圖像三維建模中的前期影像采集方案優(yōu)化研究

摘 ?要：隨著數(shù)字藝術(shù)的發(fā)展，游戲動(dòng)漫、三維地圖、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字媒體等領(lǐng)域都需要使用大量的三維數(shù)字資源。低成本、高效率獲取優(yōu)質(zhì)的三維模型和紋理貼圖成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必需條件。圖像三維建模為行業(yè)需求提供了有效的解決方案。運(yùn)用此技術(shù)手段獲取三維模型的前提條件是提高影像采集質(zhì)量。探索一套通用的圖像三維建模影像采集技術(shù)規(guī)范和優(yōu)化手段可以提高圖像三維建模的精確度和效率。

關(guān)鍵詞：圖像三維建模;紋理貼圖;影像采集;三維空間重構(gòu)

隨著圖像三維建模軟件的完善發(fā)展，這種建模方法在三維地圖、影視動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字媒體等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)比激光掃描建模，數(shù)字圖像建模精度略低，但可以同步獲取三維模型和紋理貼圖。相反，激光掃描建模想獲取紋理貼圖則需要增加輔助手段。因此，圖像三維建模有高效率、操作性強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。圖像三維建模的前期影像采集質(zhì)量高低會(huì)直接影響圖像建模軟件生成的三維模型和紋理貼圖的還原精確度。要獲得高質(zhì)量的三維模型和紋理貼圖就必須優(yōu)化前期影像采集方案。影像采集方案優(yōu)化主要從減少采集干擾信息和優(yōu)化拍攝手段兩方面進(jìn)行。

減少干擾信息的目的是提高三維模型還原精確度和紋理貼圖準(zhǔn)確度。干擾信息主要表現(xiàn)為被掃描物體表面高光反射和鏡面反射干擾、三維空間重構(gòu)采樣點(diǎn)干擾、圖像暗部噪波干擾等。可以從過(guò)濾采集對(duì)象表面反光、改善拍攝環(huán)境、提高采集影像的質(zhì)量方面進(jìn)行改善。

優(yōu)化拍攝手段包括：三維空間重構(gòu)優(yōu)化、采樣優(yōu)化、攝影技巧優(yōu)化。

一、減少影像干擾信息

（一）過(guò)濾采集對(duì)象的表面反光干擾

過(guò)濾采集對(duì)象的表面反光是為了獲得干凈的漫反射紋理，減少被采集對(duì)象表面的高光反射和鏡面反射干擾。第一種減少干擾的方法是對(duì)拍攝對(duì)象進(jìn)行表面處理。以真人影像采集為例，可以為人物臉部做吸油處理或者上一層粉底以減少皮膚表面的油亮反光。但是，物體做表面處理會(huì)影響它的表面材質(zhì)反光屬性，例如金屬表面、木制品、塑料表面都有反光和鏡面反射特性，一旦做了表面反光處理就會(huì)變成亞光質(zhì)感。對(duì)于陶瓷更是沒(méi)法改變其高亮質(zhì)感。第二種減少干擾的方法是利用偏振鏡片過(guò)濾被拍攝對(duì)象的高光和反射光，從而獲得理想的漫反射圖像。被過(guò)濾高光和反射光信息的漫反射圖片是理想的三維建模圖像。這種圖像可以生成最佳的漫反射紋理貼圖，使用它生成的三維模型可以計(jì)算出準(zhǔn)確的三維模型結(jié)構(gòu)和表面凹凸細(xì)節(jié)。但是，這樣三維模型的反光屬性和鏡面反射屬性會(huì)丟失，因?yàn)槠耒R過(guò)濾了被掃描物體表面的高光和反射光信息。我們可以在三維軟件的材質(zhì)編輯器編輯材質(zhì)的反射光強(qiáng)度、反射區(qū)域范圍、表面粗糙度、鏡面反射強(qiáng)度、菲尼爾反射等參數(shù)，以此模擬物體的材質(zhì)特性。

被偏振鏡過(guò)濾的高光、鏡面反射光信息在三維材質(zhì)還原方面可以再次被利用。我們需要分別獲取被拍攝對(duì)象高光、鏡面反射紋理通道和漫反射紋理通道。這兩個(gè)通道的貼圖分別賦予三維材質(zhì)漫反射和高光反射范圍或者高光反射強(qiáng)度等材質(zhì)節(jié)點(diǎn)。這種做法可以準(zhǔn)確還原材質(zhì)紋理和反光特性。根據(jù)這個(gè)思路我們進(jìn)行兩個(gè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，使用三腳架固定相機(jī)并進(jìn)行兩次曝光，其中一次曝光在鏡頭前面手持一片影視拍攝用的偏振鏡片，旋轉(zhuǎn)鏡片角度過(guò)濾反射光。兩次拍攝都不可以觸碰相機(jī)，需要使用手機(jī)APP或者USB控制線連接電腦控制相機(jī)曝光，避免相機(jī)位移導(dǎo)致兩張相片沒(méi)法完全重疊。這兩張相片在后期合成軟件利用圖像差值計(jì)算可以分離出一張高光通道貼圖，可用作高光或者反射貼圖。使用偏振鏡片拍攝的圖像可以直接用作漫反射紋理貼圖。但是這種技術(shù)實(shí)施手段效率低，難以批量化操作。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，利用分光鏡的原理，設(shè)計(jì)出一套雙相機(jī)同步同角度分光拍攝裝置，使用它就可以高效率實(shí)現(xiàn)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要獲取的圖像。

