基于基图像分解的室外光照估计研究

【摘要】虚拟现实是近年来信息领域迅速兴起的一种技术,具有重要的理论价值和广泛的应用价值。增强现实是虚拟现实的一个分支,借助于计算机图形学技术、交互技术、传感技术、三维显示技术、计算机视觉技术,将计算机生成的虚拟景物实时叠加到真实场景中,增强用户对真实场景的理解,达到超越现实的感官体验。随着技术的不断进步,增强现实已经应用到尖端武器及飞行器的研制与开发、精密仪器制造和维修、医疗研究与解剖训练、工程设计和远程机器人控制、文化遗产保护以及教育娱乐等诸多领域。通过将虚拟物体和真实场景无缝融合,呈现给用户一个感官效果真实的新环境是增强现实技术的一个重要研究内容。但迄今为止,这项技术仍有大量的问题尚未解决。近年来,增强现实系统主要的研究工作集中在跟踪、注册和交互技术上,光照一致性方面的研究相对较少,而光照一致性是确保虚拟物体表面光照效果的真实感、并使虚实物体无缝融合的关键技术,这就造成了增强现实系统中虚拟物体真实感程度不高的现状。由于室外场景的几何复杂性和光照复杂性,其光照估计是当前尚未解决的难点和热点问题。此外,室外光照估计也是计算机视觉的重要研究内容之一,物体的分割与识别、视频跟踪、阴影检测等算法都不同程度地受到变化光照的影响。因此,在场景三维模型未知的条件下,如何根据室外场景的光照特点,从输入的视频图像估计光照条件对计算机视觉和计算机图形学具有十分重要的意义。在场景三维几何信息未知的情况下,本文围绕固定视点下室外场景视频图像的光照展开研究,分析基于室外场景光照线性分解模型的光照估计算法的求解性质,避开重建大规模室外场景所面临的重重困难,省去繁琐的几何建模工作,提出新的解决策略,使光照估计算法更为实用,以实现增强现实场景中虚实物体的光照一致性的目标。本文在室外场景光照估计研究的主要工作和创新点如下：1)证明了在室外场景基图像分解模型下,同一太阳方位在不同天气条件下的三幅图像具有线性相关性,使得基图像方程欠约束,导致基图像无法自动求解。为此,利用不同太阳方位不同天气条件下的采样图像,提出自动求解基图像的新算法。其基本策略是根据阴影中的像素估算天空光,由基图像分解的特点计算太阳光,并利用太阳光与天空光基图像的像素色调一致性优化基图像及太阳光和天空光光照参数。2)提出了基于对反射率没有任何限制的整体光照明模型的室外静态场景图像线性分解模型,并证明了在此模型下任意一幅静态室外场景图像都可以分解为太阳光基图像和天空光基图像的线性组合；分析研究了基图像的性质,证明了基图像包含场景的几何信息和材质反射率,且是场景的不变量,将太阳光和天空光基图像定义为太阳光和天空光单位强度下的场景整体光照明效果；输入静态场景图像通过最小化二次能量方程得到基图像。3)提出了基图像的约束和先验条件的室外场景光照估计新方法,将静态室外场景的延时视频序列的每一帧自动分解成太阳光基图像和天空光基图像的线性组合；使用k-means聚类算法分析每个像素的延时曲线检测出阴影像素,利用基图像线性分解模型得到太阳光和天空光基图像,并基于基图像的约束和先验条件提出过程式改进方法,优化光照参数。本文算法均不需要场景的任何三维几何信息,避免了室外场景的大规模重建；对场景中物体的材质和纹理没有要求,也不需要场景中存在特殊物体或者特殊表面,适用于一般的室外场景；除了场景视频图像不需要额外输入,也不需要用户交互,便于应用到增强现实系统。
【作者】张锐；
【导师】秦学英；
【作者基本信息】山东大学，数字媒体技术和艺术，2014，博士
【关键词】基图像分解；光照估计；室外场景；增强现实；

【参考文献】
[1]王永繁,余世孝,刘蔚秋.物种多样性指数及其分形分析[J].植物生态学报,2002,04:391-395.
[2]董宏伟.中国房地产投资信托基金（REITs）税收法律制度研究[D].浙江工商大学,经济法学,2013,硕士.
[3]伍勇.ACS6000SD中压变频传动系统在高速线材轧制中的调试及应用[J].冶金自动化,2009,03:41-44+48.
[4]夏山.接受美学视野下《体育画报》研究[D].沈阳体育学院,体育人文社会学,2013,硕士.
[5]贺洁宇.巨噬细胞中Rheb1敲除对小鼠机体代谢的调节作用及机制探讨[D].中南大学,临床医学,2014,博士.
[6]张庆彩.我国生态城市建设的立法保障研究[D].合肥工业大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[7]李旭龙.龙门山断裂带地震风险评估决策平台研究[D].成都理工大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[8]史卫华.数据挖掘在电信欺诈侦测中的应用[J].大众科技,2005,01:38-39.
[9]陈莽.波导缝隙天线阵列的散射特性研究[D].西北工业大学,电磁场与微波技术,2004,硕士.
[10]严强.用于皮带钢绳检测的探测采集系统设计与实现[D].重庆大学,控制工程（专业学位）,2014,硕士.
[11]刘军.基于智能控制技术输油泵系统控制研究[D].西安理工大学,2006.
