人体皮肤真实感实时渲染探究

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1、人体皮肤真实感实时渲染探究摘要：人体皮肤是一种高度散射的半透明材质，与光线之间的交互过程很难建模和模拟，因此皮肤的真实感实时渲染比较困难。从基于模糊化处理的渲染、基于纹理空间的渲染和基于屏幕空间的渲染等三方面，对皮肤真实感实时渲染进行综述，详细分析了每种方法实现的思路和原理，方法之间的改进和差异，对各种方法的优缺点和适用范围作了总结和比较等，最后给出了将来研究的方向。关键词：人体皮肤；模糊化处理；纹理空间；屏幕空间中图分类号：TP39141文献标识码：A文章编号：2095-2163(2013)06-0033-030引言目前，随着三维游戏、影视动画、虚拟现实等产业的迅

2、猛发展，真实感渲染技术也在不断进步和普及应用中。在影视娱乐行业，角色人物往往很难完成某些特效动作，比如人物从高楼坠下、人物在海面上行走或者某些超难度动作等，但是借助渲染技术可以设计和主人公外观逼真的虚拟人，帮助完成这些场景中的特效动作，如此这般已经制造出品了多部优秀的电影，比如《黑客帝国》、《指环王》、《阿凡达》和《冰河世纪》等好莱坞经典电影。在当今的三维虚拟人物设计中，都在追求电影级别的高真实感，这就带来了庞大的图形图像数据，占用的内存也很多，每一帧的计算量相应都大。这就使得人物和场景的移动和切换均会变得较慢，从而给用户带来延迟感和停顿感。如此就要求虚拟人外观在具

3、有真实感和形象感的同时，渲染的帧速也必须日愈改进，以满足交互性和实时性，这一需求已成为当前虚拟人设计的重点和难点。人体皮肤渲染方法可以分为离线渲染(OfflineRendering)和实时渲染(Real-timeRendering),离线渲染强调渲染的真实感，而实时渲染则强调渲染的实时性，离线渲染常常为实时渲染提供一些研究思路和理论基础。从皮肤渲染的研究内容来看，包括皮肤材质的生理分析、皮肤属性的测量、测量设备的开发、渲染算法的研究和实现等等，由于本文所关注是渲染算法的研究，因此仅从渲染方法的研究进展方面进行综述。本文结构如下：第1部分介绍基于模糊化处理的实时渲染；

4、第2部分阐述基于纹理空间的实时渲染；第3部分论述基于屏幕空间的实时渲染；第4部分对本文进行了总结和展望。1基于模糊化处理的实时渲染2003年，Borshukov和Lewis[l]首次提出使用自定义的内核高斯函数对二维的漫反射光照纹理，进行模糊化处理，在纹理空间中模拟次表面散射，在绘制皮肤时，通过微小的颜色漂移来表现人体皮肤的散射效果。通过观察，可发现皮肤自然的次表面散射效果，会导致粗糙的皮肤变得模糊化，这类似于二维图像的模糊化，因此可以对皮肤的高频纹理信息进行多次高斯模糊化处理，来模拟皮肤的次表面散射现象。高斯函数的参数采用红、绿、蓝三种颜色光在半透明皮肤材质中的传

5、播系数，该项技术成功应用在电影《黑客帝国》及其续集中，采用真实感的虚拟人，充当电影中的人物角色,方便地实现了影视人物特效，同时满足了观众的视觉要求。但其合成的高斯权重参数并未参考任何物理模型，而是依凭艺术家的感觉进行手工调节。Borshukov和Lewis在2005年开设的SIGGRAPH课程中[2],又进一步使用两个简单分布曲线：一个比较平坦起伏的曲线，另一个形如尖峰的曲线，分别刻画表皮层较窄的扩散和真皮层较宽的扩散，如此形象地模拟光线在皮肤内部的散射效果，但是该技术未能有效捕捉皮肤微妙的多层次散射效果。在Borshukov等人方法的基础上，Gosselin[3]

6、于2004年使用Poisson圆盘分布函数,模糊化辐射照度图，借助于两个缓存，对扩散光照图执行多次模糊，最后基于GPU图形硬件，实时取得了一个柔和的、真实感的外观。另外，Gosselin还执行三个GPU加速技术，即背面剔除、视区裁剪和距离裁剪，增强了渲染的实时性。Green［4］则提出使用深度图模拟光线衰减和吸收，采用高斯模糊模拟纹理空间的漫反射。该研究指出对光线吸收的模拟是半透明材质最重要的因素之一，光线在皮肤中传播得越远，吸收和散射得就越厉害，为了模拟这种效果，采用深度图［5］估算光在物体中传播的距离，具体如图1所示，从而估算得到入射光线到出射光线的指数衰减情况

7、。利用深度图，一旦计算得到光在物体中的传播距离，就可以用一个指数项刻画光线的衰减，再结合传统的光照明模型，就可以模拟光线在薄层部分的背光效果，增强皮肤的半透明性。2基于纹理空间的实时渲染NVIDIA的Eugened'Eon等人［6,7］提出了纹理空间扩散方法(TextureSpaceDiffusion,TSD),利用高斯函数卷积线性之和，在纹理空间中模拟次表面散射，比较准确地近似Donner等人的多极子对偶方法［8］,得到了接近物理真实的皮肤绘制效果。对比NVIDIA和Donner的离线绘制结果,皮肤渲染的效果虽然几乎不分上下，但NVIDIA在Gefore880