室外場景的光照分析研究.pdf

1、增強現(xiàn)實是近二十年來信息領域中迅速興起的一種技術(shù)。增強現(xiàn)實技術(shù)將計算機生成的景物實時地疊加到一個真實場景的畫面中，通過將真實信息和虛擬信息互相融合，創(chuàng)造出一個和諧統(tǒng)一的環(huán)境。由于具有對真實環(huán)境進行增強顯示的特性，增強現(xiàn)實技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護、醫(yī)療手術(shù)規(guī)劃、軍事訓練等領域都具有獨特的優(yōu)勢。但是，迄今為止，增強現(xiàn)實技術(shù)中仍有大量的問題尚未解決。其中，實時重構(gòu)室外場景的光照條件用于虛擬物體的繪制，實現(xiàn)虛擬物體與真實場景的光照一致性對室外場景虛實

2、融合的真實感具有十分重要的作用。
　　 室外光照估計也是計算機視覺的研究課題之一，變化的室外光照往往導致陰影檢測、物體識別、視頻跟蹤等算法的不穩(wěn)定。實時地求解出室外場景視頻中每一幀的光照條件，然后將光照進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。如何在場景三維模型未知的條件下實時地估計在線視頻的光照條件對計算機視覺和計算機圖形學都具有十分重要的意義。
　　 本文圍繞固定視點下室外場景視頻序列的實時光照估計

3、展開研究，針對現(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和創(chuàng)新如下：
　　 ·首次給出了室外場景圖像的統(tǒng)計參數(shù)與場景光照參數(shù)之間的解析表達式。在假定太陽光為平行光，天空光為泛光的條件下，從基本的光照明模型出發(fā)，推導出了場景圖像的方差和均值與場景的太陽光和天空光入射光強之間互為表達的解析表達式，揭示了圖像的統(tǒng)計屬性與場景光照之間的關系，為研究場景的光照條件提供了新的思路和途徑。
　　 ·基于圖像的統(tǒng)計參數(shù)與

4、光照參數(shù)之間的解析表達式，提出了一個估計室外場景光照的框架。該框架在離線階段通過學習建立解析表達式，在在線光照估計階段，根據(jù)建立好的解析表達式，利用圖像的統(tǒng)計參數(shù)實時地計算出場景的太陽光和天空光入射光強。為了對動態(tài)場景取得穩(wěn)定的光照估計結(jié)果，進一步提出了一種基于光照的空間連貫性和時間連貫性對已求的光照參數(shù)進行光順的方法，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，提出了一個基于圖像分解的室外場景光照估

5、計框架。首先將一幅室外場景的圖像表示成太陽光基圖像和天空光基圖像的線性組合，其中組合系數(shù)是所要求解的太陽光和天空光入射光強，太陽光和天空光基圖像則分別表示了場景的幾何、材質(zhì)的乘積。在離線階段通過學習求解出采樣太陽位置下的太陽光和天空光基圖像。在在線階段通過對采樣太陽位置處場景的太陽光基圖像進行更新，實時求解視頻中每一幀的太陽光和天空光入射光強。
　　 ·提出了一種無需離線學習的室外場景光照估計方法。首先使用上述圖像分解模型，將圖

6、像表示成太陽光和天空光基圖像的線性組合。然后，通過對太陽光基圖像的特點進行分析，將太陽光和天空光入射光強的求解歸結(jié)為一個可實時求解的能量最小化問題。該方法對場景的材質(zhì)無要求，允許場景中存在具有復雜材質(zhì)屬性的物體。除了增強現(xiàn)實，該方法可廣泛應用于一般的在線視頻處理，如陰影檢測、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室外光照的方法均不需要場景的三維幾何信息，因而避免了對大規(guī)模室外場景進行重建時面臨