基于相机光源阵列模式的真实感材质测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多相机多光照系统，是一种基于相机光源阵列模式的真实感材质测量 装置及方法。
【背景技术】
[0002] 渲染技术是动漫电影制作的主要技术。当前的渲染技术主要有两种发展方 向，一种是追求真实的照片级图像质量的渲染；一种是追求特殊艺术效果的非真实渲染 (Non-Photorealistic Rendering, NPR)。真实感植染是目前大多三维作品追求的效果，研 宄要点主要集中在真实性。随着技术的发展，真实感渲染越来越倾向于测量真实感材质来 提高渲染质量。
[0003] 真实感材质的测量通过材质采集系统捕获真实世界的各种材质的信息，将这些信 息存储到双向纹理函数（Bidirectional Texture Function, BTF)函数中，建设基于测量的 BTF材质库。使用获得的BTF函数通过渲染引擎对三维模型进行渲染，使其能逼真地模拟现 实世界的物体和场景。
[0004]目前存在很多种真实感材质测量系统。波恩大学的Dome II系统是一种自动化，平 行化，鲁棒性强，快速且可移植的获得BTF的系统，该材质采集系统通过照相机和灯光阵既 可以进行平面材质采集也可以采集三维立体物体的材质，可靠性强，精确度高，在速度，质 量和合理的开销之间达到了平衡。设备整体造型为半径2米的半球状，半球内部在径向方 向上每隔7. 5度放置一个照相机，共11个相机，照相机旁放置4个投影仪，半球架上平行挂 置188个LED灯，半球中心位置放置旋转台，用以放置采样物体，旋转台每次转动15度。半 球圆顶的设计使得半球壁上放置的相机高度平行，使用这套设备，获得的BTF没有任何移 动的部分。所有相机同时拍照，平行地捕获所有视角方向物体表面的反射情况，不牺牲空间 分辨率。同时，旋转台载着物体每次转动15度，使相机能够全方位地捕捉材质的信息。由 于这种系统装置复杂，使用的相机数目和LED灯数量大，整个系统的造价比较高，只适于部 分资金充裕的大型研宄所研宄使用。
[0005] Gonioreflectometers真实感材质测量系统主要包括支架、相机、光源以及旋转工 作台。支架包括两个独立控制的机械臂，要求精度为±0.03°。其中一个机械臂有一个旋 转轴，绕z轴旋转，配合绕y轴旋转的采样台，实现半球面2自由度控制；另一个机械臂为两 个旋转轴，绕z，x轴旋转，实现半球面2自由度控制。在实际实现中，可以选择2自由度机 械臂控制光源或相机。光源要求稳定输出，近似平行光，目前普遍使用LED光源。一种方法 是由若干个（10个）LED组成一个大光源，光源亮度可控。这种系统装置比较简易，造价低， 但是由于相机机械臂的转动，会造成成像的不稳定，影响最终生成的BTF数据的准确度。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于相机光源阵列模式的 真实感材质测量装置及方法，该装置通过多角度光照、多角度拍摄图像来构建演算目标物 的各种光照特性；固定的相机机械臂使成像稳定，旋转的灯光机械臂大大减少了 LED灯的 数量，性价比较高。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0008] -种基于相机光源阵列模式的真实感材质测量装置，包括可旋转工作台，所述可 旋转工作台上固定材质采集平台、半圆弧相机固定臂和可旋转的半圆弧光源旋转臂；所述 相机固定臂上沿其半圆弧架设有多台相机，提供多角度拍摄，所述光源旋转臂上沿其半圆 弧架设有多个光源，提供多角度光照，相机和光源的布设形成阵列模式。
[0009] 所述可旋转工作台包括底座和可旋转台面，所述底座和可旋转台面之间通过连接 构件连接，所述连接构件上设有相机固定臂接口和光源旋转臂接口。
[0010] 所述材质采集平台固定在可旋转台面上，材质采集平台上固定待测量材质。
[0011] 所述可旋转台面及光源旋转臂接口与电机相连，电机与控制器连接，控制器与计 算机相连，计算机控制电机带动可旋转台面或光源旋转臂接口旋转，所述可旋转台面和光 源旋转臂接口 360度独立旋转，转动误差均不超过0. 05度。
[0012] 所述相机固定臂包括半圆弧臂和底部连杆，所述底部连杆连接半圆弧臂的两端， 所述底部连杆固定于相机固定臂接口。
[0013] 所述相机固定臂间隔7. 5度俯仰角预置相机固定位，为保证精度，拍摄中应在一 侧俯仰角15度，30度，45度，60度，75度，90度放置相机，其他位置可扩展。
[0014] 所述光源旋转臂包括半圆弧臂和底部连杆，所述底部连杆连接半圆弧臂的两端， 所述底部连杆固定于光源旋转臂接口。
[0015] 所述光源旋转臂能够绕工作台竖直轴旋转180度，旋转精度为0. 05度。
[0016] 所述光源旋转臂间隔7. 5度俯仰角预置光源固定位，为保证精度，拍摄中应在一 侧俯仰角15度，30度，45度，60度，75度，90度放置光源，其他位置可扩展。
[0017] 所述相机通过GigE接口与计算机连接，通过计算机测量系统指令控制每个相机 的拍摄，采集拍摄数据。
[0018] 所述光源连接LED光源控制器，光源控制器与计算机连接，通过计算机测量系统 指令控制每个光源的开关。
[0019] 所述装置的附件包括漫反射版、比色版、包含高光材质球的校准版。校准版用于相 机、光源位置校准，漫反射版及比色版用于光照辐照度校准。装置的附件位于可旋转工作台 面上。
[0020] 一种基于相机光源阵列模式的真实感材质测量装置的方法，包括以下步骤：
[0021] 步骤1:相机标定，获取相机的内部参数和外部参数，确定相机的方位；
[0022] 步骤2:光源标定，确定光源的位置；
[0023] 步骤3:辐照度标定，计算逆响应函数X、
[0024] 步骤4:材质测量与数据采集，利用主控计算机控制光源旋转臂旋转、工作台旋 转、LED光源开启次序、相机拍摄次序以及采集数据收集。
[0025] 步骤5:HDR处理，利用步骤3中求得的逆响应函数x'根据两幅同角度不同曝光 的图像，生成HDR图；
[0026] 步骤6:正投影校正，将拍摄图像调整为正视投影角度；
[0027] 步骤7: BTF生成，最后的BTF数据包括步骤1获得的相机的方位，步骤2获得的光 源的方位，以及步骤4采集到的图像经过步骤5与步骤6的处理后获得的最终图像。
[0028] 所述步骤1的具体步骤为：
[0029] 步骤1. 1:定义可旋转工作台中心为世界坐标原点，竖直方向为z轴，相机固定臂 的底部连杆为x轴；
[0030] 步骤1. 2:开启顶部光源，多台相机依次拍摄多幅图像，每张图像都能够直接求出 投影变换矩阵，利用至少三张光轴不平行的图像求出相机内参数；最后计算每张图像拍摄 时的相机外参数；
[0031] 步骤1. 3:通过求出的相机内参数，得到相机的畸变系数，计算畸变映射，从而矫 正畸变效应，矫正拍摄的图像；
[0032] 步骤1. 4:利用相机坐标系至世界坐标系的转化，将拍摄的棋盘格图像变换为正 投影下的图像，多幅图像通过特征点比对误差，其中，相机坐标系的原点为相机光心，X轴和 Y轴与成像平面坐标系的x轴和y轴平行，Z轴为相机的光轴，和图