基于图像的表面细节技术.doc

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1、基于图像的表面细节技术王章野、陆艳青、彭群生浙江大学CAD&CG国家重点实验室杭州310027—.导言在过去的十年中，计算机图形学及其相关领域的研究者们在合成图像和视频方面发展了许多成熟的技术。这些技术的主要目标之一是照片级的真实感。照片级真实感的绘制可由基于物理的光线传输模拟来实现，这仍是图形学研究的一个重要方向，因为正是光线显示了物体的的形状和材料属性。然而，光线传输模拟需要几何、反射率和光照作为输入数据，这些数据至少和光照模拟本身一样对一幅合成图像的最终视觉质量有着许多的贡献。如果没有真实感的几何和光照度模型，一幅合成图像

2、就会看起来不真实。几何上有三种基本的度量层次，即：宏观结构层次、亚宏观结构层次和微观结构层次。几何模型通常是指宏观结构层次，且经常被指定为多边形和（或）曲面的集合。几何模型可从建模软件、三维激光扫描仪和照片中获得。亚宏观结构层次包括相当小但仍能看提见的几何细节。比如：混凝土马路上的凹凸部分。微结构层次包括肉眼看不到的表面微面元。后二种几何层次对表面的光度学性质起作用，这种性质告诉我们表面是如何反射光线的及其形状的视觉质量。光度学性质包括双向反射分布函数（BRDFs）、纹理映射、凹凸映射等。凹凸映射用于亚宏观结构层次的建模。一种双

3、向反射分布函数（BRDF）部分依赖于材料固有的光学性质如：菲涅尔系数；其余部分依赖于微面元的分布。几何和光度学性质在不同的情形下是可以相互转化的。例如：如果近至连草的枝叶都可分辨地观察，则草地须用宏观结构层次建模；但如果离一定距离观察，则草地可用微观结构层次建模。本文主要综述了细节表面光照分布模型，包括BRDFs、纹理映射、凹凸及法向映射、阴影和遮挡效果的三维纹理，包括从一段距离观看的凹凸形状、植被和积雪层。这些模型可产生惊人的视觉效果。比如：一条蛇如果没有适当的纹理、其皮肤颜色变化和尺度的凹凸映射，那么它看起来就不真实。同样一

4、块地形如果没有草地、树木和岩石，看起来也不真实。这些表面细节要么从表面材料的固有光学性质得来，要么从几何的亚宏观结构和微观结构得来。它们可能有位置和（或）方向的变化。例如：一个BRDF建立了反射的方向分布模型；一种凹凸映射建立了表面法向朝向的位置变化；三维纹理同时指定了位置和方向的变化。在许多情况下，一幅合成图像看起来不够真实是由于缺少高质量的表面细节。通常需要花费相当多的人工操作来细调表面细节，使它们看起来真实些。近年来，基于图像的建模和恢复表面细节技术同基于图像的绘制技术同时得到迅猛发展"照片级真实感表面细节的获取更加容易，

5、因为这些技术能从真实世界中获取或恢复数据。例如：我们可以为材料采样获取三维纹理；为人的皮肤和人造物体比如雕塑及建筑场景恢复纹理、法向映射和BRDF（双向反射分布函数）；为实际地形数据产生表面细节等。绝大多情况下，这些表面细节可同几何模型一起融入传统的绘制技术来产生比以往真实得多的合成图像。这样，传统的图形学绘制技术的操作能力仍然保留着。比如：我们可以改变场景的光照条件来产生相应的新的图像。本文综述了为材料采样和真实场景的各种基于图像的技术。当人们设计一个虚拟场景并绘制它时，材料采样的经验数据对于安排细节表面的光度学性质是极其有用

6、的。然而，当我们要绘制的物体或场景在现实中实际存在时，直接恢复其光度学性质将比试图辨别出它是由哪种材料组成的要有意义得多。本文展现的这些技术可用于虚拟现实研究，也可用于创造真实感虚拟场景或数字化真实场景的电影和游戏产业。",各种具体技术的描述:2.1基于图像的BRDF测量技术:要精确可靠而且容易地绘制图像，必须对物体表面的反射进行精确地模拟。最直接的方法是利用物理上的反射测量来确保正确的模拟。要完全获取不透明表面的反射分布，必须测量双向反射分布函数（BRDF）o传统上BRDF的测量是通过特制的叫反射率测量计的仪器来完成的。但这种

7、仪器稀少且昂贵。BRDF函数（用f表示）完整地描述了不透明表面在一个点上的反射光分布。其值是测量一给定方向上、特定波长2、单位立体角为do）..的反射光强d厶与入射光强d/的比值，即：式中0、0和0,分别为入射光和反射光的方位角，见图1:图1测量双向反射分布函数（BRDF）方位角示意图若考虑的是各向同性物质，则BRDF只反射角与入射角之差=-0有关，即为下式（变为四变量）:通常连续的波长分布可由三基色R、G、B的测量来代替，这样BRDF就变为三变量。Detector*DetectorCameraSourceSampleSamp

8、leSourceSampSource（a）（b）（c）图2:三种BRDF的测量装置图2a是测量各向同性物体的直接装置：需要有三维自由度的机械臂。但重复测量不同方位的方向非常费时，因为只有测量采样点、光源和探测器的位置是相关的。可采用如图2b所示的装置。在这种装置