Formation of color components of image areas of a face is a complex computational problem, since for each pixel of a surface it is necessary to calculate the intensity of color, for which it is necessary to define single vectors to the source of light and normal to the surface. Therefore, the actual task is simplification of the procedure of painting the significant loss of the realism of the final image.It is proposed to use adaptive polynomials of second and third degrees depending on the curvature of the surface to painting. For a polynomial of the third degree, an approximation formula is obtained for determining the diffuse and specular components of color. The hardware for the determination of coefficients and the approximation polynomial is proposed

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Павлов С.В., Романюк С.О., Нечипорук М.Л.


Adaptive determination of diffusive and specular components of colors for rendering of face images of persons at planning of plastic operations

Formation of color components of image areas of a face is a complex computational problem, since for each pixel of a surface it is necessary to calculate the intensity of color, for which it is necessary to define single vectors to the source of light and normal to the surface. Therefore, the actual task is simplification of the procedure of painting the significant loss of the realism of the final image.It is proposed to use adaptive polynomials of second and third degrees depending on the curvature of the surface to painting. For a polynomial of the third degree, an approximation formula is obtained for determining the diffuse and specular components of color. The hardware for the determination of coefficients and the approximation polynomial is proposed


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2018
    Журнал: ScienceRise
    Наукова стаття на тему 'адаптивного ВИЗНАЧЕННЯ ДІФУЗНОї ТА СПЕКУЛЯРНОї складових кольори для візуалізації зображення викриваючи ПРИ ПЛАНУВАННі пластичність операцій'

    Текст наукової роботи на тему «адаптивний ВИЗНАЧЕННЯ ДІФУЗНОї ТА СПЕКУЛЯРНОї складових кольори для візуалізації зображення викриваючи ПРИ ПЛАНУВАННі пластичність операцій»

    ?УДК 004.925.6

    Б01: 10.15587 / 2313-8416.2018.141123

    Адаптивні ВИЗНАЧЕННЯ ДІФУЗНО1 ТА СПЕКУЛЯРНО1 складових кольори для візуалізації зображення викриваючи ПРИ ПЛАНУВАНН1 пластичність ОПЕРАЦ1Й

    © С. В. Павлов, С. О. Романюк, М. Л. Нечипорук

    Формування складових кольору зображення дшянок лица е складаний Обчислювальна задачею, оскшь-ки для шкірного пксела поверхнi необхiдно обчісліті iнтенсівнiсть кольору, для чого необхiдно визна-чити одінічнi векторiв до джерела свтла та нормалi до поверхнi. Тому актуальним завданням е спро-щення процедури зафарбовування без Втрата реалiстічностi юнцевого зображення. Предложено для зафарбовування використовуват адаптивно полiномі іншого та третього степу-тв залежних вiд кривизни поверхнi. Для полiному третього степеня ОТРИМАНО апроксімацшну формулу для визначення діфузноХ та спекулярноХ складових кольору. Предложено апаратнi засоби для визна-чення коефiцiентiв та апроксімацшного полiному

    Ключовi слова: рендеринг, дифузно та спекулярна складовi кольору, ЗД-зображення, пластична хiрургiя, зображення лица

    1. Вступ

    Сьогодш операцшне втручання при проведен-ш пластично! xipyprii 'можна Попередньо оцшіті с помощью побудова 3D модель Це дае можлівють Зменшити pозбiжностi та невдоволення з боку паще-нттв i звесті ризики вщ подiбніx операцш до мшма-льних значень. З'явилася ушкальна можлівють зав-часно Побачити, як буде віглядаті особа тсля робо-ти пластичних мрурпв.

    При формуванш 3D-зобpаження людини необ-xiдно з максимальною точнiстю вщтворіті реальне особі. При цьом важліво pеалiстічно Передат якщо РНУ гаму. Тому до формирование дифузно! та спекуля-вірно! складових кольору вісуваються пiдвіщенi ві-моги.

