CN113824879B - 一种扫描设备及法线贴图生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描设备及法线贴图生成方法，本发明生成贴图所需的照片来源简单，仅需要简易拍摄设备便可摄取得到，成本低廉，操作方便，同时，基于特定的灯光子空间转换算法计算得到法线向量进而得到法线贴图，该法线贴图用作渲染材质可达到80％的还原度，且具有良好的适用性和拓展性，便于渲染使用及二次编辑。

Description

一种扫描设备及法线贴图生成方法

技术领域

本发明涉及计算机渲染领域，具体涉及一种扫描设备及法线贴图生成方法。

背景技术

目前基于物理的渲染材质应用十分普及，包括游戏行业，虚拟仿真，工业设计等等。但是这种基于物理的渲染材质的制作生成过程却非常效率低下(本发明渲染材质指的是数据集，解释为物体对光的交互，供渲染器读取的数据集，包括贴图纹理，光照算法等)，很多需要手工绘制，或者依靠基于已有的一些材质做混合生成，但是生成质量只能靠制作人员的主观意识去评估，丧失了真实与客观性。还有一些使用非常高端的物理扫描设备来制作，但是通常这些设备价格不菲，使得制作成本高昂。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种扫描设备及法线贴图生成方法解决了现有扫描设备制作成本高，物理的渲染材质的制作生成过程效率低下的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种扫描设备，包括：灯箱底座、灯箱头部、光源和承物平台；

所述灯箱底座与灯箱头部固定连接；所述光源放置于灯箱底座内；所述灯箱底座和灯箱头部的外层均为黑色遮光板，所述灯箱头部的内层为白色泡沫层；所述灯箱头部内的白色泡沫层用于反射光源发射的光，并通过灯箱头部的出口将光反射至承物平台上。

一种法线贴图生成方法，包括以下步骤：

S1、将待扫描物放置在承物平台上，打开光源，对待扫描物进行多个不同方位的拍摄，得到多张扫描物照片；

S2、对每张扫描物照片进行白平衡矫正，得到多张贴图；

S3、取每张贴图的一个像素，得到多个采样像素，并对每个采样像素进行亮度归一化处理，得到多个归一化的亮度值；

S4、将每个方位与其相邻的两个方位进行匹配，得到多组方位角，并基于相邻方位的极角，对每组方位角进行坐标转换，构建灯光子空间转化矩阵；

S5、根据每组方位角中的3个方位对应的3个归一化的亮度值，并基于3个归一化的亮度值得到灯光子空间的法线，采用灯光子空间转化矩阵对灯光子空间的法线进行坐标转换，得到世界空间的8条法线；

S6、取世界空间的8条法线的均值，得到像素的法线向量；

S7、对每张贴图上的所有像素执行步骤S3至步骤S6，找到所有贴图上所有像素的法线向量，将法线向量存入对应的贴图中，得到法线贴图。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、计算每张扫描物照片上每个像素的RGB通道之和，并根据每个像素的RGB通道之和，对每张扫描物照片上的所有像素进行降序排列；

S22、取排列像素的前p*w*h个像素，计算前p*w*h个像素的R通道的平均R值、G通道的平均G值和B通道的平均B值，其中，p为调节因子，w为扫描物照片分辨率的行，h为扫描物照片分辨率的列；

S23、根据R通道、G通道和B通道各自的像素平均值，对每张扫描物照片上的像素点做缩放变换，并对缩放变换后溢出的R值、G值和B值做截取处理，得到R值、G值和B值均在[0，255]范围的多张贴图。

进一步地，步骤S23中缩放变换的公式为：

R₂＝R₁*M/A_vgR

G₂＝G₁*M/A_vgG

B₂＝B₁*M/A_vgB

其中，R₂为缩放变换后的R值，G₂为缩放变换后的G值，B₂为缩放变换后的B值，R₁为缩放变换前的R值，G₁为缩放变换前的G值，B₁为缩放变换前的B值，M为每张扫描物照片上所有像素的三个通道中的最大值，A_vgR为前p*w*h个像素的R通道的平均R值，A_vgG为前p*w*h个像素的G通道的平均G值，A_vgB为前p*w*h个像素的B通道的平均B值。

