对场景反射和光照的估计与分析

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1、山图像对场景反射和光照的分析图1．1：光照对物体外观的影响。GoldPearlyMatte图1．2：反射属性利光照对外观的影响。每行是赳种不同反射属性表面在相l司的光照条件下拍摄的图像，每列是f_J一物体在婀种不1．1光照条什下拍摄的图像。(ImagescourtesyofRonDroralldTedAdelson)2第一章绪论质，都归结为材质的反射属性，可以认为场景的影像由三个方面的因素所决定：环境的光照、物体材质的反射属性、以及场景的几何模型。通过对光与材质和物体表面相互作用并在介质中传播的物理过程的数学建模，生成对真实世界影像的模拟，可以被看作是一个正向的、合成(s

2、ynthesis)的过程，属于计算机图形学的研究范畴。而研究如何从图像中提取光照、反射或几何的信息，把这几种成像因素分离，则可以被看作是一个逆向的、分析(analysis)的过程，属于计算机视觉的研究范畴。近年来，这两个方向呈现出相互借鉴结合的趋势。本文介绍了作者在由图像恢复场景反射和光照信息方面的工作。我们通过分析图像，对反射分量分离、物体表面反射属性、场景光照条件做出估计。同时还对特殊光照效果，如高光下如何恢复场景的几何信息做出了探索。11研究背景1．1．1漫反射和镜面反射光和物体表面之间的相互作用通常被描述为两种反射机制，漫反射(diffusereflection)

3、和镜面反射(specularreflection)。如果光线穿透物体表面，在物质的颗粒之间不断反射，随后以随机的方向重新射出物体表面；或者由于物体表面比较粗糙，使得光线无规则的向各个方向反射，这时发生漫反射。最早的关于漫反射的计算模型是由Lambertf41在1760年提出的余弦法则，又称朗伯法则，至今仍被广泛应用。与漫反射不同，如果光线并未穿透物体表面，而是直接在空气与物体表面的交界处发生反射；或者认为光线经光滑平面发生了有规则的反射，则形成镜面反射。n'esnel『51首先在1815年提出了有关镜面反射的计算模型。漫反射和镜面反射具有不同的性质。当视点变化刚，漫反射不

4、会随之变化，而镜面反射却会发牛很大变化。镜面反射引起了高光，高光处同时包含了漫反射分量和镜皿反射分量。因此当视点变化目，高光出现的位置及其颜色，均会发生变化。这就为先前许多计算机视觉的算法带来了问题。例如，传统的立体视觉算法就不能对高光I爰域求得准确的景深，如图1．3所示。用光场(1ightfield)(6]等视图插值的方法进行基j二图像的绘制时，高光也往往不能被正确绘制f71。3蜜垦堡翌丝量星墅塑丝矍竺坌堑。：。。：—一(a)(b)图1．3：高光为立体视觉带来的问题。(a)存在高光的原图像：(b)深度估计的结果，如红色虚线圆形中所标示，高光区域的深度估训‘出现了明显错误

5、。d‘(‘q)‘‰q)图14：双向反射分布函数定义图示本文第二章提出了结合颜色分析和多基线立体视觉的方法，将图像中的漫反射分量和镜面反射分量分离，并估计高光区域的准确景深。12反射模型光弓物体表面之间的相互作用，可以用局部反射模型来描述。这里首先介绍一个描述材质局部反射属性的基本术语：双向反射分布函数(Bidireetiona

6、ReflectanceDistributionFunctions)，简称BRDFs。该函数被定义为某一方向上的辐射亮度(radiance)与引起它的另一方向上的辐射照度(irradiance)的比值f81：^(峨，斌)=蛆l‰ira一。琢蕊ALo丽

7、(aYo面)=龇lirn．。—ALo—(Jo),AwoL,(瓿)cos(e1)AWi(I1)。△u。．o——(I1)如图l4所示。其中，辐射照度E被定义为单位面积I二受到的光幅射功率：E=舞：辐射4第‘章绪论亮度L被定义为单位面积上发出到单位立体角角内的光辐射功率：L=揣；立体角u被定义为：u=A／r2，A是被锥面围成的球面面积，r是球面半径。将BRDF表达成解析式，即是反射模型，也可称为光照模型或明暗模型。反射模型可能是基于现象的，并无特定物理意义，最常用的也许就是描述漫反射的朗伯模型，具有常数项BRDF。Phong于1975年提出Phong模型【9】，将反射表示成一个

8、描述漫反射的朗伯项，和一个描述镜面反射的指数项的线性组合。这个模型被广泛的应用于计算机图像学的真实感绘制中。在基于现象的反射模型之外，还可以基于物理原理对反射建模。诸如Torrance-Sparrowf101的一类基于几何光学的反射模型，是从物体表面微平面的朝向分布得来的。另外还有基于电磁波理论的物理光学模型，?＆11Beckmann和Spizzichino提出的模型f11】。如果可以从图像中得到描述物体表面反射属性的BRDF模型参数，就能够用这些参数进行变换光照条件下的、高度真实感的图像绘制。这些通过图像估计所得的模型参数还