专利名称：一种水下光场采样及模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种水下光场采样设备，并提出利用采样数据实现水下光场的模拟方 法，属于虚拟现实技术领域。
背景技术：
对水下光照的研究主要集中在农业领域。由于水生动植物受水中光照影响特别 大，尤其对于特定深度生活的动植物，生活的光照条件改变后，对整个水下生物链有很大的 影响。因此基于真实数据的水下环境光照建模就有了十分重要的现实意义。水下光场与陆地光场主要两点不同⑴水下光的衰减大；(2)由于水中存在各种 污浊物，使得光的散射现象非常严重。光在水中传播时，它是按指数衰减的，其相互关系可 用下式表示I(x) = l*e'~d其中I代表原始光强度，χ表示传播距离，d表示传播介质的衰减系数，对于不同波 长的光衰减系数是不一样的，在水中波长越长衰减越严重。在水中，光的散射现象多数是由 于水中胶体粒子的存在而造成的，即使在非常干净、透明的水中，由散射造成的光的衰减达 60%。目前的光照模拟对象主要可分为室内场景光照模拟与室外环境光照模拟两类。国 内尚没有对水下光场模拟的相关研究，国外的相关研究也比较少，主要是利用低波段的可 见光在水中透射性强的特点，通过设定光照颜色产生类似于水下光照环境的效果。由法国海事研究与利用中心开发的海底光照环境系统，首先考虑了水对不同波长 的光的吸收率的差异，使用不易被吸收的光对水下场景进行渲染；另外还考虑了水中杂质 对光照产生的漫反射的影响，使生成的效果具有较为真实的水下光照特点。Debevec 在《Rendering synthetic objects into real scenes》中提出一禾中简 单有效的方法用来测量场景中某一点处的入射光辐射度，结合全局光照算法，对场景中的 虚拟物体相当逼真的绘制出正确的合成光照效果。但该方法只适用于静态的场景的光场采 样。总体来说，现有水下场景光照模拟方法存在计算量大、真实感不强、不具有物理特 性等不足，无法进行高真实度的水下场景光照模拟。
发明内容
本发明的目的是解决水下光场的采样与模拟问题，克服了现有模拟系统中光照模 拟真实度不高的问题，利用真实采样数据建立水下光照模型，为视觉特效领域模拟水下环 境提供一种有效的场景渲染方法，同时也为农业研究水下光场对水生植物的影响提供了一 种可视化的方案。为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是设计一种水下光场的采样装置 及采样方法，并提出一种基于采样的水下光场模拟方法
所述的一种水下光场采样装置的设计为该装置外部安装有防水外壳，仪器主要包括的两个背向放置的鱼眼摄像机，深度 测量仪，重力感应仪，在设备下沉的过程中等间隔的获取两个方向光照，同时采样当前的深 度信息与采样装置的水平偏转角度，采样的数据存放在存储设备中。所述的水下光场采样方法的过程为(1)将采样设备放入水中并保持水平；(2控制装备在水中勻速的下降，同时通过数据线传输信号控制设备等间隔的获取 数据；(3)周期性地执行步骤(2)，直到采样装置下降至指定深度，采样装置采样数据；(4)对采样数据进行处理所述步骤(4)进一步分为以下子步骤(1)去除光照图像中的噪声点；(2)将两个鱼眼摄像机捕捉的图像拼合为全景光照图；(3)利用装置中的重力感应器水平测量仪获取水平方向，对全景光照图进行方向 校正。所述的水下光照模拟方法的过程为(1)利用当前场景所在的水深信息，计算出当前深度的光�。�(2)将场景模型加入计算出的当前深度的光场中，采用光线跟踪算法对场景进行 水下光照渲染。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)克服了目前水下环境光照模拟的真实感不强，光照信息不具有物理可靠性的 问题，本发明对真实的水下光照进行采样，生成水下环境光照模型；(2)本发明能够对水下场景的进行真实的光照渲染。
图1为本发明的采样装置图；图2为本发明的水下光照采样及模拟方法流程图；图3为本发明的水下光照渲染方法示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。步骤1如图1所示，给出水下全景光照采样装置的设计图，装置组成如下所述(1)为一个0. 5*0. 5*0. 3m3的钢制立方体框架，该框架是光照采样装置的主体结构。(2)为压强式深度测量装置，用于定时采样装置所在的水下深度。(3)为鱼眼摄像头，用于定时采样水下光照情况，装置中安装了两个背向放置的鱼 眼摄像头，可以采样到整个水下光照的分布情况。(4)为重力感应器水平测量仪，用于记录装置与水平方向的偏转角度。步骤2如图2所示，给出的水下光照采样方法流程图。