上述进一步方案的有益效果为：去除环境灯光对照片的偏色现象，使白色物体在任何环境的光源下都尽可能呈现为白色。S21-S23步骤相当于找到图片中最亮区域(p*w*h的区域)，认定这个区域应该校色成白色，所以通过其各个通道的平均值作为参考来缩放其他像素，从而达到一种白平衡状态。

进一步地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、取每张贴图的一个像素，得到多个采样像素；

S32、从多个采样像素中选出R通道的最大值，G通道的最大值，B通道的最大值；

S33、根据三个最大值，计算最大亮度值；

S34、计算每个采样像素对应的亮度值，并将该亮度值除以最大亮度值，得到多个归一化的亮度值。

进一步地，步骤S33中计算最大亮度值的公式为：

L_max＝R_max*0.2125+G_max*0.75154+B_max*0.0721

其中，L_max为最大亮度值，R_max为R通道的最大值，G_max为G通道的最大值，B_max为B通道的最大值，[0.2125，0.75154，0.0721]为亮度权重向量。

上述进一步方案的有益效果为：通过这个亮度权重向量反应人对光线亮度的敏感程度。人的视虹膜对绿色是非常敏感的，而对蓝色相对不敏感。所以这个公式中的G的权重就最大，相当于说绿色通道的值越大，亮度越高。换言之，使用亮度公式可以将像素转化为亮度这一个可以量化的数据物理量，然后就可以通过首先求得L_max，用这个最大的亮度值作为标准，其他像素的亮度值除以这个标准，都会被归一化到[0，1]之间。

进一步地，步骤S4包括以下分步骤：

S41、将每个方位与其相邻的两个方位进行匹配，得到多组方位角；

S42、根据相邻方位的极角，将每组方位角进行极坐标到笛卡尔坐标变换，得到三个方向向量；

S43、根据三个方向向量，构建灯光子空间转化矩阵。

上述进一步方案的有益效果为：把这三个方向从极坐标转化为笛卡尔坐标系，这三个方向刚还是互相垂直的，以此构建了一个灯光子空间坐标系，从而构建一个空间转化矩阵，可以将下面步骤求得的法线方向向量(定义在灯光子空间的)运用该矩阵方便地转化到世界空间。

进一步地，步骤S5包括以下分步骤：

S51、根据每组方位角中的3个方位，找到每组方位角所对应的3个归一化的亮度值；

S52、将每组方位角所对应的3个归一化的亮度值构建为反射强度向量，得到多个反射强度向量；

S53、将每个反射强度向量作为灯光子空间的法线，采用灯光子空间转化矩阵将灯光子空间的每条法线转化到世界空间中，得到世界空间的8条法线。

上述进一步方案的有益效果为：在灯光子空间中定义了一种判断方式，哪个方向的亮度高即代表了灯光反射强度高，法线则会更加朝着这个方向，然后就可以通过上步骤的转化矩阵很方便的将这个方向从灯光子空间转化到世界空间(因为对8条法线做平均的前提是大家需要在一个空间里面，即世界空间)。

综上，本发明的有益效果为：生成贴图所需的照片来源简单，仅需要简易拍摄设备便可摄取得到，成本低廉，操作方便，同时，基于特定的灯光子空间转换算法计算得到法线向量进而得到法线贴图，该法线贴图用作渲染材质可达到80％的还原度，且具有良好的适用性和拓展性，便于渲染使用及二次编辑。

附图说明

图1为一种扫描设备的结构示意图；

图2为一种法线贴图生成方法的流程图；

其中，1、灯箱底座；2、灯箱头部；3、光源；4、承物平台。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种扫描设备，包括：灯箱底座1、灯箱头部2、光源3和承物平台4；

