基于测量的BRDF真实感材质的渲染方法

摘要

反射分布函数一直都是计算机图形学研究的重点课题，双向反射分布函数表述了光线在物体表面传输的过程，一个通用的双向反射分布函数把光线表示为入射方向和出射方向的一个四维函数。一般情况下，计算机中都是使用解析反射模型提供的双向反射分布函数，这些模型仅仅是真实物体反射的一个近似模拟。随着计算机图形学的发展，这些模型也变得越来越复杂，使用了越来越多的基本物理学。值得一提的是，许多基于物理的模型都是基于理论上能够测量，但是实际上很难测量的物体参数。
　　近些年来，随着动漫影视产业对渲染的要求越来越高，传统的解析反射模型越来越难以满足动漫影视产业的要求，基于测量的真实感材质的研究和使用越来越广泛。
　　比较流行的一种测量及使用方法，是直接测量不同入射光和出射光角度的BRDF，然后用各种优化技术拟合这些测量数据到一个选择的解析模型中。这种方法有一些缺点，首先，用解析函数表示的BRDF仅仅是真实反射的一个近似，它和解析模型的BRDF并不相等。第二，不能保证这个优化过程能产生好的模型。
　　还有一种方法，可以通过采集密集的反射测量，然后把制成表的测量数据当作BRDF直接查表使用。这种方法需要存储场景中所有物体的测量数据，当场景中某个物体的属性发生改变时，都需要重新找到这样的一个真实物体重新获取它的反射率。
　　为了解决以上问题，本文使用了MIT提供的BRDF测量数据库作为原始数据，使用线性分析对BRDF库进行了降维分析，寻找BRDF库的主成分。在对BRDF数据库进行降维的基础上，又用低维向量对BRDF进行了重建，找到了在重建误差较小，主成分维度最少的情况，为后续顺利衍生BRDF打下了良好的基础。在BRDF衍生过程中，使用了具有感知意义的参数，可以使用户指定主特性，然后用支持向量机算法计算出该主特性方向。再结合BRDF模型的重建方法，衍生出新的符合物理学定律的BRDF。本文将原始的BRDF和衍生的BRDF运用在RenderWing渲染引擎当中，渲染出逼真的图像，为基于测量的真实感材质的大范围应用打下了坚实的基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 BRDF测量系统

1．2．2 BRDF测量材质的使用

1．3 本文的研究内容

1．4 本文的组织结构

第二章 预备知识

2．1 真实感渲染的基本原理

2．2 BRDF的基础知识

2．2．1 辐射测量和反射率

2．2．2 解析反射模型

2．2．3 反射率测量

2．3 本章小结

第三章 基于测量的BRDF模型重建和衍生

3．1 BRDF测量数据的表示方法

3．2 BRDF测量数据的降维分析

3．3 基于测量的BRDF模型的重建

3．4 基于测量的BRDF模型的衍生

3．5 结果分析

3．6 本章小结

第四章 基于测量的BRDF模型的渲染

4．1 直接光照渲染

4．2 间接光照渲染

4．2．1 随机采样

4．2．2 均匀采样

4．2．3 重要性采样

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

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攻读学位期间参与的科研项目