    Формування дифузно! складових! кольору зображення дiлянок лица е складаний Обчислювальна задачею, осшлькі для шкірного ткселя поверхш необxiдно обчісліті iнтенсівнiсть кольору, для чого необхщно візначіті скалярний добуток одінічніх вектоpiв до джерела звила та ноpмалi до повеpxнi. Визначення одінічніх вектоpiв передбачало нормаль зацш віxiдніx вектоpiв, яка потребуе Виконання тpyдомiсткіx опеpацiй множення, дiлення та знахо-дження квадратного кореня. Тому актуальним завданням е Спрощення процедури знаходження дифузно! складових! кольору без суттево! Втрата pеалiстічностi кiнцевого зображення.

    2. аналiз лiтератури

    Дифузно вiдбіття характерно для матових i Шорстко поверхонь iз хаотично неpiвностямі, pозмipі якіх спiвставнi з довжина xвілi або пере-віщують !! [1, 2]. Дифузно ввдбіття визначавши віді-мють навколішнix тiл, оскшькі Кожна точка освіле-но! повеpxнi віпpомiнюе ввдбіп пpоменi в yсi сторо-ні. При наявносп в сценi точкового джерела звила [3] iнтенсівнiсть дифузного ввдбіття пpопоpцiйна косинусу кута ьіж нормаллю до noBepxHi й направление-

    кому на джерело звила L [4]. У цьом вііадку для обчислення iнтенсівностi дифузного вiдбіття засто-совують закон косінуав Ламберта [3, 4]

    Ii = • kd • cos ^,

    де I0 - iнтенсівнiсть джерела свiтла, kd е [0,1] - ко-eфiцieнт дифузного вадбіття, ср - кут \ ПЖ вектором L i нормаллю N до noeepxHi (рис. 1).

    Мал. 1. Вектори нормалей до точки поверхш

    У комп'ютернш графщ найчастше викорис-товуються модель визначення спекулярно! складових! кольору Б. Фонга [3, 5], что травні вигляд

    Is = I | ш (<р, Л) | cos "

    де ш (<р, Л) - крива ввдбіття, что визначавши ввдношен-ня дзеркальний вiдбітого свiтла до падаючого як фун-кцiю кута падшня в i довжина хвілi Л, n - коефiцiент спекулярносп поверхнi.

    Функцiя ш (<р, Л) доладна, тому !! у бiльшостi віпадшв замiняють константою ks, якові визначаються експериментально або вібірають з естетичних Mip-кування. У ДФВЗ Фонга [2, 6] cos ц / = V | R. де

    R = 2 • (Z • N) | N - L. Вектор R назівають вектором дзеркального вiдбіття [3]. У дістрібутівнш функцiю! Блша [3], яка юторічно з'явилася шзшше ДФВЗ Фонга, 3aMicTb cos if / Використовують cos у = N | Н. де

    # = (Х + Г) /? + Г .

    У бiльшостi випадкiв при зафарбовуваннi за Фонгом Використовують моделi освiтлення Блiна та Фонга [2, 6]. Це пояснюеться тим, что вказанi ДФВЗ е похiднімі вщ косинуса кута мiж векторами, яш легко найти через! Х скалярний добуток. Коли джерело звила та спостертач розташованi на достат-ньо велікш вадсташ вад об'єктах (найпошірешшій

    випадок у комп'ютернш графцр), вектор Н для мо-делi Блша розраховуеться один раз для кожного три-кутника. У зв'язку з ЦІМ у б№шосп випадкiв для зафарбовування поверхонь за методом Фонга вико-рістовуеться модель освплення Блiна.

    Визначення дифузно! та спекулярно! складо-вих кольору е складаний Обчислювальна задачею [7, 8], что передбаае розробка Нових методiв i засобiв

    3. Мета та задачi дослiдження

    Мета статтей - розробка методу шдвіщення продуктівностi визначення iнтенсівностi спекулярно! та дифузно! складових свiтла за рахунок викорис-тання рiзних апроксімацшніх полiномiв залежних вiд кривизни поверхонь рiзних дiлянок лица людини.

