非预处理的牙齿实时渲染方法.doc

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1、非预处理的牙齿实时渲染方法摘要：最近，我们发现了一种不需要预先进行艺术方面计算的牙齿实时渲染技术。众所周知，牙齿是由多层透明材质组成的，包括一层处于半透明材质（牙釉质）之下的高度散射材质（牙本质），以及包裹在牙釉质表面的一种透明材质的覆盖层（唾液）。在本次研究中，我们的工作是检验光照如何与这个多层结构发生相互作用。在过去，渲染牙齿所用的方法大都是基于图片的纹理映射方式或者是容积扫描的方式。我们此次使用了表面扫描的方法，并据此开发了一种用于判断层厚度的简单的方法。这种方法使用了一种光学文献中提到的关于散射特性的测量报道。并且我们将渲染结果与真

2、实的陶瓷镶牙图片做了质量对比。1，介绍：通过现有的扫描及渲染技术，我们是很容易创建一个真实演员的高仿真数字化模型的。这些高仿真的数字化模型可以在电影中与真实的人物自然的融合在一起。而这类数字采集工作所面临的最主要的问题就是需要在艺术预处理方面投入大量精力。在列举工作中，仅为了改善渲染参数并进行混合工作就需要耗费一个美工三个月的时间去做预处理工作。一旦获得了这些参数，我们就能够在一个电影产品中渲染出较高质量的高仿数字演员。或者作为替代，渲染出质量稍次（但仍然很高）但是能够实时渲染的高仿数字演员。然而，当我们加上了“实时”的渲染要求时，眼部和嘴

3、部就会显得不是那么真实。这是因为在所有脸部器官中，眼部和嘴部是最容易引起注意的。因此，牙齿的实时真实感渲染已经被确定为我们未来工作的一个重点。在本文中，我们提出了一种既不需要艺术方面预处理，也不需要采用图片纹理，甚至不需要了解牙齿的精确的内部结构的牙齿真实感实时渲染技术。我们之所以将我们的渲染技术限制的如此苛刻是因为我们准备将这项渲染技术应用于牙齿工业。现在，一种新型的扫描仪器已经被开发出来用于进行快速的临床牙齿印模扫描。这种扫描仪能够捕捉牙齿表面的几何图形且不需要使用复杂且耗时的石膏浇筑过程。如果牙齿的扫描渲染成为现实，牙医可以在对顾客的

4、口腔进行扫描后不久就与他们讨论关于如何选择牙冠及牙桥。而我们上面提到的要求苛刻的渲染技术正是这种新型扫描仪器所需要的。我们提出的牙齿渲染的数学模型与现有的表面散射模型有很大的关联。我们还特别使用了Hanrahan和Krueger提出的单层散射模型用以解决牙齿的多层材质问题。而为了能够估计出牙齿的多层散射成分，我们还将上述模型结合了Hableetal的实时皮肤渲染技术。最终我们将介绍如何既很好的捕捉牙齿材质的视觉效果，又能够同时维护一个帧率大致20fps的动画。通过使用这种特殊的设计模式，我们可以将这个模型变得更具一般性，即不仅仅是牙齿的渲染

5、，该模型还能够用于渲染任何被半透明图层覆盖的透明物体(例如说陶瓷)。1.1相关工作：目前，牙齿的实时渲染工作仅有很少的相关论文发表。其中与我们论文所讨论的模型很相似的一个模型是由Shetty，Bailey和Shetty提出的分层模型。然而他们所提出的模型仍然是需要进行前期美工处理来确定牙本质在牙齿中所占的比例的。这也就意味着他们的模型仅仅适合于建立牙齿模型库而不是应用于我们之前所想的那种应用。使用CT扫描仪，我们就能够获得一组牙齿的体积数据。而用于实现这种扫描渲染的最典型的技术就是可视化技术。需要提到的是进行这种扫描的目的仅是为了显示牙齿所

6、有的不同分层，而不是获得牙齿表面纹理的拷贝。当然，我们承认仅将通过CT扫描仪将牙齿表面的纹理提取出来并直接用这些纹理去进行渲染是可行的。Kim,Park,和Rhienmoraetal正是依据这种方法开发了一个用于培训牙医的系统。他们所开发的系统能够实现牙齿的实时观测。然而系统的作者所关心的重点是触觉渲染部分而不是视觉上的真实感渲染，而且很明显他们是使用了OpenGL的固定管线进行的渲染。为了提高视觉质量以及渲染速率Yau和Hsu为他们的牙医训练系统使用了面元模型以及面元渲染技术，然而他们的技术并不包括任何半透明效果的处理。至此，我们尚未发现

7、有前辈们在牙齿的渲染工作中使用CT扫描仪获取牙齿的表面层次结构来提高牙齿渲染的外形质量。虽然我们更关心牙齿的表面扫描，我们所提出的渲染技术依然适用于从CT扫描仪中提取牙齿表面。而一个更为清晰的牙本质及牙釉质的位置信息将使我们获得更高等级的真实感渲染效果。Wangetal已经开发了一种基于牙齿的表面扫描的牙医训练系统，并且他们面临了和我们一样的问题，也就是说他们也必须估计牙齿内部的几何形状。而据我们所知，他们是通过手工的方式完成的这项工作。他们获得了牙齿的组织结构，但是并没有将这些信息用于获取图像渲染时的半透明效果，而是去获取这些信息的触觉渲

8、染影响然后根据牙医钻出的牙齿中不同的组织结构来设置牙齿的颜色。而且同样的，他们的阴影效果似乎也是使用OpenGL的固定管线渲染的。另一种近似渲染牙齿的方法是以图片为基础的纹理贴图