所述灯箱底座1与灯箱头部2固定连接；所述光源3放置于灯箱底座1内；所述灯箱底座1和灯箱头部2的外层均为黑色遮光板，所述灯箱头部2的内层为白色泡沫层；所述灯箱头部2内的白色泡沫层用于反射光源3发射的光，并通过灯箱头部2的出口将光反射至承物平台4上。

如图1所示，灯箱头部2的出口方向与承物平台4的垂直方向呈45°角。

如图2所示，一种法线贴图生成方法，包括以下步骤：

S1、将待扫描物放置在承物平台4上，打开光源3，对待扫描物进行多个不同方位的拍摄，得到多张扫描物照片；

在本实施例中，以8个不同方位进行拍摄，两个相邻方位间隔45°，那么此时，得到8张扫描物照片，具体拍摄几个方位不做具体的限定，根据需求进行拍摄即可。

在拍摄时，本设备需在暗室内，再进行多个方位拍摄。待扫描物可根据需求进行选择。

S2、对每张扫描物照片进行白平衡矫正，得到多张贴图；

S3、取每张贴图的一个像素，得到多个采样像素，并对每个采样像素进行亮度归一化处理，得到多个归一化的亮度值；

S4、将每个方位与其相邻的两个方位进行匹配，得到多组方位角，并基于相邻方位的极角，对每组方位角进行坐标转换，构建灯光子空间转化矩阵；

S5、根据每组方位角中的3个方位对应的3个归一化的亮度值，并基于3个归一化的亮度值得到灯光子空间的法线，采用灯光子空间转化矩阵对灯光子空间的法线进行坐标转换，得到世界空间的8条法线；

S6、取世界空间的8条法线的均值，得到像素的法线向量；

S7、对每张贴图上的所有像素执行步骤S3至步骤S6，找到所有贴图上所有像素的法线向量，将法线向量存入对应的贴图中，得到法线贴图。

步骤S2包括以下分步骤：

S21、计算每张扫描物照片上每个像素的RGB通道之和，并根据每个像素的RGB通道之和，对每张扫描物照片上的所有像素进行降序排列；

S22、取排列像素的前p*w*h个像素，计算前p*w*h个像素的R通道的平均R值、G通道的平均G值和B通道的平均B值，其中，p为调节因子，w为扫描物照片分辨率的行，h为扫描物照片分辨率的列；

在本实施例，p取0.1，也可取其他数值，在p取0.1时，有较良好的白平衡效果。

S23、根据R通道、G通道和B通道各自的像素平均值，对每张扫描物照片上的像素点做缩放变换，并对缩放变换后溢出的R值、G值和B值做截取处理，得到R值、G值和B值均在[0，255]范围的多张贴图。

步骤S23中缩放变换的公式为：

R₂＝R₁*M/A_vgR

G₂＝G₁*M/A_vgG

B₂＝B₁*M/A_vgB

其中，R₂为缩放变换后的R值，G₂为缩放变换后的G值，B₂为缩放变换后的B值，R₁为缩放变换前的R值，G₁为缩放变换前的G值，B₁为缩放变换前的B值，M为每张扫描物照片上所有像素的三个通道中的最大值(即所有R值、G值和B值中的最大值)，A_vgR为前p*w*h个像素的R通道的平均R值，A_vgG为前p*w*h个像素的G通道的平均G值，A_vgB为前p*w*h个像素的B通道的平均B值。

步骤S3包括以下分步骤：

S31、取每张贴图的一个像素，得到多个采样像素；

根据上面的内容可知，贴图为8张，那么步骤S31中的采样像素总共8个，8个采样像素对应着8个不同的方位，同时8个采样像素有8个对应的归一化的亮度值，也即是一个方位对应一个亮度值，后续可根据方位确定对应的亮度值。

