基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射方法。該方法首先從相鄰二維彩色圖片中選取若干子區(qū)域，然后將相鄰彩色圖片間的子區(qū)域配對并計(jì)算每個(gè)子區(qū)域在各個(gè)邊界上的色調(diào)映射函數(shù)。針對每兩個(gè)相鄰彩色圖像選取了一個(gè)最優(yōu)色調(diào)映射函數(shù)對該圖像進(jìn)行色調(diào)映射，最后通過圖像平滑的方法對邊界上的色差進(jìn)一步減小。本發(fā)明通過圖像平滑結(jié)合色調(diào)映射的思想，同時(shí)考慮了物體的各個(gè)子區(qū)域的紋理特征，具有很好的魯棒性，可以有效消除三維模型紋理映射中產(chǎn)生的色差問題。
【專利說明】基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三維物體模型建模算法，尤其涉及一種基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維物體模型建模技術(shù)是指將客觀世界中的物體通過三維建模的方式得到虛擬的重建，是計(jì)算機(jī)視覺，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一，在醫(yī)用設(shè)備、數(shù)字娛樂、電子商務(wù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。其中，如何使重建的三維模型具有實(shí)際物體的紋理真實(shí)感，是目前三維物體模型建模中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]在三維物體模型的紋理映射算法中，經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，在1983年,Burt等人在《ACM Transactions on Graphics》(美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)圖形學(xué)匯刊)第4期第 2 卷第 217 到第 236 頁發(fā)表的論文“A Multiresolution Spline with Application toImage Mosaics”(圖像拼接中的多分辨率接縫技術(shù))中首先提出利用圖像平滑的思想來處理圖像拼接技術(shù)中產(chǎn)生的額外接縫問題。在此基礎(chǔ)上，Baumberg等人于2002年在《BritishMachine Vision Conference))(英國機(jī)器視覺大會(huì))第三卷第5頁到第14頁發(fā)表的論文“Blending Images for Texturing 3D Models”(三維模型紋理映射中的圖像平滑)中提出了一個(gè)在3DS0M (三維物體建模軟件)中使用的改進(jìn)的圖像平滑方法。但該方法只能在嚴(yán)格控制的光照條件下使用，應(yīng)用范圍有限。此外，在2007年，Lempitsky等人在《IEEEConference on Computer Vision and Pattern Recognition〉〉(IEEE 國際計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別會(huì)議)第I頁到第6頁發(fā)表的論文“Seamless Mosaicing of Image-Based TextureMaps”(基于圖像的紋理映射技術(shù)中的無縫拼接算法)中通過構(gòu)建出關(guān)于紋理邊界的特殊能量函數(shù)，利用馬爾可夫隨機(jī)場能量最優(yōu)化的框架解決紋理邊界縮減問題，在其所構(gòu)造的能量函數(shù)中，同時(shí)還提出了一種接縫補(bǔ)平法，通過對紋理圖像梯度空間的分析，建立了一個(gè)比較理想的梯度域模型，從而對圖像紋理進(jìn)行一定的補(bǔ)償，來彌補(bǔ)邊界處的接縫，但此項(xiàng)工作在重建實(shí)景物體時(shí)并沒有考慮到不同圖像之間可能存在明顯的色調(diào)差異，使得紋理映射結(jié)果中的接縫難以有效消除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的針對上述問題，提供一種基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法。本發(fā)明的算法首先通過多個(gè)區(qū)域的色調(diào)映射使得紋理映射后產(chǎn)生的額外的色調(diào)差別減小，然后通過圖像平滑的方法消除色差。該方法可以有效消除在三維物體模型建模中由于紋理映射所引入的接縫問題，從而使得到的三維模型具有真實(shí)物體的紋理特征。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，將一組彩色二維圖像的色彩信息映射到無顏色的三維物體模型，形成物體的彩色三維模型，特征是:具體步驟如下:
A:利用RGB-D攝像頭(帶深度信息彩色攝像頭)獲取實(shí)際物體的三維模型以及對應(yīng)該物體的一系列二維彩色圖像，并建立三維模型網(wǎng)格和二維圖像像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，即紋理映射關(guān)系。
[0006]所述的紋理映射關(guān)系由下式得到:
P(^V1)=Color (pLj)
其中，PiV1)是紋理映射關(guān)系建立后三維模型中三角網(wǎng)格Vi對應(yīng)的顏色，pLJ是第L個(gè)二維彩色圖片中的第j個(gè)像素對應(yīng)的位置，而是象素的顏色。
[0007]B:對于兩個(gè)相鄰的二維彩色圖像(即彩色圖像在映射到三維模型上以后，在三維模型上有共同邊界)，首先在這兩張彩色圖像在相鄰邊界上各自選取M個(gè)代表性子區(qū)域，然后將這些來自兩個(gè)圖像的子區(qū)域按照位置相近關(guān)系兩兩配對形成M個(gè)區(qū)域?qū)?。對于每個(gè)區(qū)域?qū)?，用色調(diào)映射的方法計(jì)算出一個(gè)色調(diào)映射函數(shù)。這樣，相鄰彩色圖像之間產(chǎn)生M個(gè)色調(diào)映射函數(shù)。
