人物真实皮肤材质实时渲染研究

论文摘要

如今,在电影行业,借助电脑数字技术营造的各种影视特效,不断地制造出一部部优秀的电影;在电子游戏行业,同样是借助电脑图形渲染技术创作出无数的经典游戏。然而这两种媒介各有缺点,交互电影这个全新概念恰恰能弥补电影单线故事情节与游戏画面不够真实精致的缺点。它既能保证电影的逼真效果,又有游戏的交互性,多故事性和多结局性。而这关键技术之一便是实时交互渲染技术。同时,这项技术又涉及不同对象的渲染,特别是强调物体材质质感的真实性,如金属,砖瓦,水等质感各不相同。以往在实时渲染中实现这些不同对象材质的效果时,仅仅通过贴图纹理来区别,在其视觉效果上少有深入的研究。其中,人物皮肤可谓是最复杂的效果,这种半透明材质一直是预渲染作品方面研究的高级课题,如何表现次表面散射3S（Sub-Surface Scattering）效果研究已经有了不少研究成果。但是由于这类材质光照的复杂性,此类研究成果依然有由于计算复杂、计算量大而渲染速度慢的缺点,从而很难在交互媒介上得到应用。如何近似地将这效果模拟应用于交互电影中的人物上,并且高效地进行实时演算成为极其有意义的工作。有鉴于此,本文通过长期在游戏行业工作经验的积累,借助虚幻3游戏引擎,通过大量的测试方案对比,以及参数的调试,在保证效率的前提下获得比较满意,接近电影品质的人物皮肤材质效果。本文的研究重点及主要成果有:1.确立了逼真皮肤表面几何细节制作有效的流程。Normal Map（法线贴图）的应用是平衡渲染效率和最终质量最为有效的方法,研究如何基于三维软件成功得到了最优化的实时渲染模型,以及通过合理的多边形曲面布线分配获得比较完美的法线贴图。2.掌握了光照模型的一些基本概念,确定了皮肤基础质感的实现方法。并且通过测试研究了科学计算节点表达式、多维常量表达式、贴图样本表达式和贴图坐标表达式的工作原理。3.本文通过复合节点表达式形成的节点网分别对角色脸部Diffuse（漫反射）效果,多层遮罩的Normal（法线）效果以及Specular（高光）效果实践,尝试了不同的参数进行对比,总结并确定了一套效果较正确的设置。并且综合运用到整个材质网络中,得到基础皮肤材质效果。4.对发生次表面散射现象的半透明物体从视觉效果的角度进行了较为详细的讨论。通过多种模拟次表面散射现象的渲染图片的对比,真正了解次表面散射的视觉效果。5.拟定了3套模拟次表面反射的半透明效果实现方案,从最简单的算法到更真实的算法,分别是emissive（自发光）算法,Fresnel（菲涅尔）以及Transmission（传播）。在不同灯光角度下通过大量调试比较透光度,指出了每个算法的优缺点。最终确立了运用Transmission（传播）的算法方式,高效地制作出非常贴近Offline（离线渲染）次表面散射效果的材质。6.运用2种反射技术,分别是单贴图反射和Cube Map（立方体环境反射）,实现真实眼球质感表现。分析了眼球材质与人体其他部位材质的不同,反射的特征是视觉上表现眼球材质效果的重要因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 交互电影研究现状
• 1.2.1 传统CG 电影制作
• 1.2.2 实时交互电影制作
• 1.2.3 实时演算交互引擎
• 1.3 Unreal 相关技术
• 1.3.1 unreal 引擎发展
• 1.3.2 节点和节点网络
• 1.3.3 Unreal Script
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 结构安排
• 2 逼真皮肤表面几何细节表现
• 2.1 Normal Map 法线贴图
• 2.1.1NormalMap 的历史简介
• 2.1.2 原理概述
• 2.2 真实人物皮肤表面细节的实现
• 2.2.1 高精度模型的研究
• 2.2.2 低精度模型的研究
• 2.2.3 Normal Map 烘培生成
• 2.3 本章小结
• 3 基于HLSL 语言的皮肤材质编辑
• 3.1 HLSL（高级着色器语言）
• 3.2 Unreal 中的自定义HLSL
• 3.2.1 Diffuse（漫反射）光照模型
• 3.2.2 Specular（高光）光照模型
• 3.2.3 Normal（法线）光照模型
• 3.3 相关节点表达式
• 3.3.1 科学运算表达式
• 3.3.2 多维常量表达式意义
• 3.3.3 贴图样本表达式
• 3.4 人物皮肤基础质感调试对比
• 3.4.1 皮肤颜色效果调试
• 3.4.2 皮肤细节纹理效果调试
• 3.4.3 皮肤光泽效果调试
• 3.4.4 基础皮肤质感的综合效果
• 3.5 本章小结
• 4.半透明皮肤渲染技术与实现
• 4.1 半透明材质
• 4.2 次表面散射现象
• 4.2.1 光的传播
• 4.2.2 次表面散射视觉效果讨论
• 4.3 Emissive（自发光）实现方案
• 4.3.1 实验思路及方法确定
• 4.3.2 Emissive（自发光）模拟试验
• 4.3.3 Emissive（自发光）方案存在的优缺点分析
• 4.4 Fresnel（菲涅尔）实现方案
• 4.4.1 实验思路及方法确定
• 4.4.2 Fresnel（菲涅尔）模拟试验
• 4.4.3 Fresnel（菲涅尔）方案存在的优缺点分析
• 4.5 Transmission（传递）实现方案
• 4.5.1 实验思路及方法确定
• 4.5.2 Transmission（传递）模拟试验
• 4.6 本章小结
• 5 眼球晶体反射材质研究
• 5.1 反射材质的模拟
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 实现反射效果的方法研究
• 5.2 眼球材质的2 种调试及渲染方法调试比较
• 5.2.1 利用反射贴图模拟及调试
• 5.2.2 利用Cube Map 模拟及调试
• 5.3 角膜质感的渲染研究
• 5.3.1 偏移节点研究
• 5.3.2 角膜真实突起效果调试
• 5.4 本章小结
• 6.总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 工作的不足及未来的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 附件