    Для Досягнення мети були поставленi таш за-

    дачi:

    1. Розробити апроксімацшній полiном третій! степенi.

    2. Розробити апаратш засоби для визначення штенсівностей складових кольору.

    3. Відiліті на дмнщ лица характернi зо-ні та надаті рекомендацii относительно использование для них полiномiв рiзних степешв

    4. Розробка адаптивного методу визначення діфузноТ та спекулярноТ складових кольору для рендерингу зображення облич при плануванш пла-стичного операцш

    У [8] для знаходження дифузно! складових! кольору пропонуеться рядок растерізацп Розбита на рiвнi iнтервалі, за віключенням последнего, на кожному з якіх вікорістаті лiнiйне штерполювання. Запропонованій метод травні скроню ефектівшсть тшь-ки для поверхонь з малою кривизною. У шшому ві-падку для забезпечення прийнятною! точносп необ-хiдно розбіваті рядок растеризації на велику кшь-кiсть iнтервалiв, что суттево зменшуе ефектівнiсть розрахуншв. Крiм того, можлівi з'явилися артефаклв на межах iнтервалiв, оскiльки НЕ враховуеться діферен-цiйованiсть для криво! штенсівносп кольору.

    Використання квадратично! штерполяці [9] для знаходження iнтенсівостей складових кольору дае можлівють збiльшити розмiру iнтервалiв, но использование параболи в якостi криво! iнтенсівностi кольору может спотворіті реальною кривою, ^ як насл док, прізвесті до низько! точностi розрахункiв.

    Вікорістаемо для знаходження штенсівносп складових! кольору на поточному iнтервалi рядка растеризації такий полiном третій! степенi,

    = Д |? 3 + В |12 + С '1 + Ц

    де I - параметричного змiнна, Д, В, С, Ц - неввдо-

    mi, ЯК-1 можна знаіті Шляхом визначення штенсівностей кольору в чотірьох точках штервалу, на як роз-бито рядок растерізацii. Знайдемо невiдомi A, B, C, D, ht - iнтенсівнiсть діфузноi чи спе-

    кулярноi 'складових кольору.

    Очевидно, что при t = 0 Iu = Dt. У шнцевш

    точцi iнтервалу t = 1. Тому I = A + B + C + D. У середнiй точщ iнтервалу t = 1/2, тому ABC

    I = A + в + C + D. У точцi t = 1/4

    '• з 8 4 2'

    ,"= A + B + C + D:.

    64 16 4 '

    Таким чином, для знаходження невiдоміх A, B, C, D можна Скласти таку систему рiвнянь

    / І - D,

    /, P = A + B? + C? + D?,

    I ,. - A + B + C + D,,

    8 4 2 '

    I "- A + - + C + D.

    64 16 4 '

    Розв'язок наведено! системи рiвнянь дае таю формули для визначення невщоміх коефiцiентiв:

    л_8 (12 + 8 • 14)

    - 8 (Ii + 2 • / 3)

    B - 2 (7 • / - / 2 +10 • / 3 -16 • / 4)

    A - 12 + 32 ^ 14 -7 • / -4 • / 3 D-I,,

    Вікорістаемо для складання системи рiвнянь

    1 3

    таш точки iнтервалу: t = 0, t = -, t = -, t = 1. Отрімаемо таку систему рiвнянь

    / І - Dt,

    I ,, p - A + B? + C + D?,

    /,. - A ^ + - + C + Df,

    '• c 8 4 2'

    A • 27 B • 9 C • 3

    Iic2 - ai- + + C- + D?.

