变化光照动态场景三维采集系统技术方案

本发明专利技术涉及变化光照动态场景三维采集系统，属于计算机图形学中的场景采集技术领域。该系统包括：由多个日光灯和发光二极管组成的照明单元，由Ｎ个相机组成的采集单元，由计算机、单片机电路和电源组成的控制单元，机械支架，以及由采集卡及服务器、幕布及可升降钢架、固定器件与连接线组成的附属设备。单片机电路和电源、计算机、相机及发光二极管均相连；幕布及可升降钢架覆盖整个机械支架的四周；服务器上的采集卡与相机连接；发光二极管、日光灯及相机固定在机械支架上。通过控制发光二极管光照的快速变化和不同组相机的采集时间间隔，系统可以实现多组多视角视频流的变化光照异步采集，从而完成变化光照条件下针对动态场景的三维采集。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机图形学中的场景采集
，特别涉及针对变化光照条件下动态 场景的三维采集系统。
技术介绍
针Xt真实场景的采集，国际上多所大学和科研机构已经设计并实现了许多系统2000年，加州大学的Debevec实现了一个用于在变化光照条件下针对静态人脸的二维采集系统(Acquiring the Reflectance Field of a Human Face, 2000, Siggraph)-该系统实施时被采集对象静止不动而改变光照的方向和亮度，相机于单一视角采集人脸各个区域的明 暗变化，对结果进行分析后可以计算得出任意光照条件下的人脸图像。由于只能采集静态 二维对象，该系统的应用受到了限制。2002年，加州大学的Debevec又实现了一个用于在合成虚拟光照条件下针对动态人体 的華视角采集系统(A Lighting Reproduction Approach to Live-Action Compositing, 2002， Siggraph)——该系统实施时.利用硬件模拟想要的光照条件，之后于三个视角采集人体在该 光照下的动作，并将采集到的结果用于和拥有此光照条件的新环境做合成。由于光照是硬 件模拟的而不是软件合成的，该系统并非真正意义的"可变化光照"；同时由于只是多视 角采集而没有几何建模，该系统也并非真正意义的"三维采集"。2005年，南加州大学的Wenger实现了一个用于在变化光照条件下针对动态人脸的二维采集系统(Performance Relighting with Time-Multiplexed Illumination, 2005, Siggraph)-该系统将高速变化的光照和高速摄像机结合，于是在极短时间内物体可以被近似看作静 止，从而类似静态物体一样进行"变化光照"的采集。由于高速摄像机过于昂贵，考虑到 成本该系统只能安装一台于单一视角进行二维动态场景的采集。2007年，萨里大学的Starck实现了一个用于在恒定光照条件下针对动态人体的三维采 集系统(Surface Capture for Performance-Based Animation, 2007， Computer Graphics and Applications)——该系统利用多相机于多个视角对动态人体进行采集，之后根据采集结果对 人体进行建模，再把结果合成到新的环境中。该系统是真正的"三维采集"，但是由于没 有考虑新环境光照对模型的影响，该系统难以达到十分逼真的合成效果。综上，这些系统都不能把变化光照、动态场景和三维采集结合在一起。静态场景由于 其中的物体静止不动，所以采集到的图像或视频流与采集时间无关，只与光照条件有关， 从而能够实现变化光照采集；而动态场景稍纵即逝无法重复，采集时间与光照条件的影响 纠结在一起，无法分离——这就是变化光照和动态采集难于结合的症结。Wenger的系统虽 然结合了变化光照和动态采集，但是由于安装多台昂贵的高速摄像机成本过高，故只能安装一台。这样就无法进行多视角的大规模采集，因而不能通过几何建模实现三维采集。
技术实现思路
本专利技术提出一种变化光照动态场景三维采集系统，将变化光照、动态场景和三维采集 三者结合在了一起。本专利技术提出的变化光照动态场景三维采集系统，其特征在于，该系统包括 照明单元，由多个日光灯和发光二极管组成，用于提供可调节可变化的光照条件； 采集单元，由N个相机组成(N为正整数)，用于分组从多个视角对三维场景进行采集；.,控制单元，由计算机、多组单片机电路和电源组成，用于控制照明单元和采集单元完 成变化光照动态场景三维采集；机械支架，用于固定照明单元和采集单元；附属设备，包括采集卡及服务器、幕布及可升降钢架、固定器件与连接线，用于存储 采集结果以及辅助各部件之间的线路和机械连接； 各部件的连接关系-所述单片机电路通过串口与计算机相连，通过导线与电源和发光二极管相连，通过通 用输入输出口与N个相机相连，同时多组单片机电路之间通过CAN总线相连V所述幕布 悬挂在可升降钢架上并覆盖整个机械支架的四周；所述服务器上的采集卡通过1394B 口与 相机连接；所述发光二极管和日光灯固定在机械支架的网格上；所述相机则固定在机械支 架的横杆和竖杆上。