光度立体学课件.ppt

Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：图像辐照度光在物体表面的反射物理特性以及利用反射特性估计表面光在物体表面的反射物理特性以及利用反射特性估计表面形状的方法，即光度立体法（形状的方法，即光度立体法（Photometric Stereo）） Computer Vision Dept. of Communication Eng. 决定场景表面片辐射的因素有两个：决定场景表面片辐射的因素有两个：1.投在场景表面片上的照明投在场景表面片上的照明投在某一特定表面片上的照明量取决于该表面片在场景中投在某一特定表面片上的照明量取决于该表面片在场景中相对于光源的分布位置相对于光源的分布位置光度立体学：图像辐照度2.表面片反射的入射照明部分．表面片反射的入射照明部分．在某一特定方向上被表面片反射的入射照明部分取决于表在某一特定方向上被表面片反射的入射照明部分取决于表面材料的光学特性．面材料的光学特性．Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：双向反射分布函数双向反射分布函数就双向反射分布函数就是亮度和照度的比值是亮度和照度的比值Computer Vision Dept. of Communication Eng. 表面片上的全部辐照就是从半球表面片上的全部辐照就是从半球中所有方向上照到表面片上的辐中所有方向上照到表面片上的辐照总和．将通过单位半球（半径照总和．将通过单位半球（半径为为1）上每一个小片面积上的辐）上每一个小片面积上的辐照累加起来，直到计算完半球的照累加起来，直到计算完半球的全部面积．全部面积． 光度立体学：双向反射分布函数Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：表面反射特性反射类型：反射类型：1. Lambertian反射（也叫理想散射）反射（也叫理想散射）2.理想镜面反射理想镜面反射3. Lambertian反射和镜面反射组合反射和镜面反射组合Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：表面反射特性1.Lambertian反射（也叫理想散射）反射（也叫理想散射） Lambertian 表面是指在一个固定的照明分布下从所有的表面是指在一个固定的照明分布下从所有的视场方向上观测都具有相同亮度的表面，视场方向上观测都具有相同亮度的表面，Lambertian 表面不吸收任何入射光．表面不吸收任何入射光．Lambertian反射也叫散光反反射也叫散光反射，不管照明分布如何，射，不管照明分布如何，Lambertian 表面在所有的表表面在所有的表面方向上接收并发散所有的入射照明，结果是每一个方面方向上接收并发散所有的入射照明，结果是每一个方向上都能看到相同数量的能量．向上都能看到相同数量的能量． Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：表面反射特性1.Lambertian反射（也叫理想散射）反射（也叫理想散射）Lambert余弦定律，即指由点光源照明的表面片的感觉余弦定律，即指由点光源照明的表面片的感觉亮度随着单元表面法线的入射角度变化而变化．随入亮度随着单元表面法线的入射角度变化而变化．随入射角变化是由于因为相对于照明方向表面片的透视缩射角变化是由于因为相对于照明方向表面片的透视缩比效应．换句话说，一块给定面积的表面片，当它的比效应．换句话说，一块给定面积的表面片，当它的法线指向照明光线方向时，可以获取最多的光照．当法线指向照明光线方向时，可以获取最多的光照．当表面法线偏离照明方向时，从照明方向看过去的表面表面法线偏离照明方向时，从照明方向看过去的表面片面积变小了，因此表面片的亮度也降低了．片面积变小了，因此表面片的亮度也降低了． Exp:如一个白球，关掉房间里的所有灯，只打开一个如一个白球，关掉房间里的所有灯，只打开一个灯泡，你将会看到球体上最亮的部分是表面法线指向灯泡，你将会看到球体上最亮的部分是表面法线指向照明方向的部分，并且这与你相对于球所处的位置无照明方向的部分，并且这与你相对于球所处的位置无关，球体上的亮度从对应于光源最亮的一点出发，向关，球体上的亮度从对应于光源最亮的一点出发，向四周所有方向以相同速率递减．四周所有方向以相同速率递减． Computer Vision Dept. of Communication Eng. 表面反射特性注：只与入射光线有关Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：表面反射特性1.Lambertian反射（也叫理想散射）反射（也叫理想散射）Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：表面反射特性2.理想镜面反射理想镜面反射Computer Vision Dept. of Communication Eng. 表面反射特性Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学：表面反射特性3. Lambertian反射和镜面反射组合反射和镜面反射组合式中常量式中常量控制着两个反射函数的混合度．控制着两个反射函数的混合度．镜面反射和散光反射的相面反射和散光反射的相对比例随着物体表面材料的不同比例随着物体表面材料的不同而而变化．光滑的物体，或者化．