python opencv实现图像生成bump map凹凸贴图

bump map凹凸贴图和normal map法线贴图是计算机图形学中的重要概念，在图形渲染中应用广泛。其在图形学中具体含义可以参考：

bump map VS normal map
bump/normal/displacement
区别

bump map原理论文为：Simulation of Wrinked Surfaces

其中，B为输入的图像，Bu和Bv分别对应是图像B的u/v方向的梯度图像。即图像边缘检测中的x/y方向边缘图像。
基于python和opencv实现输入图像的bump map计算，笔者复现代码如下，欢迎大家批评指正。

def CalcBumpmap():def ConvMatrix(data, kernel):dst = cv2.filter2D(data, -1, kernel)return dstdef Rescale(data):minV = np.min(data)maxV = np.max(data)data = (data - minV) / (maxV - minV)return datadef Bumpmap(img):H,W = img.shapebumpmap = np.zeros((H,W,3))img = img.astype(np.float)kernelNx = np.array([[0, 0, 0], [0, -1, 1], [0, 0, 0]], dtype=np.float)  # [0, 1, 0], [0,-1,0], [0, 0, 0]kernelNy = np.array([[0, 0, 0], [0, -1, 0], [0, 1, 0]],dtype=np.float)  # [0, 0, 0], [1, -1, 0], [0, 0, 0]  按此计算效果最好Xgradient = ConvMatrix(img, kernelNx)Ygradient = ConvMatrix(img, kernelNy)Xgradient = Rescale(abs(Xgradient))Ygradient = Rescale(abs(Ygradient))bumpnorm = np.sqrt(Xgradient ** 2 + Ygradient ** 2 + 1)bumpmap[:, :, 0] = Xgradient / bumpnormbumpmap[:, :, 1] = Ygradient / bumpnormbumpmap[:, :, 2] = 1 / bumpnormreturn bumpmapimglists = glob.glob('./*.png')lens = len(imglists)plt.figure()plt.subplots_adjust(left=None, bottom=None, right=None, top=None, wspace=0.001, hspace=0.3)for img_id,item in enumerate(imglists):img = cv2.imread(item)b,g,r = cv2.split(img)b_bumpmap = Bumpmap(b)g_bumpmap = Bumpmap(g)r_bumpmap = Bumpmap(r)# bumpmap = b_bumpmap + g_bumpmap + r_bumpmapbumpmap = np.maximum(b_bumpmap,g_bumpmap,r_bumpmap)bumpnorm = np.sqrt(np.sum(bumpmap**2,axis=2))bumpmap[:, :, 0] = bumpmap[:, :, 0] / bumpnormbumpmap[:, :, 1] = bumpmap[:, :, 1] / bumpnormbumpmap[:, :, 2] = bumpmap[:, :, 2] / bumpnormbumpmap = bumpmap / 2 + 0.5  # 下限0.5，保证整体色调plt.subplot(lens,2,2*img_id+1)plt.imshow(img)plt.title(item)plt.subplot(lens,2,2*img_id+2)plt.imshow(bumpmap)plt.title(item+'-bumpmap')plt.show()

bump map转换效果如下：

图形学中bump map和normal map深刻理解还有待于之后3D Max等三维建模渲染的实践，笔者是在基于光度立体的纹理缺陷检测中了解到bump map的概念。
在图像光度学分析中，bump map定义为表面实际法向量与表面理论法向量之差，概念示意图如下：

其中：
表面实际法向量由传统光度立体方法估计得到；
表面理论法向量由被测工件的标准CAD Model数据计算得到。

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