    '• c 2 64 16 4'

    Розв'язком системи е

    8 • (8 • / 4 + /,)

    A - 8 • (I2 + 2 • / 3) - з

    B - 2 • (3 • I - 5 • I2-14 • I3 +16 • I4)

    D - / ;, C -3- (I2 + 4 • / 3)-

    13 • /; + 32 • / л

    3

    У наведенні формулах е много множнікiв на

    3

    стетнь двшкн, что спрощуе апаратно pеалiзацlю, оск1лькі в цьом випадка мiкpоопеpацiю множення можна замiніті на мжрооперацш монтажного сзуву. кр1м того, много множнік1в можна Задати сумою значень, яш дор1внюють степенi двшкн, например, 10 • I = 8 • I + 2 • I. Це кож дозоляе замiніті мжроо-

    перацш множення на Додавання та зсув. З Огляду на це найдоцiльнiшім е перший випадок.

    Дшення на 3 такоже можна реал! Зувати з вико-ристання Зсув та Додавання. Так, например,

    ___1_

    3 ~ 2 8, 32 128 '

    У цьом випадка ввдносна похібка визначення Частки НЕ перевищуе 0,79%.

    На рис. 2 наведено функцюнальну схему блоку визначення Частки I / 3 .

    На рис. 3 наведено для прикладу апаратно реа-л! Зацш множніка Б, без Виконання опеpацiй множення та дшення Шляхом Додавання операвдв, ЗСУ-нутіх в сторону старших розряд! В.

    Мал. 2 Функціональна схему блоку визначення Частки I / 3

    Мал. 3. Функцюнальна схема блоку дли визначення коефщента Б

    Аналопчною e побудова блокiв для визначення шшіх коефiцieнтiв.

    На рис. 4 наведено функцюнальну схему блоку для визначення штенсівностей кольору з викорис-танням полiному третього степеня. Для цього вико-ристали таку залежшсть.

    /., = A • t3 + в • t2 + et + ц = = t • (t • (Ai • t + в) + e ,.) + d, .

    У RG заноситися значення B, а на вхщ MX 1 подаеться значення A, Пожалуйста в блощ MUL множитися зi значенням t. Тому на віходi Суматор Sm ви-

    значаеться значення (Д. | t + В), Пожалуйста збертаеться в регiстрi ЯО. На цiй гтерацп блок вентілiв ВК пра-

    цюе в режімi передачi операнда.

    Блок ключiв переключають в режим обнулення операнда. Значення (Д. | t + В) множитися на t i запісуеться в репстр ЯО. На віходi Суматор Бт формуеться значення (Д. | t + В) | t.

    На вхiд мультиплексора МХ2 подаються значення С, тому на віходi Суматор Бт формуеться значення ^ | (Д. | t + В) + С), Пожалуйста заноситися в репстр ЯО. Для цього блок ключiв переключають в режим передачi операнда.

    Мал. 4. Функціональна схему блоку для визначення штенсівностей кольору з Використання Полшу третього

    степеня

    У подалі отриманий значення множитися на t. У цьом випадка блок ключiв обнулюе значення Опранді, что зберiгаeться в регiстрi RG. Блок ключiв переключають в режим передачi операнда. У подалі на вхiд мультіплекора MX2 подаються

    значення Ц, Пожалуйста додаеться до операнда t • (t • (A • t + B) + С), Що забезпечуе Отримання на віходi регiстра RG значення / 1.

    На рис. 5 наведено розбіття зображення лица людини на характернi дмнкі.

    Мал. 5. Розбіття лица на характерш дiлянки

    Аналiз показавши, что для дшянок 2, 4, 7 доцшьно использование для визначення дифузно! та спекулярно! складових аіроксімацшного Полшу іншого степеня, а для шшіх третього степеня

    5. Результати дослвдження

    Аналiз трудомюткосп формирование зображення лица людини зпдно з запропонованім методом показавши, что порiвняно з методом Фонга досягаеться тдвіщення продуктівносп до 3 разiв за рахунок Зменшення кiлькостi довготріваліх операцiй дшення та множення та знаходження квадратного кореня. Адаптивні использование полiномiв іншого та третього степешв дозволили досягті нормовано! се-редньоквадратічно! похібкою (NMSE) НЕ бшьше за 0,0001, что означае, что сформованому зображення лица вiзуально з НЕ вiдрiзіяeться ввдносно зображення, сформованому за методом Фонга.

