三维点画快速算法及其艺术风格渲染的实现

摘要

三维模型的点画渲染属于非真实感图像渲染(NPR)领域，在科学数据视觉化、艺术风格渲染等方面有很多用途。 大部分现有的三维模型表面点分布算法致力于提高点对象的分布的均匀性，而且取得了很好的效果。但由于需要严格计算点与点之间的松弛过程(Relaxation)，计算量庞大，以现有普通个人计算机的速度，很难达到实施渲染水平。 本文提出的三维点画算法属于需用户干预的、基于笔触的、实时的贪婪算法。本算法吸取了FastStippling算法和随机点画快速算法对二维空间区域分割的思想，考虑到现有三维点画算法在点松弛步骤的计算量十分庞大的问题，仿照在初始分布点时限定区域的方法，以三角形限定点对象生成区域的方式控制点的近似均匀分布，而无需处理点松弛问题，从而达到实时渲染的速度。相对于点松弛算法生成的点画在微观层面上可以保证每个点所占据的区域严格相等的特征，本算法在一定宏观层面上保证单位面积被相同数量的点填充，本文所运用的分布均匀性是从这个角度讨论的。 针对点对象分布算法，本文还给出了三种点对象的纹理映射机制以实现彩色点画渲染，它们实现的渲染效果锐化程度递减、柔化程度递增，开发人员可以根据需要自行选择。 另外，本文对点对象的定义做了一定扩充，为其添加了三维属性，即法线属性、模型属性、动画属性。这样可以实现更多的三维点画渲染风格。

目录

文摘

英文文摘

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引 言

1非真实感渲染

1.1计算机图形学

1.2真实感渲染

1.2.1真实感渲染方法策略

1.2.2实时真实感渲染方法策略

1.3非真实感渲染

1.3.1非真实感渲染的分类

1.3.2非真实感渲染的应用领域

1.4图形渲染与图像渲染

2点画渲染

2.1点画

2.2计算机实现点画渲染进展

2.2.1基于笔触的渲染(Stroke-Based Rendering)

2.2.2 Floating points算法

2.2.3 Weighted voronoi stippling算法

2.3快速点画算法进展

2.3.1 Fast Stippling算法

2.3.2随机点画快速算法

2.4三维点画渲染进展

2.4.1在图像空间内实现点画渲染

2.4.2在三维图形空间内实现点画渲染

2.5三维点画的应用领域

2.5.1视觉数据辅助分析

2.5.2艺术、娱乐领域

2.5.3与其它技术结合——纹理合成

2.6本文算法涉及领域

3三维模型表面点对象快速分布算法

3.1算法思想

3.2 mesh模型规格化及其算法

3.2.1三角形的分割数的选取、误差分析

3.2.2分割边的选取

3.3填充密度

3.3.1平均亮度

3.3.2与摄像机法线夹角

3.3.3与单位面积的比值

3.3.4填充密度公式

3.4密度函数

3.5点对象分布策略

3.5.1完全随机填充算法(fully randomly distributing algorithm，简称FRD)

3.5.2子空间分布填充算法(sub-space distributing algorithm，简称SSD)

3.5.3三角形全等分割

3.5.4计算点对象生成区域

3.5.5生成候选位置

3.5.6算法分析

3.6实验结果

3.7特效处理

3.7.1背面消隐处理

3.7.2细节增强处理

3.7.3动态点填充

3.7.4层次细节实现

4点对象的纹理映射

4.1纹理点画渲染算法

4.2点对象纹理映射策略

4.2.1直接纹理映射

4.2.2近似均值纹理映射

4.2.3全等分割近似均值纹理映射

4.3实验结果与分析

4.3.1实验1——三种点对象纹理映射策略比较

4.3.2实验2——与随机快速点画算法比较

4.3.3实验3——点画渲染角色模型

5点对象的多样性

5.1经典点对象模型

5.2三维点对象的多样性

5.3实验结果与分析

5.3.1实验4——带三维模型信息的点对象

5.3.2实验5——带法线信息的点对象

5.3.3实验6——艺术风格笔触渲染

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致射