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基于图像的点云模型建造及其在环境映射中的绘制

作　者: 安维华
导　师: 周秉锋
学　校: 北京大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 基于图像的建模和绘制基于点云的绘制环境映射基于图像的光照控制双向反射分布函数(BRDF) 硬件加速
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

当今,计算机图形学的一个重要应用是真实景物的建模和浏览,例如虚拟博物馆等方面。常用的以三维网格为基础的绘制方法很难达到这方面的应用需求。一方面,这种方法使用简单的参数模型来表达景物的反射属性,因此绘制结果不具有现实景物的真实感;另一方面,随着人们对场景复杂度的要求不断增加,三维网格的数量也越来越庞大,对实时绘制提出了挑战。为此,研究人员提出了两种新的图形绘制技术,即基于图像的绘制技术和基于点云的绘制技术。基于图像的绘制技术以采样图像作为基本元素来绘制场景。它不但能够避免三维网格的建造,而且能够利用采样图像中丰富的色彩和纹理来提高场景的真实感。然而,它所面临的难题是采样图像的数量巨大,绘制速度缓慢。基于点云的绘制技术采集并存储物体表面的采样点。在物体的浏览过程中,它直接绘制这些采样点,从而简化了三维模型的表达,提高了绘制效率。但是,它所面临的困难包括采样点的可见性判断,以及着色等问题。本文从高度真实感的场景绘制的角度出发,对以上两项技术进行了深入论述。为了达到它们在景物真实感和绘制复杂性上的优势互补,本文将这两项技术结合起来,实现了一种真实感的场景建造和浏览系统,从而在一定程度上满足了应用的需求。该系统首先将复杂场景分为近景和远景两部分,并对它们进行单独建模,然后将其组合在一起。考虑到近景物体的表面特征相对复杂的特点,本文使用基于点云的方式来表达这些物体,并使用基于图像的方法来建造它们的点云模型。针对远景的观察角度变化不大的特点,本文使用了环境映射的方式来表示远景,并采用图像拼接的方法生成各种形式的环境映射模型。在近景和远景的结合过程中,我们通过计算二者的光照影响,最终实现了真实感的绘制效果。基于以上论述,本文的研究成果可以分为以下几部分。在环境映射方面,本文采用了圆柱状全景图和球状全景图两种表达方式。对于圆柱状全景图的建造,本文提出了一种鲁棒性较高的自动拼接方法。在该方法中,我们通过引入频域中的相位相关技术,避免了采样图像的特征提取和匹配。在图像拼接过程中,我们引入了塔形图像分解方法,并为不同的带通图像设计不同的融合策略,从而在一定程度上弥补了图像配准误差,最终实现了图像的无缝拼接。对于球状全景图的建造,本文通过改进上述圆柱状拼接方法,实现了一种自动的球状全景图拼接方法。该方法使用迭代策略来配准采样图像,不但有效降低了图像数量,而且避免了全局优化配准方法的计算复杂性。在图像拼接过程中,我们提出了分块拉伸的拼接策略,有效地解决了配准过程中的误差积累问题。在点云模型的建造方面,本文从视觉凸壳的原理出发,提出了一种改进的点云建模方法。其改进之处包括两点:一方面,根据灭点的性质,设计出等间隔索引表的结构来组织采样图像中物体的轮廓边,有效地提高了点采样的效率;另一方面,通过将splatting绘制算法和层次深度缓存的数据结构相结合,提出了一种高精度的点云可见性判断算法,从而克服了已有方法存在可见性判断误差的缺点。在点云模型的绘制方面,本文进一步完善了基于两次绘制策略的硬件加速表面splatting绘制算法。在该算法中,通过分析图形硬件中投影矩阵的表达形式,推导出了等价的透视投影变换模型,从而使得基于硬件和基于软件的绘制算法形成统一的表达形式。同时,根据这个投影模型,我们精确地计算出了每个片元的深度值,避免了非线性的深度计算所导致的空洞问题。最后,本文实现了一个点云模型和球状全景图相结合的场景浏览系统。该系统从球状全景图中提取入射光信息,并计算出点云模型的反射光强,从而实现了光照效果的真实感。同时,我们还对反射属性的插值运算进行了改进,通过预处理操作降低了数据存储量和绘制计算量。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT（英文摘要)  5-15
第一章引言  15-35
  1.1 研究背景  15
  1.2 基于图像的绘制技术及其研究现状  15-30
    1.2.1 以全光函数为基础的绘制  16-20
    1.2.2 以图像三维变形为基础的绘制  20-25
    1.2.3 基于图像的三维建模  25-27
    1.2.4 基于图像的光照控制  27-30
  1.3 基于点云的绘制技术及其研究现状  30-32
    1.3.1 基于点云的物体建模  30
