一种基于YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统和方法与流程

本发明涉及一种基于YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统和方法，属于计算机图形领域。

背景技术：

材质获取方法以及在虚拟场景中的重建是计算机图形学的重要研究课题。在过去的十余年中，研究人员提出了许多处理方法并开发出相应的系统，例如，Bonn大学的BTF(双向纹理函数)获取系统。但此类系统存在系统搭建复杂、数据采集时间长、数据量大、数据压缩时间长等缺点，因而材质获取系统仍未能进入实际应用阶段。

近年来，利用单幅图像获取材质外观得到工业界以及研究人员的重视，并开发出了多款材质获取及编辑系统。例如，在工业界技术人员利用Photoshop编辑图像、利用CrazyBump计算Normal图等。在研究领域，微软亚洲研究院开发出了一款交互式材质获取系统AppGen。在相关研究基础上，本发明研发了一种基于YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统。

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色、分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号B－Y(即U)、R－Y(即V)，最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。YUV的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。

双边滤波[1](Bilateral filter)是一种非线性的滤波方法，是结合图像的空间邻近度和像素值相似度的一种折衷处理，同时考虑空域信息和灰度相似性，达到保边去噪的目的。具有简单、非迭代、局部的特点。

参考文献：

[1]Yang Q.,Wang S.,N.Real-time specular highlight removal using bilateral filtering.Computer Vision–ECCV 2010.Springer,2010,87-100.

技术实现要素：

针对现有技术的补助，本发明的技术方法基于YUV颜色空间，仅需单幅图像就可生成更为真实的材质贴图，包括漫反射系数图、镜面反射系数图、法向图、以及高光系数图。

本发明的技术方案包括一种基于YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统，其特征在于，该系统包括：准备模块，用于为系统提供符合要求单幅扁平样本材质图像，对材质图像进行解析，获取光源方向及视点方向；分离模块，用于对材质图像高光分离，得到高光图像，进一步还得到高光图像的漫反射图和镜像反射图；法向图模块，获取所述分离模块得到的高光图像的漫反射图，基于漫反射图的明亮度进行交互式计算得到法向图；漫反射系数模块，用于获取所述法向图计算得到漫反射系数；系数计算模块，用于将镜面反射图的明亮度作为高光系数，基于高光系数及用户设置的参数，进一步重新计算得到最终高光系数和镜面反射系数。

根据所述的YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统，所述的准备模块还包括：用于获取符合要求的单幅扁平样本材质图像，解析获取材质图像像素的RGB值，进一步将某个像素点x的RGB值I(x)表示为漫反射与镜面反射的和，其中

I(x)＝I_d(x)+I_s(x)，

漫反射为I_d(x)＝ρ_d(x)S_d(x)＝ρ_d(x)Dot(N(x),L)，

镜像反射为I_s(x)＝ρ_s(x)S_s(x)＝ρ_s(x)pow(Dot(N(x),H),g(x))Dot(N(x),L)，其中g(x)为高光系数，H＝(L+V)/|L+V|，其中L为光源方向，V为视点方向。

根据所述的YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统，所述的分离模块还包括：预设子模块，用于对像素筛选时设置的高光阈值进行设置，该高光阈值可以进行自定义设置；过滤子模块，用于对材质图像的每个像素点实用双边滤波进行过滤，包括剔除不高于预设高光阈值的像素点，将符合高光阈值要求的像素点进行分离分别得到漫反射图和镜像反射图。

根据所述的YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统，所述的法向图模块还包括：转换子模块，用于对材质像素的漫反射图从RGB颜色空间转换为YUV颜色空间，并获取YUV颜色空间的明亮度Y；交互计算子模块，用于计算明亮度Y的最大值MaxY及最小值MinY，进一步根据用户自定义设置的深度变化范围经验值DepthRange，对漫反射图像的明亮度Y进行二次计算，其计得到最终明亮度，计算公式为Y＝(Y-MinY)/(MaxY-MinY)*DepthRange，其中深度变化范围经验值可设置范围为0-255；法向图计算子模块，用于获取所述交互计算子模块二次计算得到的最终明亮度，进一步根据明亮度Y对漫反射图计算得到法向图。

