Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам

Рассмотрена модель функции отражающей способности света поверхностью для задачи восстановления формы по полутоновым изображениям. Учтены физические и геометрические свойства поверхности для улучшения работы алгоритма. Предложены некоторые ограничения для упрощения модели. Розглянуто модель функції в...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Компьютерная математика
Date:2012
Main Authors: Ковальчук, О.Я., Русын, Б.П., Чопык, П.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2012
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84683
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам / О.Я. Ковальчук, Б.П. Русын, П.И. Чопык // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 1. — С. 17-22. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860017838350139392
author Ковальчук, О.Я.
Русын, Б.П.
Чопык, П.И.
author_facet Ковальчук, О.Я.
Русын, Б.П.
Чопык, П.И.
citation_txt Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам / О.Я. Ковальчук, Б.П. Русын, П.И. Чопык // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 1. — С. 17-22. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Компьютерная математика
description Рассмотрена модель функции отражающей способности света поверхностью для задачи восстановления формы по полутоновым изображениям. Учтены физические и геометрические свойства поверхности для улучшения работы алгоритма. Предложены некоторые ограничения для упрощения модели. Розглянуто модель функції відбивальної здатності світла для методу відновлення форми поверхні за напівтоновим зображенням. Враховано фізичні та геометричні властивості поверхні для покращення роботи алгоритму. Запропоновано деякі обмеження для спрощення моделі. A model of reflectivity function for the method of shape restoration by half-tones is conisidered. To increase the algorithm performance, physical and geometrical properties of the surface are taken into account. Some restrictions are imposed to simplify the model.
first_indexed 2025-12-07T16:45:47Z
format Article
fulltext Компьютерная математика. 2012, № 1 17 Рассмотрена модель функции отражающей способности света поверхностью для задачи восста- новления формы по полутоновым изображениям. Учтены физиче- ские и геометрические свойства поверхности для улучшения рабо- ты алгоритма. Предложены не- которые ограничения для упроще- ния модели.  О.Я. Ковальчук, Б.П. Русын, П.И. Чопык, 2012 УДК 004.93 О.Я. КОВАЛЬЧУК, Б.П. РУСЫН, П.И. ЧОПЫК МОДЕЛЬ ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА ПОВЕРХНОСТЬЮ ДЛЯ ЗАДАЧИ РЕКОНСТРУКЦИИ ФОРМЫ ОБЪЕКТА ПО ПОЛУТОНАМ Введение. Способность воспринимать объ- емные объекты связана с бинокулярным зре- нием. Значительный рост производительно- сти процессоров привел к появлению техни- ческих средств, которые позволяют конвер- тировать обычное 2D изображение и видео в трехмерную картинку в режиме реального времени. Алгоритмы, которые при этом ис- пользуются, обрабатывают информацию в несколько этапов: сегментация изображения, анализ геометрических данных, определение дальности по косвенным параметрам (размы- тие, четкость и т. д.), создание карты глуби- ны и построение стереопары. При этом в ви- деопотоке можно выделить изображения, смещенные в определенном направлении (shape from motion), что улучшает результат конвертирования [1]. Постановка задачи. В некоторых случаях необходимо провести реконструкцию трех- мерной формы объекта по одному изображе- нию, когда исходные данные не несут до- полнительной информации о глубине (на- пример, фрактографические изображения, фотографии поверхности Марса и других планет). Для экспресс-оценки 3D поверхно- сти используют метод реконструкции по по- лутоновым изображениям (shape from shad- ing) [2, 3]. В 1970 г. Бертольд Хорн исполь- зовал радиометрический метод отражения света при формировании изображения, что позволило проводить конвертацию одного О.Я. КОВАЛЬЧУК, Б.П. РУСЫН, П.И. ЧОПЫК Компьютерная математика. 2012, № 1 18 2D изображения в 3D по- верхность. В его исследова- ниях использовалась упро- щенная МОДЕЛЬ ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА ПОВЕРХНОСТЬЮ… Компьютерная математика. 