基于图像的表面光照属性的反求、压缩和绘制

论文摘要

逼真的光照效果是计算机真实感图形生成追求的主要目标,而材质光照属性的精确设定是其中的关键问题。目前从实拍照片中获得物体的材质信息来增强所生成图形真实感已成为新的研究热点。其研究内容可分为逆向绘制、基于图像的重光照和对材料样本的光照采样等三类方法。逆向绘制方法反求物体的材质参数,但难于实现实时的全局重光照绘制,而且对光照条件要求严格。基于图像的重光照需要大量采样图像,而且难于重建表面光照的高频分量。对真实材料样本采样的方法获取样本在大量不同的光照方向和视线方向时的数据,利用相近的光照和视线方向的采样图像数据绘制物体,它又分为双向反射率和双向纹理函数两种方法。由于采样数据量巨大,因而需要高效的压缩方法,同时尽量满足实时绘制的要求。双向纹理函数作为一个局部光照下的采样数据,与辐射度方法相结合是一个有意义的工作,目前还很少看到这类论文。本文研究了复杂环境光下的实时全局重光照绘制、双向纹理函数的有效压缩与绘制以及双向纹理函数在辐射度场景中的应用,有以下的创新:1)结合了逆向绘制和基于图像的重光照方法,利用少量的固定视点不同光照方向的采样图像获得材料的反射属性和各个面片的低价重光照函数。材料反射属性用于计算场景中的直接光照分量,低阶重光照函数计算各个面片上的环境光照和间接光照。仅用少量的采样图像实现了复杂环境光照下的全局重光照效果,而且绘制速度达到了实时,同时保留了场景中清晰的高光和阴影边缘等高频光照效果。2)通过扰动面片的法向和材料高光属性系数重建物体表面的丰富细节,避免了表面细节的繁琐几何造型过程。3)提出了一种有效的BTF压缩方法。将简单BTF样本区域分解成整个区域统一低频光照函数和逐象素变化的高频细节函数两部分,低频光照函数反映整个样本区域的整体光照效果,高频函数生成各个象素的细节。对复杂样本区域则自适应地将象素聚集成几类,并在各个象素类内对视线采样方向进一步自适应地聚类。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 计算机图形绘制中的材料属性
• 1.2.1 BRDF
• 1.2.2 BTF
• 1.3 计算机图形学中的逆向绘制
• 1.3.1 光照反求问题
• 1.3.1.1 求光源强度
• 1.3.1.2 求光源位置或光照方向
• 1.3.2 反射属性反求问题
• 1.3.3 反求光照和反射属性的组合问题
• 1.4 基于图像的重光照（IMAGE-BASED RELIGHTING ）
• 1.5 预计算的光辐射传输函数
• 1.6 BTF的合成、压缩和绘制
• 1.6.1 BTF的合成
• 1.6.2 BTF的压缩
• 1.6.2.1 拟合成 BRDF模型
• 1.6.2.2 线性基函数分解
• 1.6.3 BTF的绘制
• 1.6.3.1 点光源
• 1.6.3.2 远处方向光源
• 1.6.4 BTF的局限性
• 第二章 实时全局重光照算法
• 2.1 引言
• 2.2 GAMA校正
• 2.3 算法描述
• 2.3.1 表面类型判别
• 2.3.1.1 纹理面判断
• 2.3.1.2 高光面判断
• 2.3.1.3 镜面判断
• 2.3.2 材料属性恢复
• 2.3.2.1 漫反射系数恢复
• 2.3.2.2 纹理面光亮度计算
• 2.3.2.3 高光系数恢复
• 2.3.3 表面微观几何细节模拟
• 2.3.4 间接光照和环境光照拟合
• 2.4 实验结果
• 2.5 小结
• 第三章 双向纹理函数的有效压缩与绘制
• 3.1 引言
• 3.2 简单 BTF区域的重建
• 3.2.1 低频函数的获取
• 3.2.2 高频函数的获取
• 3.2.3 重建结果
• 3.3 复杂 BTF样本重建
• 3.3.1 象素聚类
• 3.3.2 视线方向聚类
• 3.3.3 低频和高频函数获取
• 3.3.4 绘制
• 3.4 实验结果
• 3.5 硬件绘制
• 3.6 小结
• 第四章 辐射度场景中BTF绘制
• 4.1 引言
• 4.2 面片整体辐射度计算
• 4.2.1 漫反射属性计算
• 4.2.1.1 平均法
• 4.2.1.2 变化反射属性法
• 4.2.2 镜面辐射度计算
• 4.2.2.1 镜面形状因子计算
• 4.2.2.2 镜面形状因子预计算
• 4.2.2.3 镜面形状因子加权系数
• 4.2.3 辐射度计算结果
• 4.3 BTF表面细节的生成
• 4.3.1 BTF材质的光亮度计算
• 4.3.2 间接光照计算
• 4.4 实验结果
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文
• 后记