真實(shí)場(chǎng)景建模是虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的重要內(nèi)容之一，特別是構(gòu)造室外靜態(tài)場(chǎng)景三維模型，如故宮、巴黎圣母院、自由女神像等，它在文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)、數(shù)字城市、數(shù)字影視與娛樂(lè)等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值．

傳統(tǒng)的三維場(chǎng)景建模方法往往需要使用專門設(shè)備對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如用三維激光掃描儀采集場(chǎng)景的幾何信息，用同一個(gè)已標(biāo)定的相機(jī)采集場(chǎng)景的外觀，用可控的主動(dòng)光源對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行照明等，因而受到場(chǎng)景規(guī)模、幾何結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境與光照條件等的諸多限制，能適用的場(chǎng)景數(shù)量非常有限，而且這種數(shù)據(jù)采集過(guò)程的復(fù)雜性和高成本也決定了其伸縮性較差，難以用于街道乃至城市規(guī)模的室外場(chǎng)景建模．

近幾年，隨著數(shù)碼相機(jī)、照相手機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們將拍攝的大量的室外場(chǎng)景照片上傳到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行分享．

截至２０１１年２月，著名的照片分享站點(diǎn)ｐｉｃａｓａｗｅｂ的照片總數(shù)達(dá)到７０億張，ｆｌｉｃｋｒ．ｃｏｍ達(dá)５０億張，而社交網(wǎng)站Ｆａｃｅｂｏｏｋ的共享照片更高達(dá)６００億張，再加上Ｇｏｏｇｌｅ街景等照片，構(gòu)成了海量的互聯(lián)網(wǎng)共享照片集．

這種照片集有３個(gè)特點(diǎn)：

１）覆蓋面廣．

幾乎涵蓋了世界的各個(gè)角落，特別是對(duì)于各地的名勝古跡，往往有大量從不同視點(diǎn)、在不同時(shí)間（一年四季，一天從早到晚）和不同天氣條件（晴天、多云等）下拍攝的照片；

２）獲取成本很低．

例如人們可以輕松地從Ｇｏｏｇｌｅ上搜索、下載超過(guò)２０萬(wàn)張?zhí)彀查T的照片；

３）具有無(wú)結(jié)構(gòu)性．

即拍攝的視點(diǎn)是無(wú)序分布的，并且拍攝時(shí)的光照條件未經(jīng)過(guò)測(cè)量，拍攝者所使用的相機(jī)、鏡頭各不相同，響應(yīng)曲線和色彩未經(jīng)過(guò)標(biāo)定，場(chǎng)景中還常存在雜亂的遮擋現(xiàn)象等．

這些特點(diǎn)決定如何挖掘和利用這類新數(shù)據(jù)集中豐富的信息，快速、方便地構(gòu)造逼真的虛擬場(chǎng)景模型，這是近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展給虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)帶來(lái)的新的研究熱點(diǎn)．

本文先分析基于互聯(lián)網(wǎng)照片構(gòu)造室外場(chǎng)景模型中存在的基本科學(xué)問(wèn)題，然后分別從室外場(chǎng)景的幾何、光照和反射屬性建模技術(shù)３個(gè)方面，分析和總結(jié)該領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并給出對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的思考．

１基于互聯(lián)網(wǎng)照片集的室外場(chǎng)景建模

互聯(lián)網(wǎng)照片記錄了室外場(chǎng)景的外觀，照片中各像素每個(gè)通道的值反映了由場(chǎng)景各點(diǎn)向觀察者視點(diǎn)方向出射的光照輻射度，這取決于光照條件、場(chǎng)景的幾何結(jié)構(gòu)、其表面材質(zhì)的光學(xué)屬性、相機(jī)的視點(diǎn)、投影變換參數(shù)、曝光參數(shù)和成像系統(tǒng)的響應(yīng)曲線．

