專利名稱：基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到觀測圖像或圖像序列中分析圖像的節(jié)本特征，并進行描述和解釋， 屬于圖像理解的范疇；具體涉及到計算機圖形學、計算機視覺和數字圖像處理等領域。
背景技術：
在基于圖象合成的圖像理解方法中，為了使虛擬物體看起來較為真實，就要求虛 擬物體表面的光照情況和陰影符合真實場景的現實情況，使人眼認為虛擬物體也受到與真 實世界相同的光源的照射。要使虛擬物體的光照效果與真實世界的情況盡量相似，主要需 要解決的問題就是光源追蹤問題，即主要需要求出點光源的位置或是平行光的向量。但由 于之前的光源定位方法無法在對圖像不進行干擾的情況下提取出光源參數，對圖像的特點 要求較高，所以顯得效率低下。目前的一些光源追蹤方法多數要在原三維場景中加入一些標定物體，如朗伯體球 和標定立方體、或金屬球等特殊物體，這種光源定位方式存在一些不足(1)對不知道三維 立體場景的照片無法進行光源定位。數碼相機采集的圖像，或者已知的圖片，遠離了采集場 景后，無法在三維場景中加入特殊物體，所以就無法得到光源參數。(2)對已經有特征物體 的圖像很難提取出特征信息。對于真實圖像，圖像中會有很多噪聲對圖像信息進行干擾，從 圖像中提取出需要的光源定位信息，是一件非常困難的事情。(3)以往的方法都是利用到圖 像的局部信息進行光源定位，對圖像的整體信息利用不足。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對目前流行的光源追蹤方法的不足，提出了一種 新的基于渲染的光源定位方法，它可以實現對單幅簡單圖像進行光源定位。為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種基于渲染的光源定位方法，具體包括以 下步驟
步驟一、讀取圖像采集設備所采集的源圖像；
步驟二、對所述源圖像進行預處理，提取并判別出當前灰度場景中圖像的三維特征； 步驟三、根據所述預處理得到的三維特征構建所述源圖像的三維立體模型； 步驟四、在所述三維立體模型上設定某個點作為光源中心；
步驟五、利用渲染軟件，在所述三維立體模型上設定一個相對光源中心一定距離的模 擬光源，對具有該模擬光源的所述三維立體模型進行圖像渲染，得到一個包括模擬光源信 息的渲染圖像；
步驟六、將模擬光源相對光源中心在三維空間內移動一個步進值，即，得到具有另一空 間參數的新的模擬光源，然后利用渲染軟件，對具有新的模擬光源的所述三維立體模型進 行圖像渲染，得到另一個包括模擬光源信息的渲染圖像；
步驟七、重復步驟六，直到模擬光源的步進次數達到最大步進次數，得到若干個包括不 同模擬光源信息的渲染圖像；步驟八、將所述若干個包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別與所述源圖像對比，得 到若干個相關度系數；
步驟九、找出相關度系數最大的渲染圖像所對應的模擬光源即被認為真實光源，該模 擬光源信息所對應的光源空間參數即真實光源位置。作為優(yōu)化，在所述步驟一中，將所述源圖像以灰度矩陣方式存儲。同樣優(yōu)化的，在所述步驟八，將所述若干個包括不同模擬光源信息的渲染圖像分 別與所述源圖像對比之前，將所述源圖像和包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別轉換為 灰度圖像。更加優(yōu)化的，在所述將所述若干個包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別與所述 源圖像對比之前，將已經為灰度圖像的源圖像和若干個渲染圖像分別進行灰度分級處理。采用本發(fā)明，通過該方法能夠對簡單真實圖像進行單點光源的定位，對于單點光 源照射形成的圖像，通過渲染技術產生出渲染圖像，然后通過與真實圖像的比較，得到最佳 的光源參數?？朔爽F有光源定位方法必須對圖像進行干擾或者對圖像元素要求較高的限 制。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術方案作進一步具體說明。圖1是基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法的結構框圖。圖2是平面和乒乓球組成的輸入源圖像。圖3是渲染軟件中進行三維建模后的場景。圖4是渲染軟件生成的光源位置在球右方的渲染圖像。圖5是渲染軟件生成的光源位置在球左方的渲染圖像。圖6是渲染軟件生成的光源位置在球后方的渲染圖像。圖7是渲染軟件生成的光源位置在球前方的渲染圖像。圖8是進行多次比對后生成的比對矩陣的圖像。
具體實施例方式如圖1為基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法的流程圖。步驟開始，
步驟01 讀取圖像采集設備如CCD相機所采集的RGB源圖像，并將源圖像以灰度矩陣 方式存儲；
步驟02、對源圖像進行預處理，提取并判別出當前灰度場景中圖像的三維特征；即通 過圖像理解，在源圖像中得到拍攝場景的三維物體的形狀和攝像機參數信息，以便后續(xù)在 渲染軟件中建立相應的三維拍攝場景。步驟03、根據預處理得到的三維特征，利用渲染軟件構建源圖像的三維立體模 型；
步驟04、在三維立體模型上設定某個點作為光源中心。因為物體是接受光照的，所以光 源位置一定在平面以上的可以反射光源的區(qū)域，所以可以通過先驗知識設定某一個點作為 光源中心位置，以及光源遍歷移動的大致范圍。光源中心位置一般設在源圖像中心。光源中心可采用多種坐標方式，如球坐標系(r，θ, φ)或直角坐標系(x，y，z)。步驟05、利用渲染軟件，在三維立體模型上設定一個相對光源中心一定距離的模 擬光源，如直角坐標系下的(1，1，1)，對具有該模擬光源的三維立體模型進行圖像渲染，得 到一個包括模擬光源信息的渲染圖像；模擬光源的位置信息與光源中心采用同一坐標系。步驟06、將模擬光源相對光源中心在三維空間內移動一個步進值，則得到具有另 一位置參數的新的模擬光源，如直角坐標系下的0，1，1)；然后利用渲染軟件，對具有新的 模擬光源的三維立體模型進行圖像渲染，得到另一個包括模擬光源信息的渲染圖像；
