СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАТНОЙ ТРАССИРОВКИ ЛУЧЕЙ
METHOD FOR RECOVERY OF UNDERGROUND IMAGE BASED ON BACKWARD RAY TRACING TECHNOLOGY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к области восстановления подземного изображения и, в частности, относится к способу восстановления подземного изображения на основе технологии обратной трассировки лучей.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Технология трассировки лучей представляет собой способ отображения трехмерного (3D) изображения на двумерном (2D) экране, который в настоящее время широко применяется в играх и компьютерной графике и дает людям более реалистичный эффект. Источником света считается точечный источник света, способный случайным образом излучать десятки тысяч лучей в окружающую среду, и эти лучи отражаются, преломляются или поглощаются (ослабляются) или генерируют флуоресценцию после соприкосновения с различными объектами. Трассировка лучей представляет собой общую технологию геометрической оптики, а модель пути прохождения лучей получается путем трассировки лучей, генерирующих эффекты взаимодействия с оптической поверхностью. Однако существуют десятки тысяч лучей, и лучи после отражения, преломления, поглощения и флуоресценции не поддаются исчислению, так что расчетная величина прямой трассировки лучей велика. Таким образом, способ обратной трассировки лучей постепенно попадает в поле зрения людей. Расчетная величина значительно уменьшается, если в качестве точки излучения источника света используется объектив камеры и рассчитывается только часть лучей, попадающих в плоскость обзора.
[0003] В связи с тем, что большинство взрывозащищенных камер, используемых в настоящее время под землей, представляют собой черно-белые камеры, из-за особой подземной среды угольной шахты, всепогодного искусственного освещения и влияния таких факторов, как пыль и сырость, подземное видео имеет характеристики низкой освещенности изображения и неравномерного распределения освещения, и эти особые условия обуславливают низкое качество собранного видео и низкое разрешение видео. Когда источник сильного света, такой как безопасная шахтная лампа, встречается в поле зрения шахтной камеры, собранное изображение будет иметь явление ослепительного света, так что качество видеоизображения будет значительно снижено, и может быть вызвано возникновение аварийных ситуаций. Таким образом, применение технологии обратной трассировки лучей для восстановления подземного изображения имеет большое значение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача
[0004] С целью решения вышеуказанных проблем настоящее изобретение предусматривает способ восстановления подземного изображения на основе технологии обратной трассировки лучей. Нацеливаясь на явление, при котором в условиях низкой освещенности и большого количества пыли в угольной шахте внезапно возникающий источник сильного света может создавать помехи исходному видеоизображению, так что контрастность черно-белого изображения на мониторе слишком велика и информация в видеоизображении не может быть распознана, используется способ обратной трассировки лучей, и значение пикселя источника сильного света в плоскости обзора устраняется, так что устраняется влияние источника сильного света на исходное видеоизображение.
Техническое решение
[0005] Для достижения цели настоящего изобретения настоящее изобретение предусматривает техническое решение, заключающееся в том, что способ восстановления подземного изображения на основе технологии обратной трассировки лучей включает следующие этапы:
[0006] этап 1: предполагают, что подземная камера является точкой излучения источника света, то есть точкой обзора, и излучают лучи в подземную зону, отображаемую камерой;
[0007] этап 2: записывают все точки пересечения всех лучей и подземных объектов, и вычисляют одну точку пересечения, ближайшую к точке обзора, в точках пересечения;
[0008] этап 3: в соответствии с освещением, материалами объекта и направлением нормали вычисляют интенсивность света отраженных лучей или преломленных лучей в ближайшей точке пересечения, определенной на этапе 2;
[0009] этап 4: вычисляют направление лучей, вновь сгенерированных после того, как лучи отражены и преломлены объектами в положении точки пересечения;
[0010] этап 5: выполняют трассировку лучей, вновь сгенерированных на этапе 4, и определяют, излучают ли трехкратно отраженные или преломленные лучи на плоскость обзора прямо перед безопасной шахтной лампой или нет; если да, вычисляют трехкратно отраженную интенсивность света и/или преломленную интенсивность света; и в ином случае возвращаются на этап 2 с повторным определением точки пересечения и повторяют этап 3-этап 5;
[0011] этап 6: преобразуют интенсивность света, вычисленную на этапе 5, в значение пикселя посредством фоточувствительного элемента с полупроводниковым приемником света камеры, излучают лучи, полученные после трехкратного отражения и/или преломления лучей, излученных от камеры на плоскость обзора, и выполняют визуализацию на плоскости обзора; и
[0012] этап 7: устраняют значение пикселя сильного света, излучаемого от камеры, на изображении, в конечном итоге показанном на плоскости обзора, с получением изображения после устранения влияния источника сильного света.