S32、从多个采样像素中选出R通道的最大值，G通道的最大值，B通道的最大值；

S33、根据三个最大值，计算最大亮度值；

S34、计算每个采样像素对应的亮度值，并将该亮度值除以最大亮度值，得到多个归一化的亮度值。

步骤S33中计算最大亮度值的公式为：

L_max＝R_max*0.2125+G_max*0.75154+B_max*0.0721

其中，L_max为最大亮度值，R_max为R通道的最大值，G_max为G通道的最大值，B_max为B通道的最大值，[0.2125，0.75154，0.0721]为亮度权重向量。

在本实施例中，亮度权重向量[0.2125，0.75154，0.0721]的具体值是可变动的，但是其和需为1。

步骤S4包括以下分步骤：

S41、将每个方位与其相邻的两个方位进行匹配，得到多组方位角；

在本实施例中，每个方位与其相邻90°的两个方位进行配对，得到8组方位角：[180，90，0]、[180，270，0]、[270，180，90]、[270，0，90]、[135，45，315]、[135，225，315]、[45，315，225]、[45，135，225]，每组方位角可统一记为[θ0，θ1，θ2]。

S42、根据相邻方位的极角，将每组方位角进行极坐标到笛卡尔坐标变换，得到三个方向向量；

由于本设备的灯箱的光照为均质方向光，且设定的角度为45°，将45°这个角度记为极角

得到极坐标系下的坐标/>

其中，θ代表每组方位角中一个方位，将极坐标

转换为笛卡尔坐标系下的坐标，其转换公式如下所示：

其中，(x，y，z)为转换到笛卡尔坐标系下的坐标，由此可知，每组方位角中包含了3个方位，将每组方位角中的3个方位均转换到笛卡尔坐标系下，可得3个方向向量，记3个方向向量为[dir0，dir1，dir2]，其中，dir0为(x0，y0，z0)，即极坐标

转换为笛卡尔坐标系下的坐标，dir1为(x1，y1，z1)，即极坐标/>

转换为笛卡尔坐标系下的坐标，dir2为(x2，y2，z2)，即极坐标/>

转换为笛卡尔坐标系下的坐标，三个方向向量dir0、dir1和dir2是相互正交的，即互相垂直且是单位长度，因此，可以将三个方向向量dir0、dir1和dir2构成一个灯光子空间转化矩阵。

S43、根据三个方向向量，构建灯光子空间转化矩阵；

灯光子空间转化矩阵H为：

步骤S5包括以下分步骤：

S51、根据每组方位角中的3个方位，找到每组方位角所对应的3个归一化的亮度值；

S52、将每组方位角所对应的3个归一化的亮度值构建为反射强度向量，得到多个反射强度向量；

3个归一化的亮度值分别代表了三个方位灯光对该像素点的反射强度，反射强度的大小直接反映了该像素点对应法线的偏向。

S53、将每个反射强度向量作为灯光子空间的法线，采用灯光子空间转化矩阵将灯光子空间的每条法线转化到世界空间中，得到世界空间的8条法线。

N_i＝Normalize(H*N_light)*(0.5，0.5，0.5)+(0.5，0.5，0.5)

其中，N_i为转化到世界空间的法线，N_light为在灯光子空间定义的法线方向向量，(0.5，0.5，0.5)为将值从范围[-1，1]转化为[0，1]的范围。

步骤S6中，取世界空间的8条法线的均值的公式为：

其中，N_x，y为对应像素的8条法线的均值。

Claims (6)

1.一种法线贴图生成方法，所述方法基于一种扫描设备实现，所述扫描设备包括：灯箱底座(1)、灯箱头部(2)、光源(3)和承物平台(4)；所述灯箱底座(1)与灯箱头部(2)固定连接；所述光源(3)放置于灯箱底座(1)内；所述灯箱底座(1)和灯箱头部(2)的外层均为黑色遮光板，所述灯箱头部(2)的内层为白色泡沫层；所述灯箱头部(2)内的白色泡沫层用于反射光源(3)发射的光，并通过灯箱头部(2)的出口将光反射至承物平台(4)上；

其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待扫描物放置在承物平台(4)上，打开光源(3)，对待扫描物进行多个不同方位的拍摄，得到多张扫描物照片；

S2、对每张扫描物照片进行白平衡矫正，得到多张贴图；

所述步骤S2包括以下分步骤：

S21、计算每张扫描物照片上每个像素的RGB通道之和，并根据每个像素的RGB通道之和，对每张扫描物照片上的所有像素进行降序排列；

S22、取排列像素的前p*w*h个像素，计算前p*w*h个像素的R通道的平均R值、G通道的平均G值和B通道的平均B值，其中，p为调节因子，w为扫描物照片分辨率的行，h为扫描物照片分辨率的列；

S23、根据R通道、G通道和B通道各自的像素平均值，对每张扫描物照片上的像素点做缩放变换，并对缩放变换后溢出的R值、G值和B值做截取处理，得到R值、G值和B值均在[0,255]范围的多张贴图；

S3、取每张贴图的一个像素，得到多个采样像素，并对每个采样像素进行亮度归一化处理，得到多个归一化的亮度值；

S4、将每个方位与其相邻的两个方位进行匹配，得到多组方位角，并基于相邻方位的极角，对每组方位角进行坐标转换，构建灯光子空间转化矩阵；

S5、根据每组方位角中的3个方位对应的3个归一化的亮度值，并基于3个归一化的亮度值得到灯光子空间的法线，采用灯光子空间转化矩阵对灯光子空间的法线进行坐标转换，得到世界空间的8条法线；

S6、取世界空间的8条法线的均值，得到像素的法线向量；

S7、对每张贴图上的所有像素执行步骤S3至步骤S6，找到所有贴图上所有像素的法线向量，将法线向量存入对应的贴图中，得到法线贴图。

2.根据权利要求1所述的法线贴图生成方法，其特征在于，所述步骤S23中缩放变换的公式为：

R₂＝R₁*M/A_vgR

G₂＝G₁*M/A_vgG

B₂＝B₁*M/A_vgB

其中，R₂为缩放变换后的R值，G₂为缩放变换后的G值，B₂为缩放变换后的B值，R₁为缩放变换前的R值，G₁为缩放变换前的G值，B₁为缩放变换前的B值，M为每张扫描物照片上所有像素的三个通道中的最大值，A_vgR为前p*w*h个像素的R通道的平均R值，A_vgG为前p*w*h个像素的G通道的平均G值，A_vgB为前p*w*h个像素的B通道的平均B值。

3.根据权利要求1所述的法线贴图生成方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、取每张贴图的一个像素，得到多个采样像素；

S32、从多个采样像素中选出R通道的最大值，G通道的最大值，B通道的最大值；

S33、根据三个最大值，计算最大亮度值；

S34、计算每个采样像素对应的亮度值，并将该亮度值除以最大亮度值，得到多个归一化的亮度值。

4.根据权利要求3所述的法线贴图生成方法，其特征在于，所述步骤S33中计算最大亮度值的公式为：

L_max＝R_max*0.2125+G_max*0.75154+B_max*0.0721

其中，L_max为最大亮度值，R_max为R通道的最大值，G_max为G通道的最大值，B_max为B通道的最大值，[0.2125，0.75154，0.0721]为亮度权重向量。

5.根据权利要求1所述的法线贴图生成方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、将每个方位与其相邻的两个方位进行匹配，得到多组方位角；

S42、根据相邻方位的极角，将每组方位角进行极坐标到笛卡尔坐标变换，得到三个方向向量；

S43、根据三个方向向量，构建灯光子空间转化矩阵。

6.根据权利要求1所述的法线贴图生成方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、根据每组方位角中的3个方位，找到每组方位角所对应的3个归一化的亮度值；

S52、将每组方位角所对应的3个归一化的亮度值构建为反射强度向量，得到多个反射强度向量；

S53、将每个反射强度向量作为灯光子空间的法线，采用灯光子空间转化矩阵将灯光子空间的每条法线转化到世界空间中，得到世界空间的8条法线。

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