步骤2. 1搭建采样装置以后，将采样装置放入水中。控制采样装置在水中勻速的 下降，同时控制采样仪器进行数据采样，当采样装置到达指定深度后，采样仪器停止工作， 回收采样装置。步骤2. 2对鱼眼相机拍摄到的图像进行中值滤波，对图像进行平滑噪声处理。由 于水中有很多可见杂质的存在，采用中值滤波既可以去除噪声又可以保留图像中边界信 息，二维中值滤波输出为 g(x，y) = med {f (x_k，y_l)，(k, 1 e ff)}其中f (x，y)，g(x, y)分别为原始图像和处理后图像的二维空间，W为二维模板， med表示取域中各点的中值，根据水下杂质不规则的特点，采用3*3区域作为统一模板。步骤2. 3将两个鱼眼相机拍摄的光照图像分别映射到两个半球表面，计算最小欧 式距离确定拼接区域的范围，将两个半球表面拼接成一个映射在球面的全景光照图。步骤2. 4利用装置中的重力感应器水平测量仪获取与水平方向的偏转角度(Ψ， θ )，对光照球面进行方向校正。步骤2. 5计算当前深度的水下环境光照图。提取出与当前场景相邻的两个采样深度的全景光照图，将其RGB表示转换HIS表 示，利用水深数据对两个全景光照图进行插值，计算场景深度的光�。峁豏GB表示 的图像。插值计算公式为当前环境光照图中的点的色觉值为(h，i，s)
权利要求
一种水下光场采样装置及模拟方法，采样装置专门用于采集水下光�。涮卣髟谟诎�(1)设计一种水下光场采样装置，用于采集水下光照图像、水平偏转角度以及水下深度信息；(2)利用所述水下光场采样装置采样得到水下深度、水下光照图像、水平偏转角度数据，对光照图进行平滑噪声处理，将同一深度的光照图像拼合成全景光照图，并根据水平偏转角度进行校正；(3)利用所述获取的水下光场离散采样数据，计算表示场景所在深度光场的全景光照图；(4)加入场景模型信息，综合考虑场景模型之间的相互影响，确定观察视点，使用光线跟踪算法对场景进行水下光照渲染。
2.根据权利要求1所述的一种水下光场采样及模拟方法，其特征在于所述步骤(1) 中水下光场采样装置如下装置主体由钢制框架构成，并在框架上安装防水罩保护内部仪器；数据采样仪器包括 两个背向放置的鱼眼摄像机，用于获得装置水平偏转角的重力感应器水平测量仪，深度测 量仪，通过数据线控制仪器进行数据采样。
3.根据权利要求1所述的一种水下光场采样及模拟方法，其特征在于所述步骤(2) 中全景光照图像拼接方法如下(1)将水下光场采样装置获取的光照图像分别映射到世界坐标系下的半球型表面；坐 标转换公式为设光照图的坐标为(u，ν)，光照图的边长为1，转换到世界坐标系下的坐标 分别为(x' ,1' ,ζ')和(x〃，y" ,ζ")的公式如下
4.根据权利要求1所述的一种水下光场采样及模拟方法，其特征在于所述步骤(2)中 全景光照图角度校正方法如下利用水下光场采集装置获得的水平偏转角度对生成的球面全景光照图像进行角度修 正；设球面上一点P(x，y，ζ)的亮度值为η，重力感应器水平测量仪采样的数据(Ψ'， θ ‘)，分别表示竖直偏转角度为Ψ ‘、水平偏转角度为Θ'，则修正后的P' (χ'，y'，ζ')的计算公式为
5.根据权利要求1所述的一种水下光场采样及模拟方法，其特征在于所述步骤(3) 中计算表示场景所在深度光场的全景光照图的方法如下提取出与当前场景相邻的两个采样深度的全景光照图，将其RGB表示转换HIS表示，利 用水深数据对两个全景光照图进行插值，计算场景所在深度的全景光照图。
全文摘要
本发明涉及一种水下光场采样与模拟方法。该方法设计一种水下光场采样装置，并利用采样数据实现水下光场的模拟。具体包括(1)设计一种水下全景光照的采样装置；(2)将步骤(1)中设计的采样装置从水面匀速下降至设定深度，同时等间隔的获取一组随深度变化的水下采样数据；(3)在步骤(2)采样水下光照图像后，分别对每组光照图像平滑噪声处理，再将两个鱼眼相机在同一深度采样的光照图像拼接成完整的全景光照图像；(4)在步骤(3)得到一组不同深度全景光照图像后，计算场景所在深度的全景光照图，加入场景模型数据，使用光线跟踪算法进行水下光照渲染。该发明针对水下环境中可见光的高衰减度、水中干扰复杂特点建立水下光照模型，具有真实感强和易实现的优点。
文档编号G01J1/00GK101982741SQ20101027681
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者伍朝辉, 吴威, 周忠, 王霖, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学
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