摘 要： 在研究普通的平面圖像的基礎(chǔ)上，基于圖像渲染（IBR）提出了一種新的建立立體模型的方式,。能對(duì)普通的平面單幅圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取,，從而半自動(dòng)地生成所需要的立體效果。該方法直接從圖像中提取信息,，渲染出具有照片真實(shí)感的模型,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)渲染的三維模型準(zhǔn)確真實(shí),，能夠滿足虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用的需要,。
關(guān)鍵詞： 基于圖像的渲染； 特征點(diǎn),； 三維重建,； 相機(jī)標(biāo)定
基于圖像的渲染IBR(Image-Based Rendering)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域一直備受關(guān)注的課題之一。其目的是從普通的平面圖像中提取出必要的信息,，通過一些方式得到具有照片真實(shí)感的立體渲染效果,。目前，虛擬場(chǎng)景或者商品的建造主要使用基于幾何建模的方法,、基于圖像繪制的方法和將兩者結(jié)合應(yīng)用的方法[1],。
基于幾何建模的方法目前應(yīng)用比較廣泛,，有很多比較成熟的建模軟件工具。這種傳統(tǒng)的方法制造的虛擬場(chǎng)景具有良好的交互性,，選取的視點(diǎn)自由,，但是也有一些明顯的缺陷，主要是針對(duì)于大規(guī)模的場(chǎng)景重建計(jì)算量太大,，而且真實(shí)感并不如圖像繪制得到的效果那么好[2],。而基于圖像的繪制一般使用一些實(shí)景照片，根據(jù)所拍的視角方向來確定最終繪制的效果,。這種方法由于使用了真實(shí)場(chǎng)景的照片,，因此具有比較好的沉浸感。此外,，由于重建的工作大部分由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成,，因此可以大大減少傳統(tǒng)手工建模的工作量，從而為大型場(chǎng)景的重建提供了一種比較高效的繪制方式[3],。
現(xiàn)在的基于IBR的圖像渲染技術(shù)一般分為基于單幅圖像的渲染和基于多幅圖像的渲染,。針對(duì)多幅圖像的渲染方法都有一個(gè)很難回避的問題，即特征點(diǎn)的匹配,，至今沒有特別有效的解決方法[4],。
本文提出一種方法，繞過平常的二維到三維的轉(zhuǎn)換算法,，在直觀的規(guī)則幾何體上進(jìn)行圖像的繪制和紋理的映射,，從而減少了計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)便快捷的模型渲染,。該方法對(duì)于相機(jī)內(nèi)部參數(shù)沒有要求,，只需要拍攝的角度在一定的范圍內(nèi)，就可以得到真實(shí)感很強(qiáng)的渲染效果,。
1 相機(jī)標(biāo)定
傳統(tǒng)意義的渲染過程首先要做的就是相機(jī)的標(biāo)定,。一般拍照得到的相片都是實(shí)物在相機(jī)成像平面上的透視投影，照片上的點(diǎn)的位置和渲染的空間模型表面上的點(diǎn)有對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系,。這是一種二維圖像上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)與三維圖像特征點(diǎn)之間的非線性關(guān)系,，而這種關(guān)系就是由相機(jī)自身的成像幾何模型決定的,，拍照時(shí)的幾何參數(shù)即為相機(jī)參數(shù),，這些參數(shù)可以由實(shí)驗(yàn)或者計(jì)算得到，這個(gè)過程就是平時(shí)所說的相機(jī)標(biāo)定[5],。
傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定方法是找一個(gè)高精度的標(biāo)定基準(zhǔn)體,，用其本身的精確數(shù)據(jù)和所獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而求出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù),。這個(gè)過程主要有兩方面的問題,，首先，標(biāo)定基準(zhǔn)體不好找；其次,，匹配過程太復(fù)雜,，不容易實(shí)時(shí)掌控[6-7]。
而在某些項(xiàng)目要求中,，并不一定需要對(duì)這個(gè)過程進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定,。在本方法中，只需適當(dāng)考慮相機(jī)的定位就可以了,，主要指相機(jī)拍攝的角度以及離目標(biāo)商品的距離,。項(xiàng)目的目的是得到規(guī)則商品的渲染模型，那么很多因素(諸如物體擺放的實(shí)際位置以及大小)就可以忽略不計(jì)了,。
2 物品取景以及特征點(diǎn)標(biāo)定
圖片的取景應(yīng)盡量做到一次能夠拍到物品的3個(gè)面,，即前、側(cè),、上3個(gè)面或者后,、側(cè)、下3個(gè)面,，如圖1(a)以及圖1(b)所示,。
由于此商品的邊沿都是直線，因此其特征點(diǎn)很好把握,，通過一個(gè)指定的MFC程序找到這些特征點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置,。如圖2(a)所示，在一張照片里面拍攝取景得到了前,、側(cè),、上3個(gè)面，這3個(gè)面上一共有7個(gè)特征點(diǎn),。給這7個(gè)特征點(diǎn)分別編號(hào),，按照擬定的順序進(jìn)行人工標(biāo)定，然后將標(biāo)定的坐標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)特定位置,，以方便下一步工作進(jìn)行提取,。同樣地，把這個(gè)盒子的后3個(gè)面拍在另外一張照片上面,，如圖2（b）所示,，把剩余的特征點(diǎn)也提取出來。
擬定的特征點(diǎn)順序如表1所示,。根據(jù)表1中的特征點(diǎn)順序,可以把兩幅圖中的物品頂點(diǎn)位置完美對(duì)照起來,。
3 渲染重建三維模型
利用所得的特征點(diǎn)定義普通照片中的一些面片，然后計(jì)算紋理映射,。由于這里應(yīng)用的物品基本是形狀規(guī)則的長方體,，故得到的面片應(yīng)該是四邊形,，本文的目標(biāo)是把這種非規(guī)則的四邊形映射成原來的矩形紋理貼圖?？梢圆捎镁€性插值的方法來解決這個(gè)問題,。但是如果特征點(diǎn)的連線沿某個(gè)方向變形的比例很大，那么就需要使用一個(gè)濾波器來改變其原有的比例,，變換完成以后再變換回去得到比較合理的紋理映射,。如果面片是非規(guī)則的形狀，也可以采用將其變形為矩形區(qū)域的方法進(jìn)行處理,，然后再用相應(yīng)的圖像處理軟件將一些區(qū)域透明化,，這樣就得到原來物品的真實(shí)效果。
實(shí)驗(yàn)得到的渲染效果真實(shí)感和原物體幾乎完全相符,，效果如圖3所示,。
其中圖3(a)是前、側(cè),、上3個(gè)面的渲染效果,，圖3(b)顯示的是后、另一側(cè),、上3個(gè)面的渲染效果,。將重建的三維渲染模型與圖1中的真實(shí)物品作比較，可以看出本文方法的優(yōu)越性,。
本文主要描述了從普通照片生成三維立體模型的一種新方法,，基于圖像渲染（IBR）提出了一種建立立體模型的新方式,能對(duì)普通的平面單幅圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取，從而半自動(dòng)地生成所需要的立體效果,。本方法的特點(diǎn)在于無需傳統(tǒng)的相機(jī)標(biāo)定,，無需大量傳統(tǒng)意義上的幾何建模，可以直接從圖像中提取信息,，渲染出具有照片真實(shí)感的模型,，大大縮短了建模的時(shí)間。目前實(shí)驗(yàn)主要對(duì)形狀規(guī)則的物品渲染效果比較好,，而對(duì)于非規(guī)則的物品則考慮通過圖像變形和曲線擬合的方式進(jìn)行變換,，有待進(jìn)一步深入研討。
參考文獻(xiàn)
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