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一种光照明模型的逆推 1 建立真实环境的光照模型 现实的改进（ar）技术是基于虚拟现实（虚拟现实，虚拟现实现实）技术的发展的。这是基于信息系统提供的信息，它可以增强用户对现实世界的感知。增强现实有相当巨大的应用潜力和发展前景, 因此正越来越引起人们的关注。 增强现实技术是要将计算机生成的虚拟环境和用户周围的现实环境融为一体, 使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围环境的组成部分。要使增强现实中计算机生成的虚拟环境具有真实感, 让使用者从感官效果上确信虚拟物体是其周围环境的组成部分, 虚拟物体的光照情况应该与真实环境中的光照情况保持一致, 换言之, 就是应该用真实环境中的光源, 对虚拟物体进行“照明”。因此, 对真实环境中的光照情况进行注册, 建立真实环境的整体光照模型是增强现实技术研究的重要部分。 目前的增强现实系统研究中, 一般采取的方法都是对真实环境中实际存在的光源一一登记注册, 确定了真实光源的位置性质等等, 从而建立真实环境的光照模型, 在虚拟物体绘制中采用这些光源对其进行照明。这样的方法相当复杂, 工作量相当大, 而且局限性较大, 每换一个环境, 就要重新进行一次注册, 并且在许多增强现实的应用环境中, 影响系统环境光照的因素相当多, 实际上无法完全进行注册, 尤其是在室外使用的增强现实系统, 这种方法基本不适用。这就限制了增强现实的应用, 为此提出一种新的方法, 利用计算机图形学的光照明模型计算方法进行逆推, 可以较为方便地建立增强现实系统光照模型, 算法简单易行, 并且适应性较强。 2 光亮度的计算 光照模型是计算机图形学中生成真实感图形的基础。简言之, 即根据材料表面和光源特性, 依据光学物理的有关定律, 计算景物表面上任一点投向观察者眼中的光亮度的大小和色彩组成。光照模型定义了光源特性、光强在照射表面的几何分布和表面对光照的反射特性等。在三维图形绘制中, 需要根据光照模型计算每一个像素上可见的景物表面投向观察者的光亮度。 2.1 点光源法i 自然界的绝大多数景物是理想漫反射体, 因此Lambert漫射模型广泛应用于计算机图像和视觉系统中。它描述问题简单, 适用于较理想的漫射表面, 如石灰墙壁, 纸张等。其方程形式为 I(x,y) =kaIa+f(d)kdInL·N(1) 式中,I(x,y) 是光照表面点 (x,y) 处的光强;Ia是入射环境光的光强;In是点光源发出的入射光光强;ka为景物表面对环境光的漫反射系数;kd为景物表面的漫反射系数;f(d) 为光源强度衰减因子, 是光源与物体表面之间距离d的函数;L为光源发射方向单位向量;N是点 (x,y) 处的表面单位法向量。 Lambert模型没有考虑表面的镜面反射效果, 所以仅能对有限的表面给出较好的近似。 2.2 光源的个数及光特性 在图像处理系统中, 综合考虑模型与实际的吻合程度和模型处理所需的代价, Phong模型是一个可接受的“标准”模型, 它综合反映了漫射、反射和环境光对表面作用的结合。其方程形式为 Ι=kaΙa+Μ∑i=1fi(d)Ιni[kd(Ν?Li)+ks(Ν?Ηi)n](2)I=kaIa+∑i=1Mfi(d)Ini[kd(N?Li)+ks(N?Hi)n](2) 式中,M表示对场景有贡献的点光源的总个数;I是光照表面点 (x,y) 处的光强;Ia是入射环境光的光强;Ini、fi(d) 是第i个点光源发出的入射光光强和光源强度衰减因子;ka为景物表面对环境光的漫反射系数;kd为景物表面的漫反射系数;ks为景物表面的镜面反射系数;n称为镜面高光指数, 被用来模拟镜面反射光在空间的会聚程度;Li为第i个点光源发射方向单位向量;N是点 (x,y) 处的表面单位法向量;Hi为将入射光反射到观察者方向的理想镜面的单位法向量,Ηi=Li+V2?V为观察者视线单位向量。 2.3 确定单位向量 光线跟踪算法是由原用来消除场景中隐藏面的光线投射算法演变而来。算法采用逆向跟踪技术, 从视点出发, 通过跟踪图像平面上每一个像素中心向场景发出的光线, 确定景物与光源光线的交点, 完成景物的绘制。如图1所示, 反射光线单位向量的确定如下 R=L-2N(N·L) (3) 式中,L为入射光线方向向量,N是表面单位法向量, 且R、L和N共面。 光线跟踪是一种多功能的技术, 它可用同一模型来模拟光源和环境入射光在表面产生的镜面反射和折射, 实现场景消隐及生成阴影等。 3 基于图像中光照情况的模拟照明算法 在三色立体基准注册的增强现实系统中, 使用了一个三色棱的正方体作为三维标志物, 利用一个CCD摄像机对包含三维标志物的真实环境进行拍摄, 采集的图像既包含了使用者的头部注册信息, 也包含了真实环境光照情况的信息。充分利用采集到的数字图像数据, 可以根据图像中标志