光滑的物体，或者说闪亮的物体，其亮的物体，其镜面反射的面反射的成分要高于无光成分要高于无光泽的物体．的物体． Computer Vision Dept. of Communication Eng. 表面反射特性Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:表面方向Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:表面方向Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:表面方向Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:表面方向Computer Vision Dept. of Communication Eng. 表面朝向：表面法线和镜头方向间夹角ZYXNdxdyqdy pdxComputer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:表面方向Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:反射图(Reflectance Map) 将场景照明、表面反射和（在以观察者为中心的坐标系中）将场景照明、表面反射和（在以观察者为中心的坐标系中）表面方向表示的组合称为表面方向表示的组合称为反射图反射图．它确定了在给定照明分．它确定了在给定照明分布和表面材料的情况下，一个表面片在特定方向上的亮度布和表面材料的情况下，一个表面片在特定方向上的亮度．． Computer Vision Dept. of Communication Eng. 含义？表面法线矢量[– p –q 1p –q 1 ]T ; 指向光源矢量[– p ps s ––q qs s 1 1 ]T夹角光度立体学:反射图(Reflectance Map)亮度不能亮度不能为负值为负值以观察者为以观察者为中心，光轴中心，光轴指向像平面指向像平面方向为方向为z轴轴Computer Vision Dept. of Communication Eng. •场景照明（光源）、表面反射特性和表面方向（梯度表示）共同确定表面一点的亮度，三者的组合形成反射图. •假设图象平面上的辐照度（亮度）等于物体表面对应点的辐射度，则已知反射图和以上三个因素，就可以确定图象上一点的亮度.光度立体学:反射图(Reflectance Map)Computer Vision Dept. of Communication Eng. 图像辐照度的精确值取决于各种因素，比如光源强图像辐照度的精确值取决于各种因素，比如光源强度、光学系统的集光性能以及很多其它不影响反射的因度、光学系统的集光性能以及很多其它不影响反射的因素．这些因素使得图像辐照度正比于若干常数。

素．这些因素使得图像辐照度正比于若干常数 因此，反射图可以归一化，以便统一描述．因此，反射图可以归一化，以便统一描述．这样对于一个远距离点光源照射的朗伯面，有：这样对于一个远距离点光源照射的朗伯面，有： 景物亮度与表面朝向关系可由反射图获得景物亮度与表面朝向关系可由反射图获得 光度立体学:反射图(Reflectance Map)Computer Vision Dept. of Communication Eng. 点光源照射的Lambertian表面典型反射图灰度图象反射图象Computer Vision Dept. of Communication Eng. 光度立体学:亮度约束方程 反射图表示了表面亮度与表面朝向的关系反射图表示了表面亮度与表面朝向的关系 图像上一个点的辐照度正比于景物中目标表面对应图像上一个点的辐照度正比于景物中目标表面对应点亮度 如果归一化将比例系数定为单位值，则可将景物点如果归一化将比例系数定为单位值，则可将景物点亮度记为：亮度记为： 可以得到图像上点照度为：可以得到图像上点照度为：Dept. of Communication Eng. 光度立体学:从明暗恢复形状Computer Vision • 基本计算公式：• 问题： 已知图象亮度和反射图，求解图象上每一点 对应的三维信息• 未定系统：一个方程，多个未知数• 需要引入其他约束亮度(intensity)约束Dept. of Communication Eng. Computer Vision 光度立体学:从明暗恢复形状Dept. of Communication Eng. Computer Vision 光度立体学求解Dept. of Communication Eng. Computer Vision 光度立体学求解在两个不同光源在两个不同光源照射下的两个反照射下的两个反射图迭加示意图射图迭加示意图Dept. of Communication Eng. Computer Vision 光度立体学求解Dept. of Communication Eng. Computer Vision 从明暗恢复形状合成图象Bichsel and PentlandLee and RosenfeldPentland实际深度图Zheng and ChellapaDept. of Communication Eng. Computer Vision 光度立体改变光源所获得的同一个球的五幅图像Dept. of Communication Eng. Computer Vision 光度立体Dept. of Communication Eng. Computer Vision 练习。