基于三维阴影与背景融合的增强现实光照一致性技术研究

摘要

在多媒体技术领域，增强现实技术已经成为国内外发展最快，受关注程度最高的关键技术之一，而其中的光照一致性技术更是越来越成为研究热点。近几年来增强现实技术在娱乐、展示、军事方面有一些应用，但尚处于发展阶段，尤其是虚实场景在视觉效果上还达不到很好的统一。因此，研究增强现实光照一致性，解决虚实场景的视觉一致性问题很有必要。
　　 本文在总结增强现实光照一致性技术的国内外研究现状基础上，分析了该技术领域存在的主要问题，针对光照一致性的逆向光照恢复和阴影生成算法进行了重点研究。
　　 第一，针对现有基于光照模型的增强现实逆向光源检测算法要求校准物体的表面是纯漫反射体且检测出的位置误差较大，提出一种引入投影阴影三维形状特征及镜面反射分量的两步光源检测算法。算法分为光源位置和强度检测两个部分，在光源位置已知的条件下引入带有镜面反射分量的Cook-Torrance模型检测强度，并采用随机采样分区、误差处理等机制。同时使用投影阴影三维形状特征代替平面阴影的角点特征，然后利用光线跟踪检测光照位置。实验表明该算法检测光源位置更加准确，检测光强有效，较好地解决了点光源位置检测不准确和受校准物材质限制问题。
　　 第二，针对现有增强现实应用中阴影生成算法绘制软阴影的真实性不足，提出一种自适应采样与背景融合的阴影生成算法。首先结合考虑遮挡的平面阴影算法计算虚拟对象投影阴影的空间位置分布。其次，改进膨胀腐蚀算法中软阴影的生成过程，提出一种依据近似点光源的形状类型进行自适应采样，从而获取假想点光源集合的软阴影绘制方法。最后，针对基于膨胀腐蚀算法使用阴影灰度图方法造成阴影的颜色被限制在单通道上，提出基于多通道与背景融合的方法。实验结果表明该算法计算软阴影的颜色更加合理，软阴影的绘制方法更为有效，提高了阴影生成算法绘制软阴影的真实性。
　　 第三，通过使用增强现实的三维注册及光照一致性技术，实现了一个基于标识与光照技术的增强现实原型系统。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景及意义

1．3 增强现实的关键技术

1．4 国内外研究现状及分析

1．4．1 光照参数恢复技术研究现状及分析

1．4．2 增强现实虚拟阴影生成技术现状及分析

1．5 论文主要工作

1．6 论文组织结构

第二章 增强现实光照一致性理论基础

2．1 引言

2．2 光源检测算法基本理论

2．2．1 光照模型介绍

2．2．2 光源检测算法介绍

2．3 阴影生成算法基本理论

2．3．1 硬阴影和软阴影

2．3．2 考虑遮挡的平面阴影生成算法

2．3．3 阴影体算法

2．3．4 基于图像空间的软阴影算法

2．4 本章小结

第三章 引入三维阴影及镜面反射的光源检测算法研究

3．1 引言

3．2 算法研究思路

3．3 引入三维阴影及镜面反射的两步方法描述

3．3．1 引入投影阴影三维形状特征的光源位置检测

3．3．2 引入镜面反射分量的光照强度检测

3．4 实验结果及对比分析

3．4．1 光源位置检测实验结果

3．4．2 光源位置检测实验分析

3．4．3 光源检测集成实验结果

3．4．4 光源检测集成实验分析

3．5 本章小结

第四章 基于自适应采样与背景融合的增强现实阴影生成算法研究

4．1 引言

4．2 本文阴影生成算法研究思路

4．3 自适应采样与背景融合的增强现实阴影生成算法描述

4．3．1 阴影位置分布

4．3．2 软阴影绘制

4．3．3 算法描述

4．4 实验结果及分析

4．4．1 阴影生成算法实验结果

4．4．1 阴影生成算法实验分析

4．5 本章小结

第五章 基于标识与光照技术的增强现实原型系统实现

5．1 引言

5．2 系统需求分析

5．2．1 运行要求

5．2．2 数据词典

5．2．3 功能需求

5．3 系统总体设计

5．3．1 系统架构设计

5．3．2 系统总体流程设计

5．3．3 系统功能模块图设计

5．4 系统详细设计

5．4．1 系统界面设计

5．4．2 系统各功能模块的详细设计

5．5 系统测试

5．5．1 系统各功能测试

5．5．2 集成测试

5．6 本章小结

第六章 总结及未来工作

6．1 论文工作总结

6．2 未来的工作

致谢

攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果

参考文献