一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法技术

一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法属3D图像处理技术领域，本发明专利技术具体涉及一种虚实结合的基于BVH的光线追踪立体元图像阵列的获取方法，本发明专利技术利用BVH对三维物体进行分类，进而加速立体元图像阵列的获取，通过读入由相机序列拍摄的真实物体的三维模型，经过计算机在虚拟环境下建立理想相机阵列，运用基于BVH分类算法的光线追踪算法，得到无深度翻转的立体元图像阵列，再使用加速算法高效率运行，通过约束其背景色块占比修正立体图像显示范围，使显示屏得到有效利用，经超高密度小间距LED集成成像显示平台验证，实际显示效果清晰度高，且无深度翻转。且无深度翻转。且无深度翻转。

【技术实现步骤摘要】
一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法


[0001]本专利技术属于3D图像处理
，具体涉及一种基于光线追踪的立体元图像阵列获取方法。

技术介绍

[0002]近年来，立体显示技术相关学科的关注度越来越高。立体显示包括视差式立体显示和真立体显示。视差式立体显示技术主要分为裸眼光栅式和借助辅助设备(如眼镜)式，这种技术由于将含有视差信息的图像分别传递给左右眼，在人脑中融合产生立体感，不符合人眼观看真实立体时的辐辏角，容易产生眩晕感，且无法实现大范围连续多视点的视差变化，因此实际中无法长时间高专注度地观看。真实立体显示技术主要包括全息显示、体显示技术和集成成像显示技术。三种显示技术均能在空间中重现被摄物体的三维信息，符合人眼观看时的辐辏调节效应，不易产生视觉疲劳，因此是立体显示技术研究的重点。相较于设备成本较高、时空分辨率受限的全息显示和体显示技术，集成成像技术由于其显示设备成本不高，全彩色以及视点范围宽等诸多优点得到了越来越多的重视。
[0003]集成成像立体显示技术研究内容主要包含立体元图像阵列的获取及集成成像显示。在获取过程中，物体发出的光线通过透镜阵列记录在图像记录媒体上，得到立体元图像阵列，阵列中每个立体元图像分别记录了被摄物体不同方位的信息。集成成像显示过程，显示器中的立体元图像阵列通过透镜阵列成像，在空间中呈现出真实的立体图像。
[0004]立体元图像阵列获取的研究方向主要集中在全光学集成成像采集、计算机辅助集成成像采集和计算机集成成像采集三个方面。全光学集成成像采集和计算机辅助集成成像采集均涉及到对三维物体实际拍摄，对摄像机的位置和时延的精度要求较高，相比较而言，计算机集成成像采集易于实现，且显示效果好，是目前的研究重点。但是传统的计算机获取立体元图像阵列的方法多依赖于三维软件来实现，不能自由地设置所需的相机参数以趋近于理想相机，在相机焦距和视角方面需要折中，进而不能任意控制成像效果，且在传统方法中图像生成过程耗时较长。针对以上问题，本专利技术采用了C++源程序建立虚拟相机，使其符合小孔成像规则，并使用基于BVH的光线跟踪算法高效地渲染图像，得到无深度反转的立体元图像阵列，通过修正相机位置使获得理想的显示范围，并通过光学显示平台进行验证。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种利用BVH对三维物体进行分类，加速立体元图像阵列获取，并且约束其背景色块占比优化立体元图像阵列显示效果的方法。
[0006]本专利技术提出的一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法，其特征在于包括下列步骤：
[0007]1.1读入三维物体模型，模型由相机序列拍摄实际物体，通过三维重建算法得到PLY模型文件；提取PLY模型文件头，读取点云坐标、三角面片数量和颜色信息；
[0008]1.2利用C++语言在虚拟环境下建立虚拟相机阵列，包括下列步骤：
[0009]1.2.1将相机光心的初始位置设为世界坐标系原点，给定相机绕各个坐标轴的旋转角度和平移量，求得相机坐标系下旋转矩阵和平移矩阵为：
[0010][0011][0012][0013][0014]其中：θ
x
、θ
y
、θ
z
为相机绕坐标轴旋转的角度；平移向量u＝(t
x
,t
y
,t
z
)
′
；I为3
×
3的的单位矩阵；相机坐标系的原点为相机的光心；
[0015]1.2.2以拍摄到物体的子图像能覆盖子图像阵列的最大范围为标准，计算虚拟相机阵列光学中心在世界坐标系的位置；对坐标列向量左乘旋转、平移矩阵，得到相机在世界坐标系下的位置坐标，建立初始相机阵列；假设虚拟相机符合小孔成像规则，相机参数包括相机镜头的焦距f、相机的采集角度θ
c
、相机底片的宽度w和高度h，满足下列公式：
[0016][0017][0018]其中：z为相机的光学中心与物体中心的距离；w
m
和h
m
分别为物体包围盒的宽度和高度；
[0019]1.2.3将初始相机阵列中各个相机以底片为底面，焦距为高，建立四棱锥模型，写入PLY文件。将三维物体模型和相机阵列模型在三维软件mashlab中显示，以拍摄到物体的子图像能够覆盖子图像阵列的最大范围为标准，计算虚拟相机阵列光学中心在世界坐标系的位置；
[0020]1.3拍摄立体元图像阵列，包括下列步骤：