根据所述的YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统，所述的漫反射系数模块还包括：用于使用ρ_d(x)＝I_d(x)/Dot(N(x),L)计算得到漫反射系数。

根据所述的YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统，所述的漫反射系数模块还包括：临时子模块，用于根据RGB颜色空间转换为YUV颜色空间的转换公式，计算镜面反射图的明亮度G，将G作为临时高光系数，并计算出临时高光系数的最大值MaxG和最小值MinG；交互子模块，用于根据用户输入的高光变化范围经验值GlossinessRange，使用g(x)＝(g(x)-MinG)/(MaxG-MinG)*GlossinessRange计算得到最终高光系数，使用ρ_s(x)＝I_s(x)/pow(Dot(N_D(x),H),g(x))/Dot(N_D(x),L)计算得到镜面反射系数，其中GlossinessRange可输入范围为0-255。

本发明的技术方案还一种基于YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取方法，其特征在于，该方法包括：为系统提供符合要求单幅扁平样本材质图像，对材质图像进行解析，获取光源方向及视点方向；对材质图像高光分离，得到高光图像，进一步还得到高光图像的漫反射图和镜像反射图；获取所述分离模块得到的高光图像的漫反射图，基于漫反射图的明亮度进行交互式计算得到法向图；获取所述法向图计算得到漫反射系数；将镜面反射图的明亮度作为高光系数，基于高光系数及用户设置的参数，进一步重新计算得到最终高光系数和镜面反射系数。

进一步，该方法还包括：

用于获取符合要求的单幅扁平样本材质图像，解析获取材质图像像素的RGB值，进一步将某个像素点x的RGB值I(x)表示为漫反射与镜面反射的和，其中I(x)＝I_d(x)+I_s(x)，漫反射为I_d(x)＝ρ_d(x)S_d(x)＝ρ_d(x)Dot(N(x),L)，镜像反射为I_s(x)＝ρ_s(x)S_s(x)＝ρ_s(x)pow(Dot(N(x),H),g(x))Dot(N(x),L)，其中g(x)为高光系数，H＝(L+V)/|L+V|，其中L为光源方向，V为视点方向。

进一步，该方法还包括：对像素筛选时设置的高光阈值进行设置，该高光阈值可以进行自定义设置；对材质图像的每个像素点实用双边滤波进行过滤，包括剔除不高于预设高光阈值的像素点，将符合高光阈值要求的像素点进行分离分别得到漫反射图和镜像反射图。

进一步，该方法还包括：转换子模块，用于对材质像素的漫反射图从RGB颜色空间转换为YUV颜色空间，并获取YUV颜色空间的明亮度Y；交互计算子模块，用于计算明亮度Y的最大值MaxY及最小值MinY，进一步根据用户自定义设置的深度变化范围经验值DepthRange，对漫反射图像的明亮度Y进行二次计算，其计得到最终明亮度，计算公式为Y＝(Y-MinY)/(MaxY-MinY)*DepthRange，其中深度变化范围经验值可设置范围为0-255；法向图计算子模块，用于获取所述交互计算子模块二次计算得到的最终明亮度，进一步根据明亮度Y对漫反射图计算得到法向图。

进一步，该方法还包括：使用ρ_d(x)＝I_d(x)/Dot(N(x),L)计算得到漫反射系数。

进一步，该方法还包括：根据RGB颜色空间转换为YUV颜色空间的转换公式，计算镜面反射图的明亮度G，将G作为临时高光系数，并计算出临时高光系数的最大值MaxG和最小值MinG；根据用户输入的高光变化范围经验值GlossinessRange，使用g(x)＝(g(x)-MinG)/(MaxG-MinG)*GlossinessRange计算得到最终高光系数，使用ρ_s(x)＝I_s(x)/pow(Dot(N_D(x),H),g(x))/Dot(N_D(x),L)计算得到镜面反射系数，其中GlossinessRange可输入范围为0-255。

附图说明

图1所示为根据本发明实施方式的系统的总体结构框图；

图2所示为根据本发明实施方式的整体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的YUV颜色空间的交互式单幅图像材质获取系统用于单属于图形图像处理领域。