2012, № 1 19 модель отражения света поверхностью. В других работах были усовершенство- ваны, в основном, алгоритмы реализации метода [4]. Нерешенной остается за- дача построения более совершенной модели отражения света поверхностью, с помощью которой можно получить более точные результаты при достаточно высокой скорости работы для анализа фрактографических изображений. Оптические свойства поверхности зависят от нескольких факторов: распо- ложения и ориентации объекта в пространстве, отражательных свойств поверх- ности, расположения источника света и камеры. Создано несколько моделей отражения света поверхностью, которые можно разделить на две группы: физи- ческие и геометрические [5]. Физические модели используют электромагнитную теорию света и являются более общими, но в большинстве они построены для 3D моделирования и непригодны для алгоритмов реконструкции. Геометриче- ские модели более простые, но не достаточно точные. Функция отражательной способности. Освещенность в точке пространст- ва зависит от трех компонент: диффузной, зеркальной и фоновой (рис. 1). Фоно- вую компоненту для данного метода можно не учитывать, так как при реконст- рукции определяется относительное расположение элементов поверхности, а не абсолютное их положение в пространстве. Отражение от гладкой поверхности, например, зеркала или неподвижной поверхности воды, происходит зеркально, отражение от шероховатых поверхностей, например, бумаги, ткани, асфальта, происходит диффузно. Большинство поверхностей не являются идеально диф- фузными или зеркальными. РИС. 1. Отражение света поверхностью: а – зеркальное; б – диффузное На рис. 1 использованы следующие обозначения: L r – единичный вектор, направленный на источник света; R r – вектор, направленный вдоль отраженного луча; n r – нормаль к поверхности; V r – единичный вектор в направлении на приемник; S – источник света. Для алгоритмов машинного зрения чаще всего используют диффузную мо- дель Ламберта. Зеркальное отражение проявляется в виде бликов на изображе- нии, при этом отраженный луч сохраняет свойства падающего. На практике а б S S n r L r R r α β V r О.Я. КОВАЛЬЧУК, Б.П. РУСЫН, П.И. ЧОПЫК Компьютерная математика. 2012, № 1 20 процесс отражения можно рассматривать как комбинацию диффузной и зеркаль- ной компонент. При построении таких изображений используют эмпирическую модель Фонга, но она не учитывает физических свойств поверхности материалов. Модели отражения, как правило, отличаются в представлении двунаправ- ленной функции отражающей способности (BRDF). Функция R = BRDF( n,V,L, rrr λ ) или R = BRDF(λ, δ, βS, ϕ, βT)), (1) где λ – длина волны падающего света; (ϕ, βS) – направление на источник; (δ, βT) – направление на приемник (βS, βT – азимутальные углы), V,L rr – те же, что и на рис. 1, выражает зависимость энергии света, которая излучается в на- правлении наблюдения от энергии света, поступающего от источника при отра- жении (рис. 2). VL VL h rr rr r + += – единичный вектор вдоль биссектрисы угла между векторами V,L rr , α – угол между n r и h r , θ – угол между L r и h r или угол между V r и h r . РИС. 2. Геометрия функции отражательной способности Для определения отражающих свойств поверхности материалом функцию отражающей способности можно определить экспериментально с помощью го- ниорефлектометра. Такие приборы используют прецизионные источники света и откалиброванные сенсоры для измерения отражения при всех возможных ком- бинациях их расположения. Они дают возможность с высокой точностью опре- делить функцию отражательной способности, заданную в табличной форме. Оп- ределением BRDF некоторых поверхностей с помощью гонирефлектометра за- нимаются несколько лабораторий (например, Центр графики и визуализации университета Корноела). Эта информация находится в открытом доступе. Но для метода восстановления формы объекта по полутонам использование функ- ции отражательной способности, заданной в табличной форме, затруднено, поэтому применяют другие модели (Блина, Кука – Торенса, Орена – Наяра – обобщенную модель Ламберта и другие). A S h n L δ V ur T Приемник x y Источник h r α θ МОДЕЛЬ ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА ПОВЕРХНОСТЬЮ… Компьютерная математика. 2012, № 1 21 Модель шероховатой поверхности. Для задания функции отражающей способности аналогично [6, 7] воспользуемся представлением шероховатой по- верхности в виде совокупности симметрических микровпадин, грани которых абсолютно ровные (рис. 3). Будем считать, что размеры микровпадин намного меньше, чем размеры области поверхности, которая отвечает одному пикселю изображения, но намного больше длины волны светового излучения. Для упро- щения предположим, что все микровпадины одинакового размера. РИС. 3. Моделирование поверхности с помощью микровпадин Функция отражающей способности задается уравнением I R E = , (2) где I – интенсивность отраженного света, которую можно определить по изо- бражению; E – энергия падающего света. В большинстве