[0021]1.3.1利用步骤1.1中的参数θ
x
、θ
y
、θ
z
、t
x
、t
y
、t
z
和z设置虚拟相机阵列，确定每一个相机的光学中心及其底片在世界坐标系下的位置，即追踪光线的起始位置；
[0022]1.3.2以每个相机的光心为起始点定义BVH，其中定义BVH，每个根节点的叶子节点数为4，对模型内每一个三角面片进行分类，使每一个三角面片在层次中仅存储一次，直至
所有物体划分结束；
[0023]1.3.3运用光线追踪算法，对于每一个相机，以其光学中心为起始点，到其底片上的像素点连线为方向，建立用于光线追踪的光线束；
[0024]1.3.4对于每一条光线，沿着前进方向步进式地判断是否与包围盒内的物点相交；若相交，将该叶子节点的RGB值赋予该像素点；若不相交，则其必定不与包围盒内的物点相交，将该像素点置0；
[0025]1.3.5重复步骤1.3.1至1.3.4，并利用openmp对生成立体元图像的循环进行多线程计算，提高计算速度；
[0026]1.3.6利用步骤1.2生成的虚拟相机符合小孔成像原理，对照物体即为倒立的实像；将每一个立体元图像翻转180度，得到正立的虚像，显示时无深度反转效果；将立体元图像按照对应相机排列关系组合，得到立体元图像阵列；
[0027]1.4修正立体图像显示范围，包括下列步骤：
[0028]1.4.1调整虚拟相机阵列的参数，使得设计的相机阵列对于给定空间范围的物体拍摄得到的立体元图像阵列，能获得合适的显示效果，其有效内容需充满显示面积的50％及以上，且物体的质心居于显示图像的中心，从图像阵列的中向u,
‑
u,v,
‑
v四个方向搜索元素图像，设背景色为黑色，立体图像中不含所展示物体的元素图像块为连续的全黑色块，调整虚拟相机阵列的参数x，y，z；计算出各个方向上连续背景色图像块占该方向图像块的百分比；
[0029]1.4.2设四个方向Pb的均值为E(Pb)，满足下述公式：
[0030]E(P
b
)＝(P
b
(u)+P
b
(
‑
u)+P
b
(v)+P
b
(
‑
v))/4
ꢀꢀꢀ
(7)
[0031]对E(Pb)进行判定，以说明物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化的光线追踪立体元图像阵列获取方法，其特征在于包括下列步骤：1.1读入三维物体模型，模型由相机序列拍摄实际物体，通过三维重建算法得到PLY模型文件；提取PLY模型文件头，读取点云坐标、三角面片数量和颜色信息；1.2利用C++语言在虚拟环境下建立虚拟相机阵列，包括下列步骤：1.2.1将相机光心的初始位置设为世界坐标系原点，给定相机绕各个坐标轴的旋转角度和平移量，求得相机坐标系下旋转矩阵和平移矩阵为：度和平移量，求得相机坐标系下旋转矩阵和平移矩阵为：度和平移量，求得相机坐标系下旋转矩阵和平移矩阵为：度和平移量，求得相机坐标系下旋转矩阵和平移矩阵为：其中：θ
x
、θ
y
、θ
z
为相机绕坐标轴旋转的角度；平移向量u＝(t
x
,t
y
,t
z
)
′
；I为3
×
3的的单位矩阵；相机坐标系的原点为相机的光心；1.2.2以拍摄到物体的子图像能覆盖子图像阵列的最大范围为标准，计算虚拟相机阵列光学中心在世界坐标系的位置；对坐标列向量左乘旋转、平移矩阵，得到相机在世界坐标系下的位置坐标，建立初始相机阵列；假设虚拟相机符合小孔成像规则，相机参数包括相机镜头的焦距f、相机的采集角度θ
c
、相机底片的宽度w和高度h，满足下列公式：、相机底片的宽度w和高度h，满足下列公式：其中：z为相机的光学中心与物体中心的距离；w
m
和h
m
分别为物体包围盒的宽度和高度；1.2.3将初始相机阵列中各个相机以底片为底面，焦距为高，建立四棱锥模型，写入PLY文件；将三维物体模型和相机阵列模型在三维软件mashlab中显示，以拍摄到物体的子图像能够覆盖子图像阵列的最大范围为标准，计算虚拟相机阵列光学中心在世界坐标系的位置；1.3拍摄立体元图像阵列，包括下列步骤：1.3.1利用步骤1.1中的参数θ
x
、θ
y
、θ
z
、t
x
、t
y
、t
z
和z设置虚拟相机阵列，确定每一个相机
的光学中心及其底片在世界坐标系下的位置，即追踪光线的起始位置；1.3.2以每个相机的光心为起始点定义BVH，其中每个根节点的叶子节点数为4，对模型内每一个三角面片进行分类，使每一个三角面片在层次中仅存储一次，直至所有物体划分结束；1.3.3运用光线追踪算法，对于每一个相机，以其光学中心为起始点，到其底片上的像素点连线为方向，建立用于光线追踪的光线束；1.3.4对于每一条光线，沿着前进方向步进式地判断是否与包围盒内的物点相交；若相交，将该叶子节点的RGB值赋予该像素点；若不相交，则其必定不与包围盒内的物点相交，将该像素点置0；1.3.5重复步骤1.3.2至1.3.4，并利用openmp对生成立体元图像的循环进行多线程计算，提高计算速度；1.3.6利用步骤1.2生成的虚拟相机符合小孔成像原理，对照物体即为倒立的实像；将每一个立体元...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世刚，李天舒，赵岩，韦健，高阳，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：