[0008]所述的色調(diào)映射函數(shù)由下式計(jì)算:
【權(quán)利要求】
1.一種基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是該算 法的具體步驟如下: A:利用攝像頭獲取實(shí)際物體的三維模型以及對應(yīng)該物體的一系列二維彩色圖像，并建立三維模型網(wǎng)格和二維圖像像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，即紋理映射關(guān)系； B:對于兩個(gè)相鄰的二維彩色圖像，首先在這兩張彩色圖像在相鄰邊界上各自選取M個(gè)代表性子區(qū)域，然后將這些來自兩個(gè)圖像的子區(qū)域按照位置相近關(guān)系兩兩配對形成M個(gè)區(qū)域?qū)Γ粚τ诿總€(gè)區(qū)域?qū)?，用色調(diào)映射的方法計(jì)算出一個(gè)色調(diào)映射函數(shù)；這樣，相鄰彩色圖像之間產(chǎn)生M個(gè)色調(diào)映射函數(shù)； C:在步驟B得到的M個(gè)色調(diào)映射函數(shù)中選取一個(gè)最優(yōu)的色調(diào)映射函數(shù)，利用該最優(yōu)色調(diào)映射函數(shù)進(jìn)行色調(diào)映射； D:如果在步驟 A中，兩張不同彩色圖像都有像素點(diǎn)對應(yīng)到三維模型中的同一個(gè)三維網(wǎng)格，則利用圖像平滑的方法對相鄰彩色圖像交界的區(qū)域進(jìn)行色調(diào)平滑，從而得到三維網(wǎng)格對應(yīng)最優(yōu)的顏色； E:根據(jù)步驟A，C，D中得到的三維網(wǎng)格和像素顏色對應(yīng)關(guān)系，將像素顏色映射到三維網(wǎng)格上，從而生成最終的彩色的三維目標(biāo)模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是在步驟A中，所述的紋理映射關(guān)系，將通過以下過程得到: 首先，利用KinectFusion方法得到每一個(gè)二維彩色圖像在拍攝時(shí)所對應(yīng)的攝像頭在世界坐標(biāo)系中的位置； 其次，利用世界坐標(biāo)系關(guān)系，將三維模型網(wǎng)格依據(jù)幾何關(guān)系映射到每一個(gè)二維彩色圖像成像所在的平面，就可以得到三維模型上每一個(gè)三角網(wǎng)格和二維圖像像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是在步驟B中，所述的選取M個(gè)代表性子區(qū)域，可以通過沿著兩張圖像的交界邊界等間距地選取區(qū)域得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是在步驟B中，所述的按照位置相近關(guān)系兩兩配對形成M個(gè)子區(qū)域?qū)?，通過下面方式得到:即對于圖像L的每個(gè)子區(qū)域，尋找圖像K中離它最近的子區(qū)域作為其對應(yīng)的子區(qū)域；以此類推，可得到相鄰圖像L和K之間的M個(gè)子區(qū)域?qū)Α?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是在步驟B中，所述的色調(diào)映射函數(shù)可由求解下式得到:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是色調(diào)映射函數(shù)求解方法，對于RGB三個(gè)彩色通道，分別采用下面的方式求解得到各自的色調(diào)映射函數(shù):

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是在步驟C中，所述的最優(yōu)色調(diào)映射函數(shù)，由下式計(jì)算得到:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是在步驟D中，所述的 圖像平滑方法可由下式所示:
如果 (Ki) =Color ipLj) = Coloripκ),
則 P，(Vj) = a Color ipLj) + (1- a ) Color ipKq) 其中，P’ (Vi)是圖像平滑后三維模型中三角網(wǎng)格Vi對應(yīng)的顏色，pKq分別代表兩張不同的二維彩色圖像對應(yīng)到三角網(wǎng)格Vi的像素位置，而Color (pu)和Color(pK(1)為對應(yīng)點(diǎn)的顏色，a為權(quán)重系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是圖像平滑方法，所述的a權(quán)重系數(shù)可由下面方法計(jì)算: 首先計(jì)算兩張二維彩色圖像之間映射到三維模型上的交疊區(qū)域Y(L，K);當(dāng)三維網(wǎng)格Vi位于交疊區(qū)域Y(L，K)的中心時(shí)，a=0.5 ;當(dāng)Vi的位置位于交疊區(qū)域Y(L，K)靠近圖像L的邊界上時(shí)，0=1;當(dāng)\的位置位于交疊區(qū)域￥仏，1()靠近圖像K的邊界上時(shí)，a =0;類似的，在其他位置時(shí)，根據(jù)Vi距離交疊區(qū)域Y (L，K)中心和邊界的相對距離關(guān)系，決定a取值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于色調(diào)映射和圖像平滑的三維物體模型紋理映射算法，特征是攝像頭是帶深度信息彩色攝像頭；兩個(gè)相鄰的二維彩色圖像相鄰是指彩色圖像在映射到三維模型上以后，在三維模型上有共同邊界；兩張不同彩色圖像都有像素點(diǎn)對應(yīng)到三維模型中的同一個(gè)三維網(wǎng)格是指彩色圖像之間映射到三維模型上有交疊區(qū)域。
【文檔編號(hào)】G06T15/04GK103761766SQ201310725443
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】林巍峣, 陳遠(yuǎn)哲, 裘玉英, 周旭楚, 張?jiān)角? 申請人:浙江慧谷信息技術(shù)有限公司