[发明专利]基于任意位置多球的光源方向标定方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实和计算机图形图像学技术领域，具体地说是利用相机拍摄的图像对光源方向进行标定，用于相机与光源组成的数据采集系统。

背景技术

计算机虚拟现实与计算机图形图像学技术中，有很多涉及到利用光源与相机等设备进行数据的采集，需要对光源进行标定，计算出具体的光源方向，因此实现一种简单、快速、准确的光源方向标定方法就显得十分必要。

目前有一些研究是通过可测量或者可计算的设备本身来获取光源方向。文献1-Levoy.″Stanford Spherical Gangry，″http://graphics.stanford.edu/projects/gantry/.制造的球形托台采集设备，由两个计算机控制的机械臂构成，可围绕中心做球体运动，机械臂上面可挂载相机或者光源，可以精确的将光源和相机放在中心旋转平台上半球的任意位置。文献2-T.Weyrich，M.Wojciech，P.Hanspeter et al.，“Analysis of human facesusing a measurement-based skin reflectance model，”ACM Trans.Graph.，vol.25，no.3，pp.1013-1024，2006.研制了一套球体框架的采集设备Dome，该设备由一个直径为3米的球体构成，总共挂载150个LED光源，16个数码相机均匀分布在球面之上，光源方向可以根据设备的标准几何形状计算得出。这种方法虽然能快速准确得到光源方向，但对设备的要求非常高，不便于实现。

文献3-Mark W.Powell，Sudeep Sarkar et al.，“Calibration of Light Sources”IEEE.，pp.1063-6919，2000.使用三个已知间距的小球，一方面利用相机拍摄图片，得到小球的高光点；一方面利用三维扫描仪获取小球的空间信息，根据已知的间距列出方程组，求解得到光源方向。该方法使用了特制的小球以及三维扫描仪，而且拍摄以及计算过程都比较复杂，灵活性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种简单、准确的光源方向标定方法。

本发明采用的技术方案：基于任意位置多球的光源方向标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)识别基于图像的小球中心点与高光点；

(2)计算小球中心点与高光点的空间位置；

(3)根据小球高光点的镜面反射原理计算得到光源方向。

所述的步骤(1)中识别基于图像的小球中心点与高光点的方法为：拍摄某光源下小球图片以及去掉小球的背景图片，二者相减得到去背景的小球图片，再经过去噪与二值化后，利用the two-stage Hough transform方法求出小球的中心点的像素坐标与小球半径；然后在识别出来的圆内找出前10％最大亮度的区域的平均坐标，作为小球高光点的像素坐标。

所述步骤(2)中的计算小球中心点与高光点的空间位置的方法：拍摄时小球放置在棋盘格标定板的平面上，这样小球中心的三维空间的Z坐标值为小球的半径，再加上从图片识别出的小球中心像素坐标与相机的内外参，可以求解出小球中心在三维中的位置，同样的方法，我们可以求解出小球高光点的三维位置。

所述步骤(3)中的根据小球高光点的镜面反射原理计算得到光源方向原理为：根据反射原理，在小球高光点处的视点方向与光源方向关于高光点的法向对称，因此可以根据视点位置、小球中心点与高光点位置计算出光源方向。

在所述步骤(3)中，为了得到更准确结果，拍摄该光源下多个不同位置的小球，利用SVD分解求超定方程组得到最终光源的方向。

所述步骤(3)中的利用SVD分解求超定方程组得到最终光源方向的方法为：根据每个小球位置求出的光源方向构造矩阵M^TM和向量M^Tb，求方程Mθ＝b的最小二乘解，即为最小化光源方向的误差，通过SVD分解计算其最优最小二乘解。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)使用设备简单。本方法对光源与相机没有特别的要求，只需要一个小球作为标定工具，十分易于实现。

(2)实现过程简便。在完成相机标定的基础上，只需要利用相机对小球进行拍摄，在图像上对光源方向进行计算，因此拍摄过程与计算过程都十分简便。

(3)计算结果准确。使用SVD分解对超定矩阵进行求解，根据拍摄的不同位置的小球得到的光源方向计算出误差最小的结果，可以通过拍摄多组数据来减少误差到一个可接受的范围。

附图说明