случаев источник света точечный и удален на значительное расстояние от поверхности, поэтому будем считать, что свет падает на поверхность параллельным пучком. Тогда E = const возле поверхности. Функцию отражательной способности можно представить в виде суммы зеркальной и диффузной компонент: з дR sR dR= + , где s + d = 1. (3) Интенсивность отраженного падающего света возле поверхности 0( )з дI cI sR dR= + , где c – коэффициент пропорциональности (альбедо), 0I – интенсивность света, падающего на поверхность. Диффузный компонент не зависит от расположения приемника, в то же время зеркальная компонента ярко выражена только в одном направлении. Чтобы учесть физическую природу отражения света, воспользуемся форму- лами Френеля для непрозрачной среды [8], которые подходят как для металлов, так и для диэлектриков. Коэффициенты отражения падающей волны по интен- сивности для двух поляризаций равны: 2 2 2 2 ( cos ) ( cos ) a b F a b⊥ − ϕ += + ϕ + , 2 2 II 2 2 ( sin tg ) ( sin tg ) a b F F a b⊥ − ϕ ϕ += + ϕ ϕ + , (4) где 2 2 2 2 2 2 2 2+ +4 + +4 = , = , 2 2 p p n k p p n k a b − 2 2 2 = sinp n k− − ϕ , n – коэф- фициент преломления, k – коэффициент экстинкции для данного материала О.Я. КОВАЛЬЧУК, Б.П. РУСЫН, П.И. ЧОПЫК Компьютерная математика. 2012, № 1 22 поверхности. Будем считать, что свет падает на поверхность нормально (φ = 0), тогда параметры a и b упрощаются: a = n, b = k. Для малых углов φ<12° поляри- зацию падающего излучения можно не различать, тогда 2 2 2 2 2 2 ( 1) ( 1) ( 1) ( 1) n k n F n k n − + −= ≈ + + + . (5) Формула Френеля (5) применима только для отдельных впадин. Вся по- верхность описывается с помощью статистического распределения Гаусса: 2 2 tg 2 2 3 1 2 cos D e ϕ− σ= πσ ϕ , кв кl σ σ = , (6) где кв σ – среднеквадратическое отклонение высоты поверхности, кl – корре- ляционная длина. Функция распределения вероятности (6) является хорошей аппроксимацией реальных поверхностей. Учитывая (5) и (6), двунаправленную функцию отражающей способности для зеркальной компоненты можем записать в следующем виде: (n L)(n V)з F DG R = π ⋅ ⋅ r rr r . (7) В формулу (7) входит функция G – геометрический ослабляющий фактор, которая описывает затенение и маскировку микровпадин, а также множествен- ное отражение света от границ впадин: 2(n h)(n V) 2(n h)(n L) min 1,max 0, , (V h) (V h) G   ⋅ ⋅ ⋅ ⋅=   ⋅ ⋅    r rr rr r r r r rr r . (8) Заключение. Рассмотренная модель отражения света поверхностью осно- вана на микровпадинах и учитывает как геометрические, так и физические зако- ны. При формировании изображения для метода реконструкции формы поверх- ности по полутонам учтены свойства материала поверхности объекта и выбрано необходимое положение источника света, что позволило упростить модель и увеличить точность реконструкции без уменьшения скорости обработки изо- бражений. О.Я. Ковальчук, Б.П. Русин, П.І. Чопик МОДЕЛЬ ВІДБИВАННЯ СВІТЛА ПОВЕРХНЕЮ ДЛЯ ЗАДАЧІ РЕКОНСТРУКЦІЇ ФОРМИ ОБ’ЄКТА ЗА НАПІВТОНАМИ Розглянуто модель функції відбивальної здатності світла для методу відновлення форми поверхні за напівтоновим зображенням. Враховано фізичні та геометричні властивості поверхні для покращення роботи алгоритму. Запропоновано деякі обмеження для спрощення моделі. МОДЕЛЬ ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА ПОВЕРХНОСТЬЮ… Компьютерная математика. 2012, № 1 23 O.Yа. Kovalchuk, B.P. Rusyn, P.I. Chopyk A MODEL OF LIGHT REFLECTION FROM THE SURFACE FOR THE PROBLEM OF RECONSTRUCTING THE FORM OF THE OBJECT BY HALF-TONES A model of reflectivity function for the method of shape restoration by half-tones is conisidered. To increase the algorithm performance, physical and geometrical properties of the surface are taken into account. Some restrictions are imposed to simplify the model. 1. Ashutosh Saxena, Min Sun, Andrew Y. Ng, In. Make3D: Learning 3-D Scene Structure from a Single Still Image // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence (PAMI). – 2008. – 31, N 5. – P. 824–840. 2. Horn B.K.P. Height and gradient from shading // International Journal of Computer Vision. – 1990. – 5, N. 1. – P. 37–75. 3. Ping-Sing Tsai and Mubarak Shah. Shape from shading using a linear approximation // Image and Vision Computing. – 1994. – 12. – P. 487–498. 4. Ruo Zhang, Ping-Sing Tsai, Cryer J.E., Shah M. Shape from shading: A survey // Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on. – 1999. – 21, N 8. – P. 690–706. 5. Murat Kurt, Dave Edwards. A survey of BRDF models for computer graphics // ACM SIG- GRAPH Computer Graphics - Building Bridges - Science, the Arts & Technology. – 2009. – 43, N 2. – P. 17–24. 