一种计算物体表面粗糙度贴图的方法技术

本发明专利技术公开了一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，包括步骤S1：获取物体的梯度偏振光图像；步骤S2：进行镜面反射光分离，以得到镜面反射亮度图像；步骤S3：计算物体的法线贴图；步骤S4：基于法线贴图得到物体的纵深投影图像；步骤S5：基于镜面反射亮度图像和纵深投影图像，计算物体表面粗糙度贴图。本发明专利技术公开的一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，利用物体的镜面反射光图像和表面法线来计算物体的粗糙度，获取物体表面粗糙度贴图，主要用于计算机图形学中基于物理的渲染，增强物体三维重建的细节表达，提高三维模型的渲染真实度，应用于AR\VR、游戏、动画、电影等行业。电影等行业。电影等行业。

【技术实现步骤摘要】
一种计算物体表面粗糙度贴图的方法


[0001]本专利技术属于光学、计算机图形学和数字图像处理
，具体涉及一种计算物体表面粗糙度贴图的方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，为了给用户带来更好的体验，数据的表现形式正由二维向三维快速发展。基于图像的三维建模方法成为热门技术，但是三维模型本身只体现物体的形态信息，缺乏材质信息，因此难以真实地还原出物体的光照效果。
[0003]PBR(Physically
‑
Based Rendering)，即基于真实物理世界的成像规律的渲染技术，使用基于物理原理和微平面理论建模的着色/光照模型，以及从现实中测量的表面参数来准确表示真实世界材质的渲染理念。PBR流程在影视、游戏、CG行业正在为越来越多的公司、工作室和艺术家所采用，很好地融入了原有的整体制作流程，并在一定程度上规范化了整体制作流程。在写实艺术表现领域，PBR流程得到广泛的采用和效果的认可。
[0004]例如在电影领域，作为PBR的重要推动者，迪士尼在创作电影《无敌破坏王(Wreck
‑
It Ralph)》期间，迪士尼动画工作室对基于物理的渲染进行了系统的研究，最终开发出了一种几乎可以用于电影的每个表面新的BRDF模型(头发除外)，即迪士尼原则的BRDF(Disney Principled BRDF)。在游戏行业，几乎所有顶级的游戏工作室都引入了PBR材质流程，并且在一些巅峰代表作中(3A大作、次世代作品等)得到很好的应用及展现。传统CG行业及应用场景也越来越多地引入PBR流程，以在写实的场景、道具、角色材质贴图及渲染中更好地呈现照片级的真实表现效果。专利技术CN201710666531.8《基于物理渲染技术的实物产品三维虚拟实时展示方法》、专利技术CN201910194068.0《渲染方法、装置、设备及存储介质》都属于PBR技术的应用范畴。
[0005]表面粗糙度是指物体表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，表面粗糙度贴图是PBR中一项重要的贴图。粗糙度贴图的值越大，代表物体表面越粗糙，反之则表示表面越光滑。虽然粗糙度是一个常用的物理量，有许多专用设备进行粗糙度本身的测量，但并不符合PBR的应用需求。目前制作粗糙度贴图的方法和流程，主要还是依赖于艺术家人工进行制作。一些图像处理软件可以辅助制作，如QUIXEL SUITE DDO、Substance Painter、Photoshop、Mari等。使用哪个软件取决于艺术家本身的软件使用习惯和工作组中流程的要求。采用人工制作粗糙度贴图的最终效果，主要还是依赖于艺术家的经验和喜好，呈现效果差别较大，制作成本较高，对于制作材质库等批量的需求难以满足要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，利用物体的镜面反射光(Specular)图像和表面法线(Normal)来计算物体的粗糙度，获取物体表面粗糙度贴图，主要用于计算机图形学中基于物理的渲染(PBR，Physically
‑
Based Rendering)，增强物体三维重建的细节表达，提高三维模型的渲染真实度，应用于AR\VR、游戏、动画、电影
等行业，首先获取梯度偏振光图像，计算法线贴图，从法线贴图中提取纵深投影图像，然后利用偏振图像获取镜面反射光图像，将镜面反射光和纵深投影图像进行融合处理得到粗糙度贴图。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，可以自动地计算非金属物体表面的粗糙度贴图，具有测量客观、精确的特点，并且能实现制作流程的自动化。
[0008]本专利技术的另一目的在于提供一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，通过梯度偏振光图像生成物体表面粗糙度贴图，采集时间短，贴图精度高，无人工干预，且能够实现自动化和批量测量。
[0009]为达到以上目的，本专利技术提供一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，用于计算物体的表面粗糙度贴图，包括以下步骤：
[0010]步骤S1：获取物体的梯度偏振光图像；
[0011]步骤S2：进行镜面反射光分离，以得到镜面反射亮度图像；
[0012]步骤S3：计算物体的法线贴图；
[0013]步骤S4：基于法线贴图得到物体的纵深投影图像；
[0014]步骤S5：基于镜面反射亮度图像和纵深投影图像，计算物体表面粗糙度贴图。
[0015]作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1具体实施为以下步骤：
[0016]步骤S1.1：被拍摄的物体放置于灯光球照明装置的中心点，并且灯光球照明装置的四周设有照明灯，以中心点为原点建立空间坐标系，坐标轴为X、Y和Z轴；
[0017]步骤S1.2：获得第一组物体的梯度偏振光的数据，以形成第一数据；
[0018]步骤S1.3：获得第二组物体的梯度偏振光的数据，以形成第二数据；
[0019]步骤S1.4：获得第三组物体的梯度偏振光的数据，以形成第三数据；
[0020]步骤S1.5：将三组不同的第一数据、第二数据和第三数据进行标记并且获取物体在全亮照明灯组下的全亮灯偏振数据，以获得物体的梯度偏振光图像。
[0021]作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1.1具体实施为以下步骤：
[0022]步骤S1.1.1：在空间坐标系中，设定物体的正前方为Z轴正方向；
[0023]步骤S1.1.2：设定物体的正上方为Y轴正方向；
[0024]步骤S1.1.3：设定物体的正右方为X轴正方向。
[0025]作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，步骤S1.2具体实施为以下步骤：
[0026]步骤S1.2.1：(在无环境光的条件下，下面操作相同)打开X轴正方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴正方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组(X轴正方向一侧)和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向平行，并且拍摄图片，以获得+X轴平行方向数据；