[0013] На этапе 3 интенсивность света отраженных лучей или преломленных лучей в ближайшей точке пересечения, определенной на этапе 2, вычисляют в соответствии со следующим способом:
[0014] вычисляют интенсивность света отраженных лучей в положении точки пересечения по формуле (1):
r
a
a
i
d
s
d
s
[0015] при этом Iпредставляет интенсивность света отраженных лучей; IKпредставляет значение влияния света окружающей среды в положении точки пересечения; Iпредставляет интенсивность света падающего света; Kпредставляет коэффициент зеркального отражения; Kпредставляет коэффициент диффузного отражения; Rпредставляет зеркальное отражение; Rпредставляет диффузное отражение; и N, L и соответственно представляют вектор нормали к поверхности объекта, единичный вектор направления луча и телесный угол;
[0016] или вычисляют интенсивность света преломленных лучей в положении точки пересечения по формуле (2):
t
1
2
[0017] при этом Iпредставляет интенсивность света преломленных лучей, а θ и θпредставляют собой угол падения и угол преломления.
[0018] На этапе 5 лучи, сгенерированные вновь на этапе 4, трассируют в соответствии со следующими способами:
[0019] (1) если лучи не пересекаются с каким-либо из объектов, от трассировки отказываются; если точка пересечения находится на непрозрачном объекте, вычисляют только интенсивность света отраженных лучей; если точка пересечения находится на прозрачном объекте, вычисляют интенсивность света отраженных лучей и интенсивность света преломленных лучей и выполняют трассировку лучей, полученных трехкратным отражением или преломлением начальных лучей; если лучи, полученные трехкратным отражением или преломлением начальных лучей, излучают на плоскость обзора прямо перед безопасной шахтной лампой, вычисляют интенсивность света лучей; и, если нет, от трассировки отказываются и переходят на этап (2); и
[0020] (2) если все отображенные и преломленные лучи, сгенерированные начальными лучами, не излучают на плоскость обзора прямо перед безопасной шахтной лампой, определяют точку пересечения, вторую ближайшую к точке обзора, в точках пересечения начальных лучей и объектов; повторяют этап (1); если вторая ближайшая точка пересечения не удовлетворяет условиям, последовательно вычисляют следующую ближайшую точку пересечения до тех пор, пока найденная точка пересечения не будет удовлетворять условиям.
[0021] На этапе 7 значение пикселя сильного света, излучаемого от камеры, устраняют на изображении, в конечном итоге показанном на плоскости обзора, с получением изображения после устранения влияния источника сильного света в соответствии со следующими способами:
[0022] помимо света безопасной шахтной лампы, имитируемой светом, излучаемым от подземной камеры, то есть источника A света, также существует другой искусственный свет лампы, то есть источник B света, и в то же время также существует свет окружающей среды, то есть источник C искусственного света.
