基于Blinn模型的不透明物体反射属性建模技术

摘要

不透明物体表面材质反射属性的重建工作，是虚拟现实中重要的研究内容之一。对于物体的表面材质进行重建，可以提高物体的真实感，并且模拟出物体表面在不同光照下的明暗变化。基于真实感的建模在游戏，影视，文物数字化等领域得到了广泛的应用。
　　 现有不透明物体表面的材质采集一般是使用物理的方法进行，这种测量方法通过反射率测量计进行直接测量。测量的主要设备部件包括了测角仪，探测器，光源，及一套数据计算系统。传统的测量设备价格昂贵，测量的步骤也非常繁杂。本文实现了一套物体表面材质的计算系统，该系统使用三维结构光扫描仪扫描获得的模型以及通过相机拍摄的图片集，计算出物体表面的材质信息。该系统的成本较低也较容易实现。有了物体表面的材质信息之后，本文实现了在新的光照条件下的物体效果展示。
　　 本文首先使用三维结构光扫描仪获得模型的三维点云，并进行面片化处理，并计算出表面法向量。本文为了采集物体材质信息，抛弃了有投影仪光源影响下获得的顶点颜色，而是使用纹理映射的方式获取表面颜色信息。本文使用相机拍摄在不同光照条件下物体的纹理照片集，并且使用钢球标定的方式对照片进行光源标定。基于纹理照片集，本文使用手动标定特征点的方式完成纹理的映射过程，并且使用并行加速的算法完成纹理的自遮挡区域剔除。
　　 接下来本文比较了各种双向反射分布函数(BRDF)模型的优劣，并选择Blinn光照模型来模拟物体反射属性。通过和转台标定模型高光点的方法做比较，本文提出了一种基于手动选择高光点的方法来计算物体表面材质属性。通过手动选择特征物体表面三维点和纹理图片二维点，重建出纹理图片的视点信息，结合拍摄纹理图片时的光源标定结果，使用带约束的非线性优化的计算方法计算出物体表面点的高光材质信息。然后使用了基于多幅纹理颜色的加权算法计算出物体表面每个点的漫反射材质信息。
　　 最后结合物体表面的材质属性信息，在新的光源，新的视点下，通过光源以及物体表面的遮挡判断，渲染出在新光源下物体的重光照展示效果。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 本文工作

1．3 本文结构

第2章 物体表面材质重建技术综述

2．1 三维物体形态反向建模技术

2．1．1 三维形态获取技术

2．1．2 纹理映射技术

2．1．3 坐标变换

2．2 三维物体材质反向建模技术

2．2．1 双向反射率函数BRDF

2．2．2 常见BRDF模型表达综述

2．2．3 双向纹理函数BTF

2．3 本章小结

第3章 物体三维几何及颜色信息获取

3．1 深度图像的获取

3．2 纹理获得

3．2．1 特征点映射

3．2．2 辅助映射

3．2．3 光源标定

3．2．4 自遮挡判断

3．3 本章小结

第4章 物体表面材质重建技术

4．1 光照材质选取

4．2 材质计算

4．2．1 视点计算

4．2．2 计算高光参数

4．2．3 计算漫反射参数

4．2．4 重光照展示

4．3 本章小结

第5章 系统实现

5．1 物体表面材质计算系统的开发

5．1．1 开发环境

5．1．2 系统设计

5．1．3 系统使用方法

5．2 实验结果

第6章 总结与展望

6．1 主要工作总结

6．2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果

致谢