用于增强现实的光照估计研究综述

增强现实技术将计算机生成的虚拟物体实时叠加到用户周围的真实场景中,虚拟物体与真实环境拥有一致的光照效果是该技术的难点之一.光照一致性研究包括光照估计、材质表面反射属性估计以及真实感渲染等内容,其中光照估计是光照一致性的先决条件,结合材质表面反射属性可以保证虚实物体一致的光照渲染效果.文中概述了增强现实中光照一致性研究的最新进展,通过分析现有技术的优缺点阐述了当前光照估计研究所面临的主要挑战,同时展望了该领域未来的发展方向.     

基于增强现实技术的景观规划系统

增强现实是把计算机产生的虚拟物体或其他信息合成到用户看到的真实世界中的一种技术，利用增强现实技术，设计人员能够有效地进行建筑布局的规划和设计，本文介绍了一个典型的增强现实系统-景观规划系统的实现，针对合成虚拟景物和真实场景过程中需要解决的几何一致性和光照一致性问题，采用了局部三维重建和交互的相机定标技术来实现几何一致性；对于光照一致性，则采用了光照交互指定和自动恢复相结合的方法，同时还考虑了虚拟物体投射的阴影，针对不同场景的实际应用，依据系统生成的结果合成图象，设计人员能够比较有效地完成对景观规划结果的直观评估。     

基于图像分解的光照估计算法

增强现实技术的目的在于将计算机生成的虚拟物体叠加到真实场景中.实现良好的虚实融合需要对场景光照进行估算,针对高光场景,利用场景中的不同反射光信息对场景进行有效的光照估计,首先通过基于像素聚类方法的图像分解对图像进行反射光的分解,得到漫反射图和镜面反射图,对漫反射图进行进一步的本征图像分解,得到反照率图和阴影图;之后结合...     

增强现实中的光照一致性研究

增强现实中的光照一致性是确保虚拟物体和真实场景很好融合的关键,它能使计算机模拟出的虚拟物体与真实场景相融合后显得更加真实。因此需要根据真实场景中光照分布情况,对虚拟物体做阴影处理,从而消除虚拟物体的飘浮感。针对动态场景中的高实时性要求,对现有的光照估计算法进行改进,并应用聚类算法对光源进行筛选,较好地解决了动态环境下虚实场景的光照一致性问题。实验结果表明,采用所提出的改进算法,能够得到逼真的阴影视觉效果,同时系统具有良好的实时性。     

基于能量优化的在线室外光照估计算法

为了保证增强现实中的光照一致性,提出一种基于能量优化的室外场景的实时光照估计算法.首先将室外场景图像表示成太阳光基图像和天空光基图像的线性组合;在此基础上,利用太阳光基图像的特点,将太阳光和天空光入射光强的求解归结为一个可实时求解的能量最小化问题.与现有算法相比,文中算法不需要离线学习,因而更适合于增强现实.     

户外增强现实的图像分割算法改进应用

传统图像识别过程多发生在环境较为稳定的室内场景中,而当前增强现实的发展趋向于对户外场景的应用,比如在旅游行业中对建筑、雕像等目标的识别.针对ARToolKit增强现实系统在户外自然场景下的图像分割过程因受到实时变化的光照、遮挡等因素的影响而出现错误分割导致增强现实效果难以实现的问题,提出一种基于直方图均衡化的改进GrabCut算法.采用直方图均衡化对图像非线性拉伸,提高图像对比度;对GrabCut算法的边界项函数进行均值化处理,减少边缘像素的错误分割,提高目标图像的边缘完整性,实现图像的准确分割.实验结果证明该方法在复杂现实场景中拥有较高的实时性和稳定性,改善了ARToolKit增强现实系统在户外场景中的处理性能.     

基于环境映照自动对齐的高质量虚实融合技术

要实现高品质的增强现实效果需要解决虚拟物体与现实场景的光照一致性问题.虽然采用HDR技术能获取场景的环境映照,但需要解决所获取的光照环境信息与真实场景的对齐问题.为此提出一种基于特征自动匹配的环境映照对齐方法.首先采用Affine-SIFT算法和随机抽样一致性算法对环境映照和拍摄场景进行特征匹配并优化匹配结果,然后利用基于运动推断结构的摄像机定标算法求得匹配对的三维位置,从而计算出环境映照与真实场景的对应关系,实现了二者的自动对齐.基于该技术搭建的高真实感实时虚实融合系统采用基于关键帧的相机跟踪技术,可以实时地将虚拟物体注册到拍摄的视频场景里,并允许对其进行实时的交互编辑.在渲染时有效地利用了自动对齐后的光照环境信息,采用重要性采样算法和阴影映射技术实现了实时的高质量渲染.实验结果表明,所搭建的增强现实系统很好地解决了实时虚实融合中的几何一致性和光照一致性问题.     

基于图像的光照模型的研究与实现

为了把计算机生成的虚拟物体更好地融入真实场景的实拍照片中，实现光照一致性的效果，提出了一个基于图像的光照模型，它使用光测图作为光源从而实现对场景的照明。在研究基于图像的局部光照模型时，又提出了双向折射率分布函数这一概念，从而简化了局部光照模型的设计。在实现阶段，采用立方体环境映照来表示场景，采用光测图记录环境映照中光辐射的分布信息，从而提高了绘制效率。实验表明，本模型较成功地实现了光照一致性，在增强现实、图像合成等方面具有很大的应用价值。     

基于光照叠加的颜色恒常计算方法

颜色恒常性是人类视觉系统对外界视觉刺激中色彩感知的一种心理倾向,人类视觉的这种认知功能能够自适应地忽略外界光照变化,具有稳定的颜色感知能力.受到人类视觉系统对颜色感知的启发,针对如何有效消除外界光照对成像质量的影响,还原物理场景真实颜色并提供稳定的颜色特征这一问题,文中提出了一种基于光照叠加的颜色恒常计算方法,旨在有效消除外界光照的光谱成分变化对物体颜色的影响.首先,提出了MAX-MEAN方法对场景中的光照进行估计(简称MM估计),即通过场景中所有物体表面的平均反射和最大反射来估计场景中的光照;然后,基于MM估计提出了光照叠加的颜色恒常计算方法,得到最终的无色偏图像,并在公开的数据集SFU Gray-ball上包含11346幅室内室外场景图像进行仿真验证.实验结果表明,文中提出的光照叠加颜色恒常计算方法能够有效地估计光照信息并实现无色偏图像的计算.     

基于高动态范围图像中光晕分析的光照方向测算算法

针对增强现实(AR)系统中复杂场景的光照一致性问题,运用高动态范围(HDR)图像处理技术对标识物图像进行分析,提出一种基于HDR图像中光晕分析的光照方向测算算法。为了提高虚拟物体的沉浸感和真实性,在研究和分析现有的光照恢复算法的基础上,利用二次曲线对的投影不变性原理进行相机标定;为了获得更加详尽的光照信息,使用HDR技术对标识物图像进行处理,提高了测算精确度;参照Lambert光照模型对图像中的光照信息进行分析,将拍摄角度进行分类,实现了对传统测算光源方向算法的改进,可测算出位于摄影球反射范围外的部分光源的方向,扩大了测算范围。设计了针对单一点光源的视角1和视角2测算验证实验,并进行了分析。实验验证表明,所提方法简单易行,具有较强的鲁棒性,能够实现在标识物部分遮挡的情况下,测算出位于摄影球反射范围外部分光源的方向。