    1.3.2 基于点云的绘制  30-32
    1.3.3 硬件加速的点云绘制  32
  1.4 本文的研究目标及主要工作  32-35
    1.4.1 研究目标  32-33
    1.4.2 本文的主要工作及组织结构  33-35
第二章圆柱状全景图的无缝拼接  35-49
  2.1 问题的提出  35-36
  2.2 相关工作  36-41
    2.2.1 频域中的相位相关配准算法  36-39
    2.2.2 基于拉普拉斯金字塔的图像融合  39-41
  2.3 圆柱状全景图的建造  41-45
    2.3.1 图像的采集和配准  41-43
    2.3.2 圆柱状全景图的拼接  43-45
  2.4 实验结果分析  45-47
  2.5 小结  47-49
第三章基于分块拉伸的球状全景图拼接  49-69
  3.1 问题的提出  49-51
    3.1.1 相关工作  49-51
  3.2 拼接方法的总体结构  51-54
    3.2.1 球状全景图的表达和图像采集方式  51-52
    3.2.2 拼接方法概述  52-54
  3.3 球状全景图的拼接  54-61
    3.3.1 估计相关参数  54-55
      3.3.1.1 估计焦距  54-55
      3.3.1.2 估计旋转角度  55
    3.3.2 纵向分块图像的生成  55-57
    3.3.3 纵向分块图像的拼接  57-61
      3.3.3.1 横向分块图像的提出  57
      3.3.3.2 横向分块图像的配准和拼接  57-60
      3.3.3.3 全景图两端的无缝处理  60-61
  3.4 实验结果分析  61-64
    3.4.1 拼接效果分析  61-62
    3.4.2 改进策略及其分析  62-63
    3.4.3 拼接过程分析  63-64
    3.4.4 与已有方法的比较  64
  3.5 小结  64-69
第四章从图像序列建造可控光照的点云模型  69-87
  4.1 问题的提出  69-70
  4.2 反射属性的表达方式  70-71
  4.3 图像的采集和预处理  71-72
  4.4 点云模型的建造  72-80
    4.4.1 视觉凸壳的点采样  73-77
      4.4.1.1 图像空间中的相交  74-75
      4.4.1.2 反投影  75-77
    4.4.2 采样点的表面法线方向  77-78
    4.4.3 采样点的可见性和光照属性  78-80
      4.4.3.1 直接splatting 绘制算法和层次深度缓存  78-79
      4.4.3.2 可见性判断算法和光照属性的提取  79-80
  4.5 点云模型的绘制  80-82
  4.6 实验结果分析  82-86
    4.6.1 建模过程分析  82-83
    4.6.2 几何精度分析  83-84
    4.6.3 绘制效果分析  84-85
    4.6.4 下一步工作  85-86
  4.7 小结  86-87
第五章硬件加速的点云绘制  87-101
  5.1 直接splatting 绘制算法  87-88
  5.2 表面splatting 绘制算法  88-89
  5.3 表面splatting 绘制算法的硬件加速  89-96
    5.3.1 透视投影变换模型  90-93
    5.3.2 计算splat的大小和形状  93-94
    5.3.3 计算片元的深度值  94
    5.3.4 纹理滤波  94-95
    5.3.5 硬件加速绘制算法总结  95-96
  5.4 实验结果分析  96-100
    5.4.1 绘制效率分析  96-98
    5.4.2 绘制质量分析  98-100
  5.5 小结  100-101
第六章点云模型与球状全景图的结合  101-111
  6.1 问题的提出  101-102
  6.2 点云模型的光照效果  102-106
    6.2.1 光照属性的插值  102-105
    6.2.2 插值过程的改进  105-106
  6.3 实验结果分析  106-107
  6.4 小结  107-111
第七章结论与展望  111-114
  7.1 本文的主要工作  111-112
  7.2 未来工作展望  112-114
参考文献  114-122
个人简历、在学期间的研究成果  122-124
致谢  124-125

基于图像的点云模型建造及其在环境映射中的绘制

内容摘要

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