[0023] Когда трехкратно отраженные лучи и/или преломленные лучи излучают на плоскость обзора, изображение на плоскости обзора показывают как следующую формулу:
[0024] при этом P(x,y) представляет изображение, в конечном итоге показанное на плоскости обзора; R(x,y) представляет изображение, показанное на плоскости обзора, когда камера не излучает свет, то есть изображение, показанное на плоскости обзора, когда источник B света и источник C света перекрываются; S(x,y) представляет изображение на плоскости обзора, когда только камера излучает свет; и L(x,y) представляет изображение света окружающей среды, то есть источника C света на плоскости обзора.
[0025]  задано,
[0026] логарифм взят с обеих сторон с получением ,
[0027] и свет L(x,y)  окружающей среды показан следующим образом посредством P(x,y) и свертки ядра Гаусса гауссовой функции G(x,y):
[0028] при этом ,
[0029] C представляет гауссову окружающую шкалу, и λ представляет собой одну шкалу, и позволяет  быть всегда истинным. Он может быть получен посредством формул (4), (5) и (6):
[0030] при этом  задано,
[0031] и S'(x,y) представляет собой изображение после устранения влияния источника сильного света.
Преимущественный эффект
[0032] По сравнению с предшествующим уровнем техники, техническое решение настоящего изобретения имеет следующие полезные технические эффекты:
[0033] настоящее изобретение меняет традиционное представление об обработке изображений посредством применения обратной трассировки лучей. Обычные способы в основном используют способы линейного преобразования, гамма-коррекции, выравнивания гистограммы, маски нерезкости, гомоморфной фильтрации, тонального отображения, алгоритма темного канала и т. п. для условий внезапного появления источника сильного света, и при этом эффект обработки не является очевидным. Технология обратной трассировки лучей может эффективно устранить влияние источника сильного света, восстановить исходное подземное изображение и обеспечить бесперебойное выполнение подземных работ и безопасность жизни операторов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0034] На фиг. 1 показано схематическое изображение открытого телесного включенного угла  единичной области в направлении источника света;
[0035] на фиг. 2 показано схематическое изображение приема отражения и преломления обратной трассировки лучей согласно настоящему изобретению; и
[0036] на фиг. 3 показан процесс устранения влияния источника сильного света с помощью обратной трассировки лучей согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технические решения настоящего изобретения дополнительно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы и варианты осуществления.
[0037]Согласно способу восстановления подземного изображения на основе технологии обратной трассировки лучей согласно настоящему изобретению, нацеливаясь на явление, при котором в условиях низкой освещенности, большого количества пыли и высокой влажности в угольной шахте внезапно возникающий сильный источник света может создавать помехи исходному видеоизображению, так что контрастность черно-белого изображения на мониторе слишком велика и информация в видеоизображении не может быть распознана, используется способ обратной трассировки лучей, и значение пикселя источника сильного света в плоскости обзора устраняется, так что устраняется влияние источника сильного света на исходное видеоизображение. Как показано на фиг. 3, процесс устранения влияния источника сильного света с помощью обратной трассировки лучей согласно настоящему изобретению в частности включает следующие этапы.
[0038] Этап 1: предполагают, что подземная камера является точкой излучения источника света, то есть точкой обзора, и излучают лучи в подземную зону, отображаемую камерой. Интенсивность лучей равна интенсивности света лучей, излучаемых безопасной шахтной лампой.
[0039] Этап 2: записывают все точки пересечения всех лучей и подземных объектов, и вычисляют одну точку пересечения, ближайшую к точке обзора, в точках пересечения.
[0040] Этап 3: в соответствии с освещением, материалами объекта и направлением нормали вычисляют интенсивность света отраженных лучей или преломленных лучей в ближайшей точке пересечения, определенной на этапе 2.
