度立體視覺算法進(jìn)行了擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了基于任意形狀面光源的重建算法。
　　現(xiàn)有的理想近點(diǎn)光源標(biāo)定方法單純依賴光線

5、空間幾何關(guān)系或既定的光照模型，忽略了特定光源發(fā)光特性的影響，導(dǎo)致配置在同一位置的不同特性光源的標(biāo)定結(jié)果有所差別。為此，基于雙朗伯光照模型，本文提出了三種基于光源特性的標(biāo)定算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提算法與現(xiàn)有算法相比，所獲光源信息更加準(zhǔn)確，并可有效改善重建結(jié)果。
　　光源標(biāo)定過程通常較為復(fù)雜，尤其對于利用圖像信息的模型擬合算法而言，標(biāo)定過程往往需要反復(fù)迭代優(yōu)化，這使得整個(gè)標(biāo)定過程變得十分耗時(shí)。另外，在標(biāo)定過程中由于各種因素的干擾，

6、標(biāo)定結(jié)果常具有不確定性。針對以上情況，本文提出了基于近點(diǎn)光源的快速標(biāo)定算法，僅利用光源所對應(yīng)的單一圖像即可完成光源位置的快速準(zhǔn)確估計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)證明，該算法既可實(shí)現(xiàn)光源標(biāo)定過程的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又具備較高的標(biāo)定精度。
　　由于光源制造工藝誤差，光學(xué)器件安裝、控制環(huán)節(jié)偏差，光學(xué)材料光譜響應(yīng)變化，以及光源篩選過程隨意性，導(dǎo)致重建系統(tǒng)中各光源強(qiáng)度空間分布存在一定差別，導(dǎo)致圖像亮度分布不一致，最終影響了重建結(jié)果的精度?，F(xiàn)有光源強(qiáng)度校正算法大都針