（二）改善拍攝環(huán)境，減少拍攝現(xiàn)場(chǎng)干擾信息

改善拍攝環(huán)境的燈光照明，能夠降低燈光反射和投影的干擾。首先，搭建光照均勻、多角度照明、照度統(tǒng)一、色溫一致的漫反射燈光。三維掃描影像采集不建議在自然光條件下進(jìn)行，因?yàn)楣饩€會(huì)隨著時(shí)間和天氣變化導(dǎo)致照明亮度和角度變化，最終造成采集圖像曝光不一致。另外，自然光也許有濃重的陰影，影響漫反射紋理采集。其次，不可以使用燈具直接照明，因?yàn)闊艟叩姆垂鈺?huì)直接投射到物體表面，出現(xiàn)不自然的高光區(qū)域和鏡面反射。

通過(guò)對(duì)比測(cè)試，最優(yōu)化的方法是使用大型柔光板柔化光線，過(guò)濾燈泡的反射;或者使用反光板反射燈光的間接照明手段。為了減少陰影和提高被掃描對(duì)象的暗部照明，亮度燈光要從前后、左右上下多角度照射被掃描物體，從而獲取均勻的漫反照射效果。這種均勻、多角度的漫反射照明如同手術(shù)室的無(wú)影燈，一方面可以避免出現(xiàn)生硬的陰影或者沒(méi)有層次的暗部區(qū)域，另一方面也可以避免產(chǎn)生不自然的高光亮點(diǎn)和反射。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，使用了漫反射光源和直接照射光源所獲得的圖像分別進(jìn)行建模和生成貼圖。我們發(fā)現(xiàn)使用燈光直射照明條件下，采集圖像所獲取的模型與貼圖在三維軟件渲染時(shí)有明顯不自然的燈光投影以及模型的暗部缺乏層次細(xì)節(jié)，模型暗部的結(jié)構(gòu)還原失真。同時(shí)，三維模型存在不跟隨光照角度變化的高光反射。

搭建攝影臺(tái)，也可以減少背景干擾。參照攝影棚攝影和人像攝影的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的拍攝對(duì)象搭建黑白灰不同的純色背景，并配合柔光攝影臺(tái)。此技術(shù)手段可以獲得干凈的拍攝背景，減少不必要的背景圖像信息干擾，因此也降低了三維空間重構(gòu)采樣點(diǎn)干擾。

（三）提高影像采集質(zhì)量，降低圖像噪點(diǎn)干擾

這一手段的重要思路是提高存儲(chǔ)圖片寬容度，并使用高質(zhì)量存儲(chǔ)格式，減低圖像暗部噪點(diǎn)干擾。改善照明燈光在一定程度上能彌補(bǔ)圖片采集暗部細(xì)節(jié)層次還原。但受到相機(jī)曝光動(dòng)態(tài)范圍的影響，拍攝時(shí)候會(huì)遇到亮部和漫反射區(qū)域曝光準(zhǔn)確而暗部區(qū)域曝光不足、圖像暗部有明顯的噪點(diǎn)、圖像暗部層次丟失等情況。目前主流的單反相機(jī)可以涵蓋12到13檔的曝光動(dòng)態(tài)范圍，沒(méi)法達(dá)到高動(dòng)態(tài)圖像采集的標(biāo)準(zhǔn)。最有效的方法是通過(guò)±2.5到3檔的包圍曝光，同步采集一組為三張的照片，利用HDRI軟件工具，把這三張照片合并為一張HDRI高動(dòng)態(tài)圖。針對(duì)不同的圖像三維建模軟件需求，我們可以直接使用HDRI圖片或者對(duì)HDRI圖調(diào)整曝光和暗部曲線，映射為8比特jpg或者10比特的tif圖片。從HDRI圖片映射的位圖暗部噪點(diǎn)基本消失，具有豐富的細(xì)節(jié)層次，適合圖像三維建模使用。從三維渲染的角度和紋理貼圖的角度來(lái)看，暗部紋理的亮度層次盡量與受光區(qū)域的亮度層次接近，因?yàn)樵谌S渲染當(dāng)中，燈光投射到三維物體必然產(chǎn)生陰影，如果紋理貼圖本來(lái)就帶有拍攝時(shí)候捕捉到的陰影，它與三維燈光照射后產(chǎn)生的陰影重疊會(huì)造成暗部完全失去紋理細(xì)節(jié)。另外，這些假的陰影不會(huì)隨著三維燈光的照射角度變化。

