基于圖像繪制的Image Warping理論與方法研究.pdf

1、對交互性、實時性和沉浸感的追求一直是虛擬現(xiàn)實研究的目標(biāo)。由于具有與場景復(fù)雜度無關(guān)，真實感強等特點，基于圖像的繪制技術(shù)（IBR）在近十年來成為虛擬現(xiàn)實成像技術(shù)的研究熱點。其中，帶有部分幾何信息的深度圖像繪制，由于僅耗費有限的存儲資源且視點自由度高，成為最實用的IBR技術(shù)之一。作為深度圖像繪制的核心，Image Warping從包含深度信息的參考圖像來生成新視點下的目的圖像，成為構(gòu)建眾多IBR漫游系統(tǒng)的有效途徑。對Image Warping

2、理論和方法進行研究和改進是提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)性能的根本動力。 本文研究基于圖像繪制中Image Warping的理論和方法，分析了正向和逆向ImageWarping中存在的問題和原因，從基本映射原理出發(fā)，在研究總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上試圖給出一些新的模型和方法。主要工作包含以下內(nèi)容： （1）提出一種縮放Image Warping算法（Zoom Image Warping Algorithm）。針對正向Image Warping

3、中存在的映射出界和空洞問題，設(shè)計了視景收縮方法在參考域中快速確定對應(yīng)邊界參考像素的位置，并獲得有效參考區(qū)域，然后采用模板映射有效填補空洞。該算法通過調(diào)整目標(biāo)圖像繪制順序和映射方向，避免了大量冗余計算；同時，充分利用模板技術(shù)避免了大量逆向映射的建立，在獲得不錯繪制效果的同時，進一步提高了計算效率。 （2）提出一種多參考域無Z-Buffer的可見性繪制方法。針對傳統(tǒng)無Z-Buffer的繪制技術(shù)只能局限于單參考域的問題，引入一個中間視

4、點調(diào)整多個參考域之間采樣光線的排序關(guān)系，給出了一種可行的多參考域無z-Buffer繪制方法，并從理論和實驗兩方面證明了該方法具有正確的可見性。該方法的優(yōu)點還在于無需引入新的軟件模型及進行繁瑣的預(yù)處理工作。 （3）提出一種利用多參考域約束關(guān)系的快速逆向Image Warping算法一交叉線段算法（Crossed Segment Algorithm，簡稱CSA）。該算法通過在多個已知深度信息的參考域間建立新的約束關(guān)系，利用極線段方程

5、的求解來尋找匹配像素，避免了傳統(tǒng)沿極線逐像素搜索驗證的過程。這種用求解替代搜索的方法，將單次匹配從極線復(fù)雜度降低到邊界像素鏈表復(fù)雜度，經(jīng)實驗證明起到了有效的加速作用。 （4）提出一種用于逆向Image Warping的搜索轉(zhuǎn)移算法（Search Transform Algorithm，簡稱STA）。該算法從極線幾何特性出發(fā)，將大量匹配搜索運算從參考域轉(zhuǎn)移到目的域。由于目的域搜索過程的復(fù)雜度大大低于參考域，而利用空間連貫性又能顯著

6、降低參考域的搜索長度，因此STA可以大大降低整個搜索過程的計算量，顯著提高計算速度。 （5）提出一種基于空間連貫性的快速逆向Image Warping算法一極線模板法（Epipolar Stencil Algorithm，簡稱ESA）。該方法利用連貫性約束，通過為相鄰像素建立變長的模板快速裁剪當(dāng)前極線，從而將搜索過程從極線復(fù)雜度降低到模板半徑復(fù)雜度。該算法不但從根本上降低了搜索的復(fù)雜度，顯著提高計算效率，同時還降低了對場景特征的

7、要求，具有更強的適用性。 （6）提出一種借助于紋理硬件的分層Image Warping模型。由于現(xiàn)有方法大多建立在傳統(tǒng)的Image Warping模型之上，映射和重構(gòu)階段產(chǎn)生的計算量主要依靠CPU完成的。提出的分層Image Warping模型由等密度映射和紋理重構(gòu)構(gòu)成。其中通過采用新的等密度映射方式替代了傳統(tǒng)的成像面到成像面的映射，從而將圖像重構(gòu)的過程轉(zhuǎn)化為一個可以依賴紋理硬件快速完成的紋理映射過程。模型中引入了一個多分辨率分

8、層圖像結(jié)構(gòu)，并對相關(guān)性質(zhì)和公式進行了推導(dǎo)證明。 （7）設(shè)計了基于分層Image Warping模型的正向Image Warping和逆向Image Warping方法，并對實現(xiàn)中的細節(jié)問題進行了討論。新方法僅讓CPU完成了最必要的映射任務(wù)，而將大量的重構(gòu)工作交由紋理硬件完成，可以大大提高效率；同時，采用新模型實施圖像映射時，分辨率和景深之間存在的聯(lián)系自然地區(qū)分了目的像素之間的連通性，不需要相關(guān)預(yù)處理就能有效地避免“橡皮擦現(xiàn)象”；