    6. Висновки

    1. предложено вирази для апроксімацiйніх полiномiв для визначення спекулярно! та дифузно! складових кольору, что дозволило шдвіщіті продук-тівшсть формирование збережений лица.

    2. Розроблено апаратш засоби для визначення штенсівностей кольору, что дае можлівють реалiзу-вати швідкодшчій спецiалiзоваіій прістрш.

    3. Відiлено дiлянки лица для адаптивного использование апроксімацшніх полiномiв, что дае можлівють пiдвіщіті реалiстічнiсть формирование графiчніх збережений.

    література

    1. Романюк О. Н., Мельников О. М. адаптивного норм ^ зацш BeKTopiB нормалей при візначеннi діфузноi та спекуля-pHoi складових кольору // Реестращя, збeрiгання i Обробка даних. 2006. Т. 8. № 3. С. 11-19.

    2. Херн Д., Бейкер М. Комп'ютерна графіка і стандарт OpenGL. Москва: Видавничий дім "Вільямс", 2005. 1168 з.

    3. Романюк О. Н., Чорний А. В. Вісокопродуктівш методи та засоби зафарбовування трівімiрніх графiчніх об'екпв: монограф1я. Вшніця: УН1ВЕСУМ-В1нніця, 2006. 190 с.

    4. Цісарж В. В. Математичні методи комп'ютерної графіки. Київ: Факт, 2004. 464 с.

    5. Романюк О. Н. Комп'ютерна графжа: навч. сел. Вшніця: ВДТУ, 2001. 129 с.

    6. Романюк О. Н., Чорний А. В. Новий тдхщ до визначення спeкулярноi складовоi кольору: мат. 1 М1жнар. конф. // Сучасш проблеми радiоeлeктронiкі, телекомушкацш та Приладобудування. Вшніця, 2005. С. 41.

    7. Романюк О. Н. Один iз шляхш Спрощення Обчислювальна процесса при зафарбовуваннi трівімiрніх графiчніх об'екпв // Вімiрювальна та обчислювальна технжа в тeхнологiчніх процесах. 2004. № 2. С. 72-75.

    8. Романюк О. Н. адаптивного использование рiзних мeтодiв зафарбовування при формуванш трівімiрніх графiчніх фігур // Новi тeхнологii. 2005. № 3 (9). С. 78-86.

    9. Романюк О. Н. Використання квадратічноi iнтeрполяцii для зафарбовування трівімiрніх графiчніх об'екпв // Реестращя, збeрiгання i Обробка даних. 2006. Т. 8, № 4. С. 31-37.

    10. Романюк О. Н. Ефективна модель для вщтворення спекулярнл складовоi кольору: зб. наук. пр. // Проблеми ш-Форматизация та управлшня. 2007. № 2 (20). С. 115-120.

    Дата надходження рукопису 19.06.2018

    Павлов Сергш Володимирович, доктор техшчніх наук, професор, Вшніцькій нацiональний тeхнiчній унiвeрсітeт, Хмельницьке шосе, 95, м. Вiнниця, прикрашені, 21021 E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Романюк Сергш Олександрович, асшрант, Вiнніцькій нацiональний тeхнiчній ушверсітет, Хмельницьке шосе, 95, м. Вшніця, прикрашені, 21021 E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Нечипорук Микола Леонщовіч, Вiнніцькій нацюнальній тeхнiчній унiвeрсітeт, Хмельницьке шосе, 95, м. Вшніця, прикрашені, 21021 E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: рендеринга / Дифузно ТА СПЕКУЛЯРНА СКЛАДОВІ кольори / 3Д-ЗОБРАЖЕННЯ / пластичність Хірургія / ЗОБРАЖЕННЯ ОБЛИЧЧЯ / RENDERING / DIFFUSE AND SPECULAR COLOR COMPONENTS3D IMAGE / PLASTIC SURGERY / FACE IMAGE

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити