[发明专利]利用可控光源的光场采样及模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用可控光源对光场采样及模拟的方法，属于虚拟现实技术领域。

背景技术

建立光照模型，主要是根据光学物理的有关定律，采用计算机模拟自然界中的光照明的物理过程。传统的光照模型描述了光源的分布与性质以及物体表面的材质的反射特性，最后经过绘制公式的计算产生出虚拟的合成图像。

Adelson和Bergen在文章《Computational Models of Visual Processing》中提出用七维全光函数来描述整个场景的全部信息，他们认为整个世界就是一个充满了稠密光线的空间，每条光线带有不同的能量。全光函数就是定义了空间任意一点处，在任意时刻，任意波长下的光线。换句话说，场景本身就是全光函数，而图像就是通过摄像机获得这个七维函数的二维截面。全光函数中包含了场景中光照分布所有信息，后来的相关研究对这个七维函数进行了简化，提出了四维全光函数Light Field和Lumigraph模型，这一简化提取出了场景中影响光照分布的关键参数，具有更加实际应用价值。

基于图像的光照就是建立全光函数的基础之上建立的光照模型，目前建立的光照模型方法可以分为三类：一种是利用传统光照模型的方法；一种是利用基于图像的光照模型的方法；一种是无需光照模型的方法。

利用传统光照模型是最为直观的方法，且被广泛采用。该方法的核心思想是基于图像的建模技术，包括基于图像的几何建模、基于图像的光源建模、基于图像恢复BRDF属性，利用图像恢复整个场景，再采用传统的光照方法对场景进行渲染。由于基于图像的建模技术困难度比较大，光照真实度不强，很难用于高真实感场景渲染。

利用基于图像的光照模型方法，并不需要完全恢复场景的模型信息，而是利用了基于图像的光照模型，该模型是针对全光函数的一种变形函数，它定义了采样得到的已知全光函数到场景变化后所求的未知全光函数之间的变换关系。

总的来说，现有场景光照模拟方法存在着计算量大，真实感不强，不适合复杂光照环境下的实时计算，无法用于虚拟现实系统中的光照渲染。

发明内容

本发明的目的是解决光源时变场景的光照实时渲染问题，克服了现有的生成光照模型方法存在的计算复杂，不能实时根据光源变换信息模拟变化后的光场，为虚拟现实系统提供了一种高真实度的光照模拟方法。

为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是：设计一种可控光源装置，并提出一种利用可控光源对光场采样及模拟的方法，其具体步骤如下：

所述的一种可控光源装置的设计为：

该装置的框架为一个钢丝围成的近似球面的三角包围网格，网格中心固定有一个各向同性光强度可调的光源，通过在三角网格上安装黑色幕布控制光源的照射角度，整个球面网格安装在一个三维数控平移台上，通过平移台可以调整光源在三维空间中的位置。

所述的利用可控光源对光场采样及模拟的方法为：

(1)首先在实验场景中放置可控光源装置与光场采集设备，可控光源装置的位置有人工设置，然后对光场采集设备进行标定；

(2)将可控光源装置抽象为一个六维函数，控制该函数的每个参数进行线性变化，对环境光场进行密集采样，生成四维全光函数，建立光源属性与全光函数的映射关系。

所述步骤(2)将可控光源装置抽象为一个六维函数的过程为：

首先使用三维空间参数x，y，z表示光源的位置信息，使用二维球面角坐标θ表示光源的出射角度信息，使用λ表示光源中波长信息，该六维函数可以表示为：

上述函数详细描述了光源的出射光照分布信息。

所述步骤(2)建立光源属性与全光函数映射关系的过程为：

(2.1)通过密集采样获得四维全光函数

利用光场采集设备对场景的光照进行空间和角度的采样，采样得到一组不同位置的全景环境光照图像，再利用光场采样设备的标定信息拟合出四维的光场函数如下表示：

B＝g(s，t，u，v)

上述函数描述了场景中从位置u，v出发通过位置s，t的光照信息。

(2.2)可控光源参数到光场函数的映射

通过控制光源每个参数线性变化改变整个场景中光照的分布情况，采集该条件下四维光场函数，首先建立每个变化参数到出射光照分布的映射的映射，再建立出射光照分布到四维光场的映射I_s→B。

(3)利用全光函数空间和角度的连续性，恢复带有光源参数的高维全光函数为：

上述函数描述了引入光源参数的高维全光函数。