步驟07、判斷模擬光源的步進次數達到最大步進次數？如果否，則重復步驟06，如果 是，進入步驟08 ；
步驟08、將源圖像和得到的若干個渲染圖像分別進行灰度分級處理，得到若干個灰度 矩陣，然后，將若干個渲染圖像的灰度矩陣分別與源圖像的灰度矩陣對比，在本實施例中是 采用的灰度矩陣求相關的方法，可以避免亮度對灰度矩陣的影響，從而得到若干個相關度 系數，將這個相關系數對應的光源位置參數存儲在光源位置矩陣中。圖像比對中，包括了灰 度相關比對，圖像形狀參數比對，圖像偏心率比對、圖像球狀性比對、圖像圓形性比對等多 種比對方法。步驟09、在光源位置矩陣中求最大值，找出相關度系數最大的渲染圖像所對應的 模擬光源即被認為真實光源，該模擬光源信息所對應的光源空間參數即真實光源位置。因 為在其余參數一定的情況下，當光源位置最接近的相關系數最大。步驟結束。如圖2所示的平面和乒乓球組成的輸入源圖像。在得到的源圖像中，有簡單的物 體圓球和平面，則根據源圖像中的信息在渲染軟件中對三維物體進行建模，如圖3所示。但 是要生成渲染圖像還需要加入光源信息，光源信息主要由光源位置、顏色、強度組成。當三維物體場景模型建立后，加上適合的光源設置，就可以在渲染軟件中生成渲 染圖像，如圖4所示，以便于后面的圖像對比。然后對渲染圖像進行如源圖像一樣以灰度矩 陣的方式存儲，然后對兩個灰度矩陣進行相關比對，這樣會得到一個相關系數。移動光源位置，再對圖像進行渲染，則又得到一張渲染圖像，然后再對渲染圖像進 行如上所示的存儲比對，又得到一個相關系數。如此，將光源位置在空間中移動后得到一個 相關系數矩陣，如圖5、圖6、圖7所示。則相關系數最大的位置就是光源所在位置得出的相 關系數，如圖8所示，從而確定光源位置。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參 照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明 的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋 在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、讀取圖像采集設備所采集的源圖像；步驟二、對所述源圖像進行預處理，提取并判別出當前灰度場景中圖像的三維特征； 步驟三、根據所述預處理得到的三維特征構建所述源圖像的三維立體模型； 步驟四、在所述三維立體模型上設定某個點作為光源中心；步驟五、利用渲染軟件，在所述三維立體模型上設定一個相對光源中心一定距離的模 擬光源，對具有該模擬光源的所述三維立體模型進行圖像渲染，得到一個包括模擬光源信 息的渲染圖像；步驟六、將模擬光源相對光源中心在三維空間內移動一個步進值，即，得到具有另一空 間參數的新的模擬光源，然后利用渲染軟件，對具有新的模擬光源的所述三維立體模型進 行圖像渲染，得到另一個包括模擬光源信息的渲染圖像；步驟七、重復步驟六，直到模擬光源的步進次數達到最大步進次數，得到若干個包括不 同模擬光源信息的渲染圖像；步驟八、將所述若干個包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別與所述源圖像對比，得 到若干個相關度系數；步驟九、找出相關度系數最大的渲染圖像所對應的模擬光源即被認為真實光源，該模 擬光源信息所對應的光源空間參數即真實光源位置。
2.根據權利要求1所述的基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法，其主要特征在于， 在所述步驟一中，將所述源圖像以灰度矩陣方式存儲。
3.根據權利要求1所述的基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法，其主要特征在于， 在所述步驟八，將所述若干個包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別與所述源圖像對比之 前，將所述源圖像和包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別轉換為灰度圖像。
4.根據權利要求2或3所述的基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法，其主要特征在 于，在所述將所述若干個包括不同模擬光源信息的渲染圖像分別與所述源圖像對比之前， 將已經為灰度圖像的源圖像和若干個渲染圖像分別進行灰度分級處理。
全文摘要
本發(fā)明為一種基于渲染的單幅圖像單點光源定位方法。所述方法包括源圖像讀取、源圖像預處理、三維模型建立、圖像渲染、圖像比對和參數確定等多個步驟，通過正向試根的方式得到光源位置參數，通過觀測的函數極值得到光源位置。通過該方法能夠對簡單真實圖像進行單點光源的定位，對于單點光源照射形成的圖像，克服了現有光源定位方法必須對圖像進行干擾或者對圖像元素要求較高的限制。本方法還具有定位準確，可擴展性強的優(yōu)點。
文檔編號G06T15/50GK102147931SQ201110070348
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者羅霄凌, 胡海, 黃本雄 申請人:華中科技大學