二、優(yōu)化拍攝手段

（一）采樣優(yōu)化

三維空間重構(gòu)首先要規(guī)范采集圖像的分布和重疊度。以固定掃描對(duì)象在旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行拍攝為例，圖像拍攝角度要360度覆蓋被掃描物體。通過(guò)對(duì)比測(cè)試，我們得到優(yōu)化的參考數(shù)據(jù)，每一圈拍攝8-9張圖片，圖片間隔在35度到45度之間，上下拍攝3-4圈圖片。圖像的重疊度在40%--55%左右是最理想的。

（二）三維空間重構(gòu)優(yōu)化

三維空間重構(gòu)原理是圍繞掃描對(duì)象按照一定的順序采集圖片序列。采集圖像有兩種方法：

1.拍攝者360度圍繞被拍對(duì)象進(jìn)行拍攝。這種拍攝方法直接簡(jiǎn)便，能獲取豐富的空間參考點(diǎn)，有利于三維空間重構(gòu)。但會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一是空間參考點(diǎn)多容易產(chǎn)生干擾模型的參考點(diǎn)，需要手動(dòng)清空沒(méi)必要的參考點(diǎn)，再進(jìn)行三維模型優(yōu)化和輸出。二是拍攝角度改變導(dǎo)致拍攝物體在不同的取景角度采樣到的光線照射不均勻，不容易獲得相對(duì)照射均勻的紋理貼圖。

2.把被掃描對(duì)象放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，被掃描對(duì)象360度旋轉(zhuǎn)。攝影機(jī)固定在腳架上，只調(diào)節(jié)攝影機(jī)高低和俯仰角度進(jìn)行拍攝。我們可以獲取按照經(jīng)緯度整齊排列、間距統(tǒng)一的圖片序列。此方法比較有利于三維重構(gòu)。但是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的被掃描對(duì)象需要在對(duì)于位置選擇更多的角度和不同的距離拍攝圖片，避免出現(xiàn)三維參考點(diǎn)誤差而產(chǎn)生三維模型變形或者表面凹凸結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤等問(wèn)題。

在純色背景下拍攝采樣便于把掃描對(duì)象與背景分離。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明最理想的辦法是在被掃描對(duì)象下面放置一張標(biāo)準(zhǔn)色卡。一方面，色卡的不同色塊紋理識(shí)別度高，可以有助于空間的重構(gòu)。另一方面，色卡可以作為色彩矯正使用，可以提高漫反射紋理貼圖的還原準(zhǔn)確度。

（三）攝影技巧優(yōu)化

對(duì)于鏡頭參數(shù)優(yōu)化，一般建議使用中小光圈拍攝，大于5.6光圈會(huì)導(dǎo)致景深過(guò)淺，沒(méi)法捕捉焦點(diǎn)以外的空間參考點(diǎn)。不建議使用廣角或者長(zhǎng)焦拍攝。廣角拍攝會(huì)產(chǎn)生鏡頭畸變使會(huì)造成三維模型變形;長(zhǎng)焦拍攝會(huì)導(dǎo)致景深過(guò)淺，沒(méi)法獲取焦點(diǎn)以外的參考點(diǎn)。這些都是圖像建模中圖像采集主要的干擾信息。相機(jī)的文件記錄格式建議使用Raw格式，使用最高分辨率尺寸存儲(chǔ)，雖然這些文件格式會(huì)導(dǎo)致后期計(jì)算緩慢，但是可以提高三維建模還原的精確度。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以減少圖像三維建模干擾信息和優(yōu)化拍攝手段為目的系列實(shí)驗(yàn)對(duì)比，我們總結(jié)出一套三維建模前期影像采集優(yōu)化方案。此方案提出的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)參考有助于提高三維模型質(zhì)量并具有實(shí)用價(jià)值。該方案從優(yōu)化被拍攝對(duì)象表面反光特性、分離漫反射與高光通道、改善光照環(huán)境、提高被采樣物體暗部的光線照度、采用HDRI高動(dòng)態(tài)圖像格式存儲(chǔ)圖片、規(guī)范采樣角度和采樣密度到增加空間參照點(diǎn)，探索出一套行之有效的方法。它可以提高圖片三維建模的精確度，也可以獲取高質(zhì)量的漫反射紋理貼圖和重要的高光反射材質(zhì)屬性參數(shù)（如圖2）。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：崔偉全，碩士，中山職業(yè)技術(shù)技術(shù)學(xué)院講師。