[0041] Интенсивность света отраженных лучей в положении точки пересечения рассчитывают по формуле (1):
.
r
a
a
i
d
s
d
s
[0042] Iпредставляет интенсивность света отраженных лучей. IKпредставляет значение влияния света окружающей среды в положении точки пересечения. Iпредставляет интенсивность света падающего света. Kпредставляет коэффициент зеркального отражения. Kпредставляет коэффициент диффузного отражения. Rпредставляет зеркальное отражение. Rпредставляет диффузное отражение. N, L и соответственно представляют вектор нормали к поверхности объекта, единичный вектор направления луча и телесный угол. Как показано на фиг. 1, направление горизонтальной оси представляет поверхность объекта; направление продольной оси представляет направление вектора нормали к поверхности объекта; и при этом телесный угол определяют как угол области проекции подземного объекта на сферической поверхности к точке наблюдения после того, как трехмерная сферическая поверхность сформирована с использованием камеры в качестве точки наблюдения.
[0043] Или интенсивность света преломленных лучей в положении точки пересечения вычисляют по формуле (2):
.
t
1
2
[0044] Iпредставляет интенсивность света преломленных лучей, а θ и θпредставляют угол падения и угол преломления.
[0045] Эффект света и тени определяется только совместно первым направлением нормали к поверхности пересекаемого объекта, материалом, точкой обзора и направлением освещения, а также интенсивностью освещения, а лучи второго слоя и более глубокого слоя не учитываются для проекции луча, так что эффекты тени, отражения, преломления и флуоресценции не существуют.
[0046] Этап 4: вычисляют направление лучей, вновь сгенерированных после того, как лучи отражены и преломлены объектами в положении точки пересечения. Направление лучей, сгенерированных вновь, совместно определяется направлением падающего света, направлением нормали к поверхности объекта и средой.
[0047] Этап 5: выполняют трассировку лучей, вновь сгенерированных на этапе 4, и определяют, излучают ли трехкратно отраженные или преломленные лучи на плоскость обзора прямо перед безопасной шахтной лампой или нет; если да, вычисляют трехкратно отраженную интенсивность света и/или преломленную интенсивность света; и в ином случае, технологическая последовательность возвращается на этап 2 с повторным определением точки пересечения, и повторяются этап 3-этап 5.
[0048] После того, как лучи излучаются от камеры, трассировку лучей выполняют следующим образом: лучи могут пересекаться с прозрачными объектами и непрозрачными объектами или могут не пересекаться с любым объектом в зоне, отображаемой камерой, после излучения от камеры.
[0049] (1) Если лучи не пересекают какой-либо объект, от трассировки отказываются. Если точка пересечения находится на непрозрачном объекте, вычисляют только интенсивность света отраженных лучей. Если точка пересечения находится на прозрачном объекте, вычисляют интенсивность света отраженных лучей и интенсивность света преломленных лучей и выполняют трассировку лучей, полученных трехкратным отражением или преломлением начальных лучей. Если лучи, полученные трехкратным отражением или преломлением начальных лучей излучают на плоскость обзора прямо перед безопасной шахтной лампой, вычисляют интенсивность света лучей. Если нет, от трассировки отказываются, и технологическая последовательность переходит на этап (2).
[0050] (2) Если все отображенные и преломленные лучи, сгенерированные начальными лучами, не излучают на плоскость обзора прямо перед безопасной шахтной лампой, определяют точку пересечения, вторую ближайшую к точке обзора, в точках пересечения начальных лучей и объектов. Этап (1) повторяют. Если вторая ближайшая точка пересечения не удовлетворяет условиям, последовательно вычисляют следующую ближайшую точку пересечения до тех пор, пока найденная точка пересечения не будет удовлетворять условиям.
[0051] Как показано на фиг. 2, пример для вычисления интенсивности света отраженных лучей и интенсивности преломления приведен конкретно следующим образом.
