[发明专利]一种基于光线逆追踪技术还原井下图像的方法

权利要求书

1.一种基于光线逆追踪技术还原井下图像的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：假设井下摄像仪为光源发射点，即视点，向井下场景中发射光线；

步骤二：记录所有光线与井下物体的所有交点，计算交点中距离视点最近的一个交点；

步骤三：根据光照、物体材质以及法向方向，计算步骤二中确定的最近一个交点处的反射光线光强或折射光线光强；

步骤四：计算光线在交点处被物体反射和折射后新产生光线的方向；

步骤五：对步骤四中新产生的光线进行跟踪，并判断第三次反射光线和/或折射光线是否入射到安全矿灯正前方的视平面上，如果是，则计算第三次反射光强和/或折射光强；否则返回步骤二重新确定最近交点，重复步骤三至步骤五；

步骤六：通过摄像仪CCD感光元件将步骤五中的光强转化为像素值，摄像仪发出的光线第三次反射和/或折射后的光线入射到视平面上，在视平面上成像；

步骤七：在最终呈现在视平面上的图像中，消除摄像仪发出的强光的像素值，得到消除强光源影响后的图像；具体如下：

第三次反射光线和/或折射光线照射在视平面上时，在视平面上的图像，可表示为下式：

P(x，y)＝R(x，y)·S(x，y)·L(x，y) (3)

其中，P(x，y)表示最终呈现在视平面上的图像，R(x，y)表示摄像仪没发出光时呈现在视平面上的图像，S(x，y)表示仅有摄像仪发出光时在视平面上的成像，L(x，y)表示环境光在视平面上的成像：

设I(x，y)＝R(x，y)·S(x，y) (4)

两边取对数得lnP(x，y)＝lnI(x，y)+lnL(x，y) (5)

环境光L(x，y)可通过P(x，y)和高斯函数G(x，y)的高斯核卷积表示如下：

L(x，y)＝P(x，y)*G(x，y) (6)

其中

C表示高斯环绕尺度，λ为一个尺度，由式(4)、(5)和(6)可得：

lnR(x，y)＝lnP(x，y)-ln(P(x，y)*G(x，y))-lnS(x，y)

令S′(x，y)＝e^lnR(x，y)

S′(x，y)为消除强光源影响后的图像。

2.根据权利要求1所述的一种基于光线逆追踪技术还原井下图像的方法，其特征在于，在步骤三中，计算步骤二中确定的最近一个交点处的反射光线光强或折射光线光强，方法如下：

通过公式(1)计算所述交点处的反射光线光强：

其中，I_r表示反射光线光强，I_aK_a表示环境光在交点处的影响值，I_i表示入射光光强，K_d表示镜面反射率系数，K_s表示漫反射率系数，R_d表示镜面反射率，R_s表示漫反射率，N、L、分别表示物体表面法向量、光线方向单位向量、立体角；

或者，通过公式(2)计算所述交点处的折射光线光强：

I_t＝(cosθ₂/cosθ₁)(I_i-I_r) (2)

其中，I_t表示折射光线光强，θ₁，θ₂为入射角和折射角。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光线逆追踪技术还原井下图像的方法，其特征在于，在步骤五中，对步骤四中新产生的光线进行跟踪，方法如下：

(1)如果光线不与任何物体相交，放弃追踪；如果交点在非透明物体上，则只计算反射光线的光强，如果交点在透明物体上，则需要计算反射光线的光强和折射光线的光强，跟踪初始光线反射或折射三次的光线；若初始光线反射或折射三次的光线射入安全矿灯正前方的视平面上，则计算它的光强；若未射入，放弃追踪，进入步骤(2)；

(2)如果该初始光线产生的所有的反射和折射光线都未射入安全矿灯正前方的视平面上，则确定初始光线与物体交点中距离视点第二个最近的交点，重复步骤(1)的步骤，如果第二个最近的交点不满足跟踪条件，依次对下一个最近的交点进行计算，直到找到的交点满足跟踪条件；所述跟踪条件是指如果交点在非透明物体上，则只计算反射光线的光强，如果交点在透明物体上，则需要计算反射光线的光强和折射光线的光强，跟踪反射或折射三次的光线；若反射或折射三次的光线射入安全矿灯正前方的视平面上，则计算它的光强。