图1所示为根据本发明实施方式的系统的总体结构框图；准备模块，用于为系统提供符合要求单幅扁平样本材质图像，对材质图像进行解析，获取光源方向及视点方向；分离模块，用于对材质图像高光分离，得到高光图像，进一步还得到高光图像的漫反射图和镜像反射图；法向图模块，获取所述分离模块得到的高光图像的漫反射图，基于漫反射图的明亮度进行交互式计算得到法向图；漫反射系数模块，用于获取所述法向图计算得到漫反射系数；系数计算模块，用与将镜面反射图的明亮度作为高光系数，基于高光系数及用户设置的参数，进一步重新计算得到最终高光系数和镜面反射系数。

图2所示为根据本发明实施方式的整体流程图。其实施流程包括包括步骤S201～S205，包括：

S201，准备材质图片并进行检查过滤，本系统输入为单幅扁平样本材质图像。Blinn-x的I(x)可表示为漫反射与镜面反射的和，

I(x)＝I_d(x)+I_s(x)。

其中，

I_d(x)＝ρ_d(x)S_d(x)＝ρ_d(x)Dot(N(x),L)

I_s(x)＝ρ_s(x)S_s(x)＝ρ_s(x)pow(Dot(N(x),H),g(x))Dot(N(x),L)，

g(x)为高光系数，H＝(L+V)/|L+V|(L为光源方向，V为视点方向，且本报告假定每个像素点x的L，V均相同)。

因此，本系统可以描述为，给定扁平样本材质的一张图片，假定光源方向L和视点方向V已知，计算法向量N(x)，漫反射系数ρ_d(x)，镜面反射系数ρ_s(x)，高光系数g(x)。

S202，对图片进行高光分离，得到漫反射和镜像反射图，基于单张图像的高光分离方法有很多。在实际应用中也可以采用更为简单的经验方法，例如，将具有高光的像素值得阈值设为235，即I(x)>235表示高光。本系统采用一种基于双边滤波(Bilateral Filterin)的高光分离方法。

S203，利用漫反射图的明亮度计算法向图，图像的颜色空间即编码方式多种多样，其中最为常见的是RGB颜色空间。本系统将研究在YUV颜色空间上计算法向图。YUV颜色空间中Y表示明亮度(Luminance)，也就是灰阶值；U和V用于表示色度(Chrominance)，即描述图像的色彩、饱和度。从RGB颜色空间到YUV颜色空间的线性转换公式如下：

Y＝0.299R+0.587G+0.114B，

U＝-0.147R-0.298G+0.437B，

V＝0.615R-0.515G-0.100B。

YUV颜色空间的特点在于明亮度Y和色度信号U、V是分离的，如果只有Y信号分量，表示的图像就是黑白灰度图像。因此，本系统采用YUV颜色空间中的明亮度Y代替传统的明暗(亮度)本征图。另外，为提高计算效率，在实际应用中我们将直接利用明亮度Y计算法向图。

为提高法向图的精度，本系统设计了一种交互式利用明亮度计算法向图方法。基本步骤如下：

(1)计算出图像明亮度Y的最大值MaxY、最小值MinY；

(2)利用用户输入的深度变化范围经验值DepthRange(0～255)，根据以下公式重新计算图像明亮度Y，

Y＝(Y-MinY)/(MaxY-MinY)*DepthRange。

该方法的基本原理是将图像明亮度等比缩放到用户满意的区间范围，从而修正法向图的变化，当DepthRange取值较大时，法向变化范围较大，否则，法向变化范围较小。

S204计算漫反射系数，其计算公式为：ρ_d(x)＝I_d(x)/Dot(N(x),L)。

S205，计算高光系数与镜面反射系数，本系统根据镜面反射越强，高光系数越大这一特点，设计了一种交互式高光生成方法。

(1)根据RGB到YUV的转换公式，计算镜面反射图的明亮度作为高光系数g(x)，并计算出最大值MaxG、最小值MinG；

(2)利用用户输入的高光变化范围经验值GlossinessRange(0～255)，根据以下公式重新计算高光系数、镜面反射系数，

g(x)＝(g(x)-MinG)/(MaxG-MinG)*GlossinessRange，

ρ_s(x)＝I_s(x)/pow(Dot(N_D(x),H),g(x))/Dot(N_D(x),L)。

最后通过步骤S204和步骤S205所得到的漫反射系数、镜像反射系数及高光系数确认最终图像材质。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。