图像三维建模中的前期影像采集方案优化研究

摘  要：随着数字艺术的发展，游戏动漫、三维地图、虚拟现实、数字媒体等领域都需要使用大量的三维数字资源。低成本、高效率获取优质的三维模型和纹理贴图成为产业发展的必需条件。图像三维建模为行业需求提供了有效的解决方案。运用此技术手段获取三维模型的前提条件是提高影像采集质量。探索一套通用的图像三维建模影像采集技术规范和优化手段可以提高图像三维建模的精确度和效率。

关键词：图像三维建模;纹理贴图;影像采集;三维空间重构

随着图像三维建模软件的完善发展，这种建模方法在三维地图、影视动画、虚拟现实、数字媒体等领域广泛应用。对比激光扫描建模，数字图像建模精度略低，但可以同步获取三维模型和纹理贴图。相反，激光扫描建模想获取纹理贴图则需要增加辅助手段。因此，图像三维建模有高效率、操作性强的实际应用价值。图像三维建模的前期影像采集质量高低会直接影响图像建模軟件生成的三维模型和纹理贴图的还原精确度。要获得高质量的三维模型和纹理贴图就必须优化前期影像采集方案。影像采集方案优化主要从减少采集干扰信息和优化拍摄手段两方面进行。

减少干扰信息的目的是提高三维模型还原精确度和纹理贴图准确度。干扰信息主要表现为被扫描物体表面高光反射和镜面反射干扰、三维空间重构采样点干扰、图像暗部噪波干扰等。可以从过滤采集对象表面反光、改善拍摄环境、提高采集影像的质量方面进行改善。

优化拍摄手段包括：三维空间重构优化、采样优化、摄影技巧优化。

一、减少影像干扰信息

（一）过滤采集对象的表面反光干扰

过滤采集对象的表面反光是为了获得干净的漫反射纹理，减少被采集对象表面的高光反射和镜面反射干扰。第一种减少干扰的方法是对拍摄对象进行表面处理。以真人影像采集为例，可以为人物脸部做吸油处理或者上一层粉底以减少皮肤表面的油亮反光。但是，物体做表面处理会影响它的表面材质反光属性，例如金属表面、木制品、塑料表面都有反光和镜面反射特性，一旦做了表面反光处理就会变成亚光质感。对于陶瓷更是没法改变其高亮质感。第二种减少干扰的方法是利用偏振镜片过滤被拍摄对象的高光和反射光，从而获得理想的漫反射图像。被过滤高光和反射光信息的漫反射图片是理想的三维建模图像。这种图像可以生成最佳的漫反射纹理贴图，使用它生成的三维模型可以计算出准确的三维模型结构和表面凹凸细节。但是，这样三维模型的反光属性和镜面反射属性会丢失，因为偏振镜过滤了被扫描物体表面的高光和反射光信息。我们可以在三维软件的材质编辑器编辑材质的反射光强度、反射区域范围、表面粗糙度、镜面反射强度、菲尼尔反射等参数，以此模拟物体的材质特性。

被偏振镜过滤的高光、镜面反射光信息在三维材质还原方面可以再次被利用。我们需要分别获取被拍摄对象高光、镜面反射纹理通道和漫反射纹理通道。这两个通道的贴图分别赋予三维材质漫反射和高光反射范围或者高光反射强度等材质节点。这种做法可以准确还原材质纹理和反光特性。根据这个思路我们进行两个技术实验。第一个实验，使用三脚架固定相机并进行两次曝光，其中一次曝光在镜头前面手持一片影视拍摄用的偏振镜片，旋转镜片角度过滤反射光。两次拍摄都不可以触碰相机，需要使用手机APP或者USB控制线连接电脑控制相机曝光，避免相机位移导致两张相片没法完全重叠。这两张相片在后期合成软件利用图像差值计算可以分离出一张高光通道贴图，可用作高光或者反射贴图。使用偏振镜片拍摄的图像可以直接用作漫反射纹理贴图。但是这种技术实施手段效率低，难以批量化操作。第二个实验，根据第一个实验的结果，利用分光镜的原理，设计出一套双相机同步同角度分光拍摄装置，使用它就可以高效率实现第一个实验需要获取的图像。

（二）改善拍摄环境，减少拍摄现场干扰信息

改善拍摄环境的灯光照明，能够降低灯光反射和投影的干扰。首先，搭建光照均匀、多角度照明、照度统一、色温一致的漫反射灯光。三维扫描影像采集不建议在自然光条件下进行，因为光线会随着时间和天气变化导致照明亮度和角度变化，最终造成采集图像曝光不一致。另外，自然光也许有浓重的阴影，影响漫反射纹理采集。其次，不可以使用灯具直接照明，因为灯具的反光会直接投射到物体表面，出现不自然的高光区域和镜面反射。

通过对比测试，最优化的方法是使用大型柔光板柔化光线，过滤灯泡的反射;或者使用反光板反射灯光的间接照明手段。为了减少阴影和提高被扫描对象的暗部照明，亮度灯光要从前后、左右上下多角度照射被扫描物体，从而获取均匀的漫反照射效果。这种均匀、多角度的漫反射照明如同手术室的无影灯，一方面可以避免出现生硬的阴影或者没有层次的暗部区域，另一方面也可以避免产生不自然的高光亮点和反射。通过对比试验，使用了漫反射光源和直接照射光源所获得的图像分别进行建模和生成贴图。我们发现使用灯光直射照明条件下，采集图像所获取的模型与贴图在三维软件渲染时有明显不自然的灯光投影以及模型的暗部缺乏层次细节，模型暗部的结构还原失真。同时，三维模型存在不跟随光照角度变化的高光反射。

