[发明专利]手持式家居建材凹凸表面质感重建装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种手持计算机设备，尤其是一种对家居建材的凹凸表面进行质感重建的手持式装置。

背景技术

传统的家居建材领域正在逐步进行互联网化和电子商务化。仅仅依靠图片来展示家居建材已经不能完全满足需要，依靠3D模型来展示真实感家居的需求越来越多，特别是在进行家居建材的增强现实(AR)或虚拟现实(VR)展示时，更需要表现出家居建材的质感。另外在装修设计过程中制作家居建材的3D效果图时，对画面质感的要求也越来越高。

家居建材的表面一般都有凹凸起伏，呈现出立体或者浮雕的效果。即使像墙面这种原本很平滑的表面，也经常通过粉刷涂料的方式来制造凹凸的效果，例如粉刷硅藻泥、肌理漆等具有凹凸效果的墙面材料。家居建材表面除了凹凸起伏，也有反射率、真实颜色等材质属性，使表面呈现出光影变化、色泽、肌理等质感因素，从而更加真实和美观。

互联网环境下对家居建材3D模型的传输速度有较高要求。在保证质感的前提下，模型文件需要尽可能小，分辨率需要尽可能低(一般不需要达到工业生产的精度)；另外生成3D模型的过程需要尽量的简单快速，适合大批量快速生成的需要。

利用手机、数码相机或单反相机进行拍照的方式，一般仅能得到平面照片，难以生成家居建材的3D模型，无凹凸和光影变化等真实感效果。有一些专业的家居建材成像设备可进行材料色彩和图纹的高保真数字化，也可在一定程度上重建2.5D的表面肌理，例如由中国印刷科学技术研究院开发的“大幅面非接触平台式扫描系统”以及相应的发明专利“一种基于复频谱色度理论对大幅面扫描颜色色差进行校正的方法”(公告号CN103685856A)。这类设备的优点是能满足工业生产的需求，但设备体积过大、价格昂贵，不适合在电子商务领域进行家居建材大批量网络展示的需要。

市面上已有的三维激光扫描仪也可能被用来重建表面的凹凸效果，其优点是能重建出表面更细微的三维结构，分辨率高，但难以复原较真实的光泽以及材质效果。而且激光设备价格较贵，对家居建材行业来说性价比不高。

另外在计算机视觉领域，经常使用光度立体(Photometric Stereo)等方法来实现物体表面重建，这类方法通过在不同的光照条件下观测环境中的表面来估计其法线方向，需要使用多角度的可控光源来进行拍摄(而且通常需要在暗室里进行)，实际操作很不方便。例如公告号为CN105787989A的中国发明专利“一种基于光度立体视觉的测量材质几何特征重构方法”，就是利用相机光源阵列采集材质在不同角度的光源与视角下的数据。另一个例子是公告号为CN105190703A的国际发明专利“使用光度立体来进行3D环境建模”，使用手持设备在已知光照条件下捕捉场景中的表面的彩色图像。这类方法和专利需要已知光照条件，就意味着一般需要在专门的房间内使用专门的光源，从而大大限制了它们的推广和普及。

发明内容

为了解决互联网环境下展示具有质感的家居建材3D模型的需求，克服通常使用平面照片展示时无法展现光影变化、凸凹感和材质感的问题，本发明提供了一种采用RGB-D成像(RGB指彩色图像，D指深度图像)和嵌入式技术的手持计算机设备，整个装置体积小易携带，可重构家居建材表面的几何凹凸和材质属性，输出法线贴图、色彩贴图、高亮贴图以及其它材质参数，进行模型的真实感渲染。与手机、平板电脑等通用的手持设备相比，本发明是面向家居建材领域的专用手持计算机装置，成本低、操作方便。该装置弥补了利用激光扫描仪等昂贵设备进行表面重建时的性价比缺陷，或利用光度立体等方法时需要控制光源、使用不便的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种手持式家居建材凹凸表面质感重建装置，包括可使手持计算机设备独立运行的必要元件，其特征在于：还包括RGB-D传感器、姿态测量单元、法线估算单元、材质估算单元、以及编辑渲染单元；法线估算单元与RGB-D传感器电性连接，并与姿态测量单元电性连接；材质估算单元与法线估算单元电性连接，并与RGB-D传感器以及姿态测量单元电性连接；编辑渲染单元与法线估算单元电性连接，并与材质估算单元电性连接，该装置在实现质感重建的过程中与外部无需任何有线或无线连接。该装置本身或该装置所拍摄的空间内不包括任何已知光源。本发明的技术可行性在于大多数家居建材表面(特别是有凹凸的表面)的反光特性以漫反射为主(俗称“哑光”)，镜面放射(即“高光”)并不强烈；另外家居建材多数位于室内，光源虽然未知但比较稳定。