，本专利技术的工作过程-通过控制发光二极管在极短的时间(大概几十ms)内实现光照的高速变化，以保证场 景在短时间内近似静止，而只有光照条件的变化。协调不同组相机采集的起始时间以实现 高帧率的异步采集；与此同时，同组相机进行同步采集，以得到某一时刻多角度拍摄结果。 如此一来，系统通过采集单元(多组多视角相机)的内部配合，在高帧率异步采集的同时 实现多视角采集以进行变化光照几何建模。本专利技术的特点及有益效果本专利技术借鉴了 Wenger系统"在极短时间内物体可以被近似看作静止，从而类似静态 物体一样进行'变化光照'采集"的思想。不同之处在于系统利用异步相机代替了 Wenger 系统中的高速摄像机；同时若干组异步相机就相当于若干个高速摄像机，从不同的视角对 变化关照条件下的被采集对象进行拍摄。这样，得到的多视角变化光照下的视频流即可以 用于几何建模。综上，本专利技术优于Wenger的系统——可以完成真正意义的"三维采集"； 也优于Starck的系统——可以实现真正意义的"变化光照采集"。采集到的视频流数据及 变光照几何建模结果经过后续处理可以应用于压縮编码、图形学、视觉等多种学科方向， 尤其对于虚拟现实领域有很大贡献。附图说明图1为本专利技术系统的框架结构图。图2为本专利技术系统的机械支架实施例示意图。 图3为本专利技术系统的照明单元实施例示意图。其中，图3A是日光灯安装的实施例示意图，图3B是发光二极管安装的实施例示意图， 图3C是图3B的局部放大示意图，图3D是图3C的侧面示意图。 图4为本专利技术系统的采集单元实施例示意图。其中，图4A是相机安装的实施例示意图，图4B是图4A中固定器件42的俯视示意 图，图4C是相机分组的实施例示意图。图5为本专利技术系统的控制单元实施例中的单片机电路结构示意图。 图6为本专利技术系统的附属设备实施例示意图。其中，图6A是装有采集卡的服务器的结构示意图，图6B是幕布和九边形可升降钢架 的外观示意图。具体实施方式本专利技术提出的变化光照动态场景三维采集系统结合附图及实施例详细说明如下 本专利技术实现的采集系统总体结构如图l所示，由机械支架、照明单元、采集单元、控制单元和附属设备五部分组成；其中，机械支架是一个由横杆、竖杆和铁丝网格构成的铁笼，用于固定照明单元和采集单元；照明单元包括多个日光灯和发光二极管，前者用于提 供恒定光照，后者用于提供可调节可变化的光照条件；采集单元包括多个相机，用于分组 从多个视角对三维场景进行采集；控制单元包括控制计算机、多组单片机电路及其电源， 用于控制照明单元和采集单元完成变化光照动态场景三维采集；附属设备包括采集卡及服 务器、幕布及可升降钢架、固定器件与连接线(此部分未在图中显示标注)，用于存储采 集结果以及辅助各部件之间的线路和机械连接。上述系统用于完成变化光照条件下针对动 态场景的三维采集。其中，单片机电路通过串口与计算机连接，通过导线与电源和发光二极管连接，通过 通用输入输出口与相机接，同时多组单片机电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变化光照动态场景三维采集系统，其特征在于，该系统包括：照明单元，由多个日光灯和发光二极管组成，用于提供可调节可变化的光照条件；采集单元，由Ｎ个相机组成，Ｎ为正整数，用于分组从多个视角对三维场景进行采集；控制单元，由计算机、多组单片机电路和电源组成，用于控制照明单元和采集单元完成变化光照动态场景三维采集；机械支架，用于固定照明单元和采集单元；附属设备，包括采集卡及服务器、幕布及可升降钢架、固定器件与连接线，用于存储采集结果以及辅助各部件之间的线路和机械连接；各部件的连接关系：所述单片机电路通过串口与计算机相连，通过导线与电源和发光二极管相连，通过通用输入输出口与Ｎ个相机相连，同时多组单片机电路之间通过ＣＡＮ总线相连；所述幕布悬挂在可升降钢架上并覆盖整个机械支架的四周；所述服务器上的采集卡通过１３９４Ｂ口与相机连接；所述发光二极管和日光灯固定在机械支架的网格上；所述相机则固定在机械支架的横杆和竖杆上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴琼海，刘烨斌，曲震，张乃尧，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]