搭建摄影台，也可以减少背景干扰。参照摄影棚摄影和人像摄影的经验，根据不同的拍摄对象搭建黑白灰不同的纯色背景，并配合柔光摄影台。此技术手段可以获得干净的拍摄背景，减少不必要的背景图像信息干扰，因此也降低了三维空间重构采样点干扰。

（三）提高影像采集质量，降低图像噪点干扰

这一手段的重要思路是提高存储图片宽容度，并使用高质量存储格式，减低图像暗部噪点干扰。改善照明灯光在一定程度上能弥补图片采集暗部细节层次还原。但受到相机曝光动态范围的影响，拍摄时候会遇到亮部和漫反射区域曝光准确而暗部区域曝光不足、图像暗部有明显的噪点、图像暗部层次丢失等情况。目前主流的单反相机可以涵盖12到13档的曝光动态范围，没法达到高动态图像采集的标准。最有效的方法是通过±2.5到3档的包围曝光，同步采集一组为三张的照片，利用HDRI软件工具，把这三张照片合并为一张HDRI高动态图。针对不同的图像三维建模软件需求，我们可以直接使用HDRI图片或者对HDRI图调整曝光和暗部曲线，映射为8比特jpg或者10比特的tif图片。从HDRI图片映射的位图暗部噪点基本消失，具有丰富的细节层次，适合图像三维建模使用。从三维渲染的角度和纹理贴图的角度来看，暗部纹理的亮度层次尽量与受光区域的亮度层次接近，因为在三维渲染当中，灯光投射到三维物体必然产生阴影，如果纹理贴图本来就带有拍摄时候捕捉到的阴影，它与三维灯光照射后产生的阴影重叠会造成暗部完全失去纹理细节。另外，这些假的阴影不会随着三维灯光的照射角度变化。

二、优化拍摄手段

（一）采样优化

三维空间重构首先要规范采集图像的分布和重叠度。以固定扫描对象在旋转台进行拍摄为例，图像拍摄角度要360度覆盖被扫描物体。通过对比测试，我们得到优化的参考数据，每一圈拍摄8-9张图片，图片间隔在35度到45度之间，上下拍摄3-4圈图片。图像的重叠度在40%--55%左右是最理想的。

（二）三维空间重構优化

三维空间重构原理是围绕扫描对象按照一定的顺序采集图片序列。采集图像有两种方法：

1.拍摄者360度围绕被拍对象进行拍摄。这种拍摄方法直接简便，能获取丰富的空间参考点，有利于三维空间重构。但会带来两个问题，一是空间参考点多容易产生干扰模型的参考点，需要手动清空没必要的参考点，再进行三维模型优化和输出。二是拍摄角度改变导致拍摄物体在不同的取景角度采样到的光线照射不均匀，不容易获得相对照射均匀的纹理贴图。

2.把被扫描对象放置在旋转台上，被扫描对象360度旋转。摄影机固定在脚架上，只调节摄影机高低和俯仰角度进行拍摄。我们可以获取按照经纬度整齐排列、间距统一的图片序列。此方法比较有利于三维重构。但是对于结构复杂的被扫描对象需要在对于位置选择更多的角度和不同的距离拍摄图片，避免出现三维参考点误差而产生三维模型变形或者表面凹凸结构错误等问题。

在纯色背景下拍摄采样便于把扫描对象与背景分离。如图1所示，实验测试证明最理想的办法是在被扫描对象下面放置一张标准色卡。一方面，色卡的不同色块纹理识别度高，可以有助于空间的重构。另一方面，色卡可以作为色彩矫正使用，可以提高漫反射纹理贴图的还原准确度。

（三）摄影技巧优化

对于镜头参数优化，一般建议使用中小光圈拍摄，大于5.6光圈会导致景深过浅，没法捕捉焦点以外的空间参考点。不建议使用广角或者长焦拍摄。广角拍摄会产生镜头畸变使会造成三维模型变形;长焦拍摄会导致景深过浅，没法获取焦点以外的参考点。这些都是图像建模中图像采集主要的干扰信息。相机的文件记录格式建议使用Raw格式，使用最高分辨率尺寸存储，虽然这些文件格式会导致后期计算缓慢，但是可以提高三维建模还原的精确度。

三、结语

通过以减少图像三维建模干扰信息和优化拍摄手段为目的系列实验对比，我们总结出一套三维建模前期影像采集优化方案。此方案提出的规范与标准参考有助于提高三维模型质量并具有实用价值。该方案从优化被拍摄对象表面反光特性、分离漫反射与高光通道、改善光照环境、提高被采样物体暗部的光线照度、采用HDRI高动态图像格式存储图片、规范采样角度和采样密度到增加空间参照点，探索出一套行之有效的方法。它可以提高图片三维建模的精确度，也可以获取高质量的漫反射纹理贴图和重要的高光反射材质属性参数（如图2）。

参考文献：

[1]刘红英，杨春，龙马利.Agisoft Photoscan在历史建筑保护中的创新应用和研究——以四川崇州市街子古镇字库塔为例[J].技术与市场，2020（7）：44-46.

作者简介：崔伟全，硕士，中山职业技术技术学院讲师。