1.基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,所述系统包括:
高维光场数据采集单元,用于部署球形阵列相机系统,每个相机采样点包含主相机和4个辅助相机;主相机采集高分辨率空间光场信息,辅助相机以不同曝光参数采集HDR光场信息,组成高维光场数据;
数据分析与计算单元,用于基于高维光场数据,使用各向异性核函数进行光场插值,得到插值处理后的高维光场数据;构建分层光场传播模型,根据插值处理后的高维光场数据,求解光线在不同介质中的传播特性;建立光场梯度张量,并使用传播特性校正光场梯度张量,用于表征空间光强度变化;
区域划分与渲染单元,用于基于校正后的光场梯度张量,计算光场梯度不连续点,通过光场梯度张量的奇异值分解,识别目标物体轮廓和表面,构建自适应八叉树结构,对高曲率区域进行划分,结合划分的结果,进行实时渲染。
2.如权利要求1所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,高维光场数据采集单元的执行过程具体包括:在以目标物体为中心的球面上均匀布置12个相机采样点,球半径根据目标物体的尺寸自适应调整,球半径大于目标物体的最大直径;每个相机采样点包含1个4K分辨率主相机和沿十字架方向布置的4个2K分辨率的辅助相机;使用结构光投影进行相机组内部标定,获取各相机之间的位姿关系;通过球面标定板对整个球形阵列相机系统进行全局标定,建立统一的球坐标系;4个辅助相机分别采用不同曝光参数,分别为‑2EV,‑1EV,+1EV和+2EV;主相机的镜头的最大光圈值为1.4;同步触发所有相机,采样频率为30fps;对每个相机采样点的4个辅助相机采集到的数据进行HDR合成,得到HDR数据,采用自适应权重算法,降低过曝区域和欠曝区域的影响,通过相机响应曲线校正,实现线性HDR光场,将主相机获取到的高分辨率数据与HDR数据进行融合,构建高维光场数据。
3.如权利要求2所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,高维光场数据为一个向量,其向量元素包括:空间位置坐标、方向角、波长和曝光参数;所述空间位置坐标包括:X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标;所述方向角包括:在球坐标系中,相机位置与Z轴的夹角,以及相机在XY平面内与X轴的夹角。
4.如权利要求3所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,数据分析与计算单元,基于高维光场数据,使用各向异性核函数进行光场插值的过程具体包括:将高维光场数据进行空间重采样,确保在球形采样空间中的数据分布均匀性,对每个相机采样点的高维光场数据进行归一化处理,消除不同相机采样点之间的系统误差,这个过程通过迭代最小二乘法实现,直到所有相机采样点的高维光场数据满足预设的一致性阈值,得到插值处理后的高维光场数据;基于目标物体表面的局部几何特征,自适应地设计各向异性核函数的形状和大小;在目标物体边缘对应的高频细节区域,采用第一各向异性核函数支撑域以保留细节特征;在平滑区域则使用第二各向异性核函数支撑域以增强数据的连续性;第一各向异性核函数和第二各向异性核函数的形状和大小通过协方差矩阵控制,协方差矩阵由局部光场梯度张量的主方向决定;同时,引入各向异性高斯权重,保证了插值结果在空间和角度维度上的平滑过渡。
5.如权利要求4所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,数据分析与计算单元,构建分层光场传播模型,描述光线在不同介质中的传播特性的过程具体包括:
构建分层光场传播模型,首先在最粗糙的层级上,利用光线追踪技术模拟光线在均匀介质中的传播特性,随后逐层细化,在每一层中考虑介质的非均匀性和各向异性特征;结合插值处理后的高维光场数据,通过求解光场传输模型,得到光线在不同介质中的传播特性,其为一个三维向量,其元素包括:反射特性参数、折射特性参数和散射特性参数,这个过程需要迭代计算,直到相邻层级之间的光场差异小于预设阈值;所述反射特性参数为反射率;所述折射特性参数为折射率;所述散射特性参数为散射率。
6.如权利要求5所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,数据分析与计算单元,建立光场梯度张量,并使用传播特性校正光场梯度张量,用于表征空间光强度变化的过程具体包括:通过计算光场传播模型在空间和角度维度上的偏导数,构建一个四阶的光场梯度张量,将四阶的光场梯度张量乘以传播特性对应的三维向量,得到传播特性校正后光场梯度张量,用于表征光场的局部变化特性:该四阶的光场梯度张量的特征值和特征向量揭示了光场变化的主要方向和强度。
7.如权利要求6所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,区域划分与渲染单元,基于光场梯度张量,计算光场梯度不连续点,通过光场梯度张量的奇异值分解,识别目标物体轮廓和表面的过程具体包括:将四阶的光场梯度张量的各分量进行归一化处理,然后设置一个全局阈值,如果某相机采样点的梯度幅度超过全局阈值,则判定其存在轮廓或材质边界不连续,将该相机采样点视为不连续点;在检测到的不连续点附近,对光场梯度张量进行奇异值分解,分解得到的特征值与特征向量将揭示梯度变化的主方向与强度;当最大奇异值大于其他奇异值,且与其他奇异值的差值的和值超过设定的第一判定阈值时,说明在该相机采样点处存在方向性变化,对应表面或轮廓上的特征;若多个奇异值相近,则说明该相机采样点周围区域平滑或具有各向同性特征。
8.如权利要求6所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,区域划分与渲染单元,构建自适应八叉树结构,对高曲率区域进行划分的具体过程包括:在获取目标物体的整体包围盒后,在最粗层级上建立一个八叉体,包围整个目标物体;在每个八叉体内部,都维护设定数量的相机采样点;对于每个八叉体,计算其内部光场梯度张量的方差或平均曲率;如果该方差或平均曲率超过设定的第二判定阈值,则说明此区域存在表面变化,需要进一步细分为更小的八叉体;细分后的更小八叉体继续执行同样的判断,直到满足细分停止条件,当八叉体尺寸达到分辨率上限或光场梯度张量处于平滑状态时,停止细分;该自适应八叉树结构不仅能在空间上有效划分目标物体的区域,而且能减少对平滑区域的过度采样和计算,增加对高曲率区域的采样和计算。
9.如权利要求8所述的基于光场分布的增强现实三维建模系统,其特征在于,对每个最小的八叉体中所包含的光场梯度张量进行局部极值分析,在空间与角度维度上寻找局部最大或最小光强度点,以及光场梯度张量的方向发生转变的点;由于不同材质的反射特性或折射特性存在差异,其光场梯度张量在特定角度会表现出不同的极值分布;通过对极值分布进行分析,得到材质边界的判定依据;对于同一块八叉体,如果观测到存在两种或更多截然不同的光场梯度张量的极值分布,则判定其内存在材质过渡区;进一步结合光线在不同介质中的传播特性,识别哪些极值归属于同一种材质区域;当多个八叉体内的相机采样点对应的光场梯度张量之间的极值分布的协方差值在设定的第三判定阈值内时,将它们合并为同一材质区域,相反,如若极值分布差异大,则判定为相邻的不同材质区域,形成对目标物体表面材质分区的网格化描述。