這些因素中，前三者與相機(jī)無(wú)關(guān)，它們之間的交互作用決定了場(chǎng)景在某一時(shí)刻形成的光場(chǎng)，若僅考慮由不透明材質(zhì)構(gòu)成的場(chǎng)景，則該交互過(guò)程可用繪制方程表示為Ｌ（ｘ，ωｏ）＝∫ΩＬｉｎ（ｘ，ωｉ）Ｖ（ｘ，ωｉ）ρ（ωｉ，ωｏ）ｈ（ｎ，ωｉ）ｄωｉ（１）該方程是在場(chǎng)景中某一點(diǎn)ｘ處單位正半球面Ω上的積分，其中ωｉ，ωｏ分別表示入射與出射光方向；ｎ是表面法向量；Ｌｉｎ（ｘ，ωｉ）表示入射輻照度；Ｖ（ｘ，ωｉ）表達(dá)環(huán)境光源可見(jiàn)性，其值為０或１；ρ（ωｉ，ωｏ）表示材質(zhì)反射屬性，常用雙向反射分布函數(shù)（ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＢＲＤＦ）描述；投影因子ｈ（ｎ，ωｉ）＝ｎ•ωｉ，常包含在ＢＲＤＦ模型ρ中；Ｌ（ｘ，ωｏ）則是出射輻射度．

與相機(jī)相關(guān)的參數(shù)中，投影與視點(diǎn)三維變換通常用相機(jī)內(nèi)外參數(shù)矩陣Ｐ和Ｍ表示，如（ｕ，ｖ）Ｔ＝Ｐ•Ｍ•（ｘ，ｙ，ｚ）Ｔ＝Ｐ•（Ｒ｜ｔ）•（ｘ，ｙ，ｚ）Ｔ所示，其中Ｒ和ｔ分別是視點(diǎn)的相對(duì)旋轉(zhuǎn)、平移參數(shù)．

曝光參數(shù)與響應(yīng)曲線則分別用Ｉ（ｕ，ｖ）＝ｆ（ｋ•Ｌ（ｕ，ｖ））中線性系數(shù)ｋ與從輻射度Ｌ到像素值Ｉ的非線性映射ｆ來(lái)表示．

因此，從照片構(gòu)造場(chǎng)景模型可看作反射與成像的逆過(guò)程，根據(jù)式（１），由不同照片中的像素值，求出拍攝各照片的視點(diǎn)與投影參數(shù)、場(chǎng)景各點(diǎn)三維坐標(biāo)與表面法向量，以及表面材質(zhì)的ＢＲＤＦ反射屬性模型和環(huán)境光照信息．

研究者們對(duì)基于圖像建模研究已經(jīng)取得豐碩的成果，但與這些傳統(tǒng)方法相比，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)共享照片集進(jìn)行場(chǎng)景建模要解決的難點(diǎn)問(wèn)題包括：

問(wèn)題１．

傳統(tǒng)基于圖像的建模方法中拍照所用的相機(jī)往往曝光參數(shù)已知，響應(yīng)曲線可用實(shí)驗(yàn)測(cè)出，很容易將不同相片中的像素值投影到統(tǒng)一的線性輻照度空間．而拍攝每張互聯(lián)網(wǎng)照片所用的不同相機(jī)曝光參數(shù)和響應(yīng)曲線無(wú)法事后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，因此需要發(fā)掘照片自身特征和場(chǎng)景中的不變特性，對(duì)各照片進(jìn)行輻射度標(biāo)定．

問(wèn)題２．

傳統(tǒng)基于圖像的建模方法所用的場(chǎng)景照片往往是視點(diǎn)固定或已知的，其分布也滿足一定軌跡和順序．而互聯(lián)網(wǎng)照片的拍攝視點(diǎn)都是未知的，分布具有無(wú)序和不均勻性，因此需要發(fā)掘場(chǎng)景自身幾何結(jié)構(gòu)的不變性對(duì)外觀的作用和約束、求出相機(jī)視點(diǎn)，并對(duì)視點(diǎn)進(jìn)行篩選，按一定結(jié)構(gòu)重新組織；然后將基于照片集的建模問(wèn)題劃分為有序的子問(wèn)題，設(shè)計(jì)出高效的幾何重構(gòu)算法．

問(wèn)題３．

室外場(chǎng)景的外觀是一個(gè)甚高維空間，變幻無(wú)窮的環(huán)境光照與陰影、變化的視點(diǎn)位置與鏡頭焦距、多種多樣材質(zhì)的復(fù)雜反射屬性、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)帶來(lái)的自遮擋與隨機(jī)出現(xiàn)的前景遮擋等，各自都具有很高的維度．互聯(lián)網(wǎng)照片集雖然數(shù)量多，所采樣到的場(chǎng)景外觀仍只是一個(gè)相對(duì)很小的子空間，使得求解問(wèn)題高度病態(tài)．