[0027]打开X轴负方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴负方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组(X轴负方向一侧)和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向平行，并且拍摄图片，以获得
‑
X轴平行方向数据；
[0028]步骤S1.2.2：将获得的+X轴平行方向数据减去
‑
X轴平行方向数据，以获得X轴平行
方向梯度偏振光图像数据；
[0029]步骤S1.2.3：打开X轴正方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴正方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组(X轴正方向一侧)和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向垂直，并且拍摄图片，以获得+X轴垂直方向数据；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，用于计算物体的表面粗糙度贴图，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取物体的梯度偏振光图像；步骤S2：进行镜面反射光分离，以得到镜面反射亮度图像；步骤S3：计算物体的法线贴图；步骤S4：基于法线贴图得到物体的纵深投影图像；步骤S5：基于镜面反射亮度图像和纵深投影图像，计算物体表面粗糙度贴图。2.根据权利要求1所述的一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，其特征在于，步骤S1具体实施为以下步骤：步骤S1.1：被拍摄的物体放置于灯光球照明装置的中心点，并且灯光球照明装置的四周设有照明灯，以中心点为原点建立空间坐标系，坐标轴为X、Y和Z轴；步骤S1.2：获得第一组物体的梯度偏振光的数据，以形成第一数据；步骤S1.3：获得第二组物体的梯度偏振光的数据，以形成第二数据；步骤S1.4：获得第三组物体的梯度偏振光的数据，以形成第三数据；步骤S1.5：将三组不同的第一数据、第二数据和第三数据进行标记并且获取物体在全亮照明灯组下的全亮灯偏振数据，以获得物体的梯度偏振光图像。3.根据权利要求2所述的一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，其特征在于，步骤S1.1具体实施为以下步骤：步骤S1.1.1：在空间坐标系中，设定物体的正前方为Z轴正方向；步骤S1.1.2：设定物体的正上方为Y轴正方向；步骤S1.1.3：设定物体的正右方为X轴正方向。4.根据权利要求3所述的一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，其特征在于，步骤S1.2具体实施为以下步骤：步骤S1.2.1：打开X轴正方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴正方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向平行，并且拍摄图片，以获得+X轴平行方向数据；打开X轴负方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴负方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向平行，并且拍摄图片，以获得
‑
X轴平行方向数据；步骤S1.2.2：将获得的+X轴平行方向数据减去
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X轴平行方向数据，以获得X轴平行方向梯度偏振光图像数据；步骤S1.2.3：打开X轴正方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴正方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向垂直，并且拍摄图片，以获得+X轴垂直方向数据；打开X轴负方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿X轴负方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置
偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向垂直，并且拍摄图片，以获得
‑
X轴垂直方向数据；步骤S1.2.4：将获得的+X轴垂直方向数据减去
‑
X轴垂直方向数据，以获得X轴垂直方向梯度偏振光图像数据；步骤S1.2.5：将获得的X轴平行方向梯度偏振光图像数据和X轴垂直方向梯度偏振光图像数据作为第一数据。5.根据权利要求4所述的一种计算物体表面粗糙度贴图的方法，其特征在于，步骤S1.3具体实施为以下步骤：步骤S1.3.1：打开Y轴正方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿Y轴正方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向平行，并且拍摄图片，以获得+Y轴平行方向数据；打开Y轴负方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿Y轴负方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向平行，并且拍摄图片，以获得
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Y轴平行方向数据；步骤S1.3.2：将获得的+Y轴平行方向数据减去
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Y轴平行方向数据，以获得Y轴平行方向梯度偏振光图像数据；步骤S1.3.3：打开Y轴正方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿Y轴正方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向垂直，并且拍摄图片，以获得+Y轴垂直方向数据；打开Y轴负方向一侧的照明灯组，并且调节照明灯组的光源的亮度，使得光源的亮度沿Y轴负方向由强变弱，在物体的表面形成梯度渐变光，在该照明灯组和相机镜头的前方放置偏振片，并且使得灯光偏振方向和相机镜头入射光的偏振方向垂直，并且拍摄图片，以获得
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Y轴垂直方向数据；步骤S1.3.4：将获得的+Y轴垂直方向数据减去
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Y轴垂直方向数据，以获得Y轴垂直方向梯度偏振光图像数据；步骤S1.3.5：将获得的Y轴平行方向梯度偏振光图像数据和Y轴垂直方向梯度偏振光图像数据作为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜弘毅，黄硕，顾耕，王薇，许琦，张宁豪，
申请(专利权)人：嘉兴超维信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：