6. Robert L. Cook, Kenneth E. Torrance. A Reflectance Model for Computer Graphics // ACM Transactions on Graphics. – 1982. – 1, N 1. – P. 7–24. 7. Oren M., Nayar S.K. Generalization of the lambertian model and implications for machine vision // Technical Report CUCS-057-92. – Departament of Computer Science, Columbia University. – New York, USA, 1992. – 42 p. 8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1970. – 876 с. Получено 08.12.2011 Об авторах: Ковальчук Ольга Ярославовна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры экономической кибернетики и информатики ТНЭУ, e-mail: olhakov@gmail.com Русын Богдан Павлович, доктор технических наук, заведующий отделом методов и систем обработки, анализа и идентификации изображений ФМИ им. Г.В. Карпенко НАН Украины, e-mail: rusyn@ipm.lviv.ua Чопык Павел Иванович, ассистент кафедры физики ТНПУ им. В. Гнатюка. e-mail: chip.ukraine@gmail.com
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84683
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn ХХХХ-0003
language Russian
last_indexed 2025-12-07T16:45:47Z
publishDate 2012
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Ковальчук, О.Я.
Русын, Б.П.
Чопык, П.И.
2015-07-12T17:16:51Z
2015-07-12T17:16:51Z
2012
Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам / О.Я. Ковальчук, Б.П. Русын, П.И. Чопык // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 1. — С. 17-22. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
ХХХХ-0003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84683
004.93
Рассмотрена модель функции отражающей способности света поверхностью для задачи восстановления формы по полутоновым изображениям. Учтены физические и геометрические свойства поверхности для улучшения работы алгоритма. Предложены некоторые ограничения для упрощения модели.
Розглянуто модель функції відбивальної здатності світла для методу відновлення форми поверхні за напівтоновим зображенням. Враховано фізичні та геометричні властивості поверхні для покращення роботи алгоритму. Запропоновано деякі обмеження для спрощення моделі.
A model of reflectivity function for the method of shape restoration by half-tones is conisidered. To increase the algorithm performance, physical and geometrical properties of the surface are taken into account. Some restrictions are imposed to simplify the model.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Компьютерная математика
Математическое моделирование
Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
Модель відбивання світла поверхнею для задачі реконструкції форми об’єкта за напівтонами
A model of light reflection from the surface for the problem of reconstructing the form of the object by half-tones
Article
published earlier
spellingShingle Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
Ковальчук, О.Я.
Русын, Б.П.
Чопык, П.И.
Математическое моделирование
title Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
title_alt Модель відбивання світла поверхнею для задачі реконструкції форми об’єкта за напівтонами
A model of light reflection from the surface for the problem of reconstructing the form of the object by half-tones
title_full Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
title_fullStr Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
title_full_unstemmed Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
title_short Модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
title_sort модель отражения света поверхностью для задачи реконструкции формы объекта по полутонам
topic Математическое моделирование
topic_facet Математическое моделирование
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84683
work_keys_str_mv AT kovalʹčukoâ modelʹotraženiâsvetapoverhnostʹûdlâzadačirekonstrukciiformyobʺektapopolutonam
AT rusynbp modelʹotraženiâsvetapoverhnostʹûdlâzadačirekonstrukciiformyobʺektapopolutonam
AT čopykpi modelʹotraženiâsvetapoverhnostʹûdlâzadačirekonstrukciiformyobʺektapopolutonam
AT kovalʹčukoâ modelʹvídbivannâsvítlapoverhneûdlâzadačírekonstrukcííformiobêktazanapívtonami
AT rusynbp modelʹvídbivannâsvítlapoverhneûdlâzadačírekonstrukcííformiobêktazanapívtonami
AT čopykpi modelʹvídbivannâsvítlapoverhneûdlâzadačírekonstrukcííformiobêktazanapívtonami
AT kovalʹčukoâ amodeloflightreflectionfromthesurfacefortheproblemofreconstructingtheformoftheobjectbyhalftones
AT rusynbp amodeloflightreflectionfromthesurfacefortheproblemofreconstructingtheformoftheobjectbyhalftones
AT čopykpi amodeloflightreflectionfromthesurfacefortheproblemofreconstructingtheformoftheobjectbyhalftones