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
[0052] Предполагается, что в подземной зоне, отображаемой камерой, камера расположена в положении точки обзора; свет излучается от камеры; и существует прозрачный объект O и непрозрачный объект O. Сначала, начальный луч E излучается от точки обзора и пересекается с O в P, и отраженный луч Rи преломленный луч Tгенерируются. Интенсивность света Rсоответствует формуле , и, поскольку R больше не пересекается с объектами, трассировка заканчивается. Интенсивность света T соответствует формуле . T пересекается внутри O в P, и отраженный луч Rи преломленный луч Tгенерируются. Интенсивность света R соответствует формуле , и интенсивность света T соответствует формуле . Рекурсия может выполняться непрерывно для трассировки R и T. Например, T и O пересекаются в P, и поскольку O является непрозрачным, генерируется только отраженный луч R. Интенсивность света R соответствует формуле . R в конечном итоге попадает в плоскость обзора.
1
2
1
3
4
2
1
2
3
i
1
2
3
1
2
3.
1
2
3
1
2
3.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
1
2
3
[0053] θи θпредставляют собой угол падения и угол отражения в положении P. θи θпредставляют собой угол падения и угол отражения в положении P.  представляет значение влияния света окружающей среды в положении P.  представляет значение влияния света окружающей среды в положении P.  представляет значение влияния света окружающей среды в положении P. Iпредставляет интенсивность света луча E, т. е. интенсивность света падающего света начального луча. ,  и  соответственно представляют коэффициенты зеркального отражения в положениях P, P и P. ,  и  соответственно представляют коэффициенты диффузного отражения в положениях P, P и P,  и соответственно представляют зеркальное отражение в положениях P, P и P. ,  и  соответственно представляют диффузное отражение в положениях P, P и P N, N и Nсоответственно представляют векторы нормали к поверхности объекта в положениях P, P и P. L, L и L соответственно представляют единичные векторы направлений луча начального луча E, отраженного луча T и преломленного луча T. ,  и  соответственно представляют телесные углы, сгенерированные в положениях P, P и P.
[0054] Этап 6: интенсивность света на этапе 5 преобразуют в значение пикселя посредством фоточувствительного элемента с полупроводниковым приемником света камеры. Лучи, полученные после трехкратного отражения и/или преломления лучей, излученных от камеры, излучают на плоскость обзора. Визуализацию выполняют на плоскости обзора.
[0055] Этап 7: значение пикселя сильного света, излучаемого от камеры, устраняют на изображении, в конечном итоге показанном на плоскости обзора, с получением изображения после устранения влияния источника сильного света в соответствии со следующими способами.
[0056] Помимо света безопасной шахтной лампы, имитируемой светом, излучаемым от подземной камеры, то есть источника A света, также существует другой искусственный свет лампы, то есть источник B света, и в то же время также существует свет окружающей среды, то есть источник C искусственного света.
[0057] Когда трехкратно отраженные лучи и/или преломленные лучи излучают на плоскость обзора, изображение на плоскости обзора может быть отображено как следующая формула:
.
[0058] P(x,y) представляет изображение, в конечном итоге показанное на плоскости обзора. R(x,y) представляет изображение, показанное на плоскости обзора, когда камера не излучает свет, т. е. изображение, показанное на плоскости обзора, когда источник B света и источник C света перекрываются. S(x,y) представляет изображение на плоскости обзора, когда только камера излучает свет. L(x,y) представляет изображение света окружающей среды, т. е. источника C света, на плоскости обзора.
[0059]  задано,
[0060] логарифм взят с обеих сторон с получением ,
[0061] и свет L(x,y)  окружающей среды может быть показан следующим образом посредством P(x,y) и свертки ядра Гаусса гауссовой функции G(x,y):
[0062] при этом ,
[0063] C представляет гауссову окружающую шкалу, и λ представляет собой одну шкалу, и позволяет  быть всегда истинным. Он может быть получен посредством формул (4), (5) и (6):
[0064] при этом  задано,
[0065] и S'(x,y) представляет собой изображение после устранения влияния источника сильного света.
[0066] Настоящее изобретение применяет технологию обратной трассировки лучей. При условии значительного уменьшения количества вычислений трассировки лучей явление ослепительного света источника сильного света на подземном видеоизображении с низкой освещенностью эффективно уменьшается, так что достигается эффект восстановления видеоизображения.