[12]卞寅.王夫之经济法律思想研究[D].南京师范大学,法律史,2012,硕士.
[13]刘微.基于交互系统理论的手机游戏产品设计研究[D].沈阳航空航天大学,设计艺术学,2013,硕士.
[14]于晓艺.知识产权存在合理性的哲学分析[D].吉林大学,科学技术哲学,2004,硕士.
[15]赵波,边馥苓,潘蜀健,陈琳,陈德豪.人工神经元网络在空间数据挖掘与知识发现中的应用研究[J].系统工程,2004,09:92-95.
[16]吴昊雯.基于行为注记法的公园使用者时空分布与环境行为研究[D].浙江大学,风景园林,2013,硕士.
[17]敬永锋.麻崖子特长隧道主洞与斜井交互段围岩受力与变形特征[D].长安大学,岩土工程,2013,硕士.
[18]吕晓刚.移动互联网时代内蒙古联通APP营销策略研究[D].内蒙古大学,工商管理,2013,硕士.
[19]熊海东.我国网络反腐败的问题及对策研究[D].西南大学,马克思主义基本原理,2014,硕士.
[20]肖瑶.川江流域历史城镇码头地段文化景观的演进与更新[D].重庆大学,城市规划与设计,2014,硕士.
[21]吕强,俞金寿.基于粒子群优化的模糊c均值聚类算法——在丙烯腈反应器参数优化上的应用[J].计算机工程与应用,2005,22:211-214.
[22]吕云远,陈茂山.利用多方位能量梯度差识别碳酸盐岩溶洞储层[J].石油地球物理勘探,2012,06:958-964+1024+841-842.
[23]李义义.中美澳科学教材中的SSI文本分析[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[24]王亚君,孙福明.基于多动态核聚类的间歇过程在线监控[J].化工学报-2.
[25]李毅.低氧预刺激对大鼠骨髓源性内皮祖细胞生物学活性的影响[D].第四军医大学,内科学,2004,硕士.
[26]王建.水稻种间杂种花粉不育的细胞学研究和不育基因的精细定位[D].南京农业大学,作物遗传育种,2013,硕士.
[27]卢玉霞.生物除草剂敌散克（Disancu）产业化关键技术的再改进[D].南京农业大学,植物学,2013,硕士.
[28]陈志盛,孙克辉,李勇刚,张泰山.基于模糊Lyapunov函数的离散模糊时滞系统H∞控制[J].控制与决策,2006,05:546-549+558.
[29]汪家铭.BK2526数据采集器[J].冶金自动化,1995,04:46.
[30]周川.传代次数及bFGF对oESC-like的影响与小鼠四倍体胚胎的制备[D].新疆农业大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[31]袁小勇.基于模板匹配、马赛克图以及支持向量机的人脸检测[D].苏州大学,通信与信息系统,2003,硕士.
[32]李武.面向现代服务业的大规模分布式文件存储系统设计和实现[D].浙江大学,2008.
[33]郭佳.Taq DNA聚合酶的结构修饰与表征[D].厦门大学,细胞生物学,2014,硕士.
[34]周乐敏.碳化硅在电炉炼钢上的应用[J].四川冶金.1990(03)
[35]张天旻.MBO模式国企改制过程中贪污犯罪若干问题研究[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[36]刘炜.论洪毅然的功用美感思想[D].沈阳师范大学,文艺学,2014,硕士.
[37]朱琳.当代快速时尚设计语言探究[D].大连工业大学,设计艺术学,2013,硕士.
[38]张琼妍.斑蝥素抑制乳腺癌细胞与血小板粘附的机制研究[D].苏州大学,肿瘤学,2013,硕士.
[39]包志兰.几种非线性发展方程的新精确解[D].内蒙古师范大学,应用数学,2012,硕士.
[40]李宏.应用近红外光谱法（NIRS）预测绵羊日粮的营养状况[D].中国农业大学,动物营养与饲料科学,2004,硕士.
[41]孟军亮.甘肃省三市气象因素与居民心血管系统疾病日入院人数的时间序列研究[D].兰州大学,劳动卫生与环境卫生,2013,硕士.
[42]黄容,章颖芳.Web访问者行为取向的聚类模型研究[J].计算机与现代化,2005,07:31-34+117.
[43]胡思佳.基于Android平台的硬对讲系统的设计与实现[D].宁波大学,计算机技术（专业学位）,2014,硕士.
[44]庄静.冰雪环境下高速公路安全运行管理及紧急救援系统研究[D].长安大学,交通运输规划与管理,2013,硕士.
[45]赵红.网络环境下会计信息系统内部控制研究[D].天津财经学院,会计学,2004,硕士.
[46]陈娜.《火把节之夜》中阮演奏与琵琶演奏之比较[D].中国音乐学院,音乐学,2012,硕士.
[47]池荣虎.基于Rough集的日光温室结构优化设计方法的研究[D].西北农林科技大学,2003.
[48]卢军,付建华,陆军,王毅青,倪伟健,杨鹏.互动话题(一)[J].机电信息.2007(26)
[49]冯志新,钟诚.基于FP-tree的最大频繁模式挖掘算法[J].计算机工程,2004,11:123-124.
[50]朱慧明.辽宁省来华留学教育现状分析与对策[D].辽宁师范大学,课程与教学论,2010,硕士.