真实物体表面细节属性建模与映射技术研究

摘要

在计算机图形学中一个重要内容是渲染出具有真实感效果的视图。光照明模型是生成真实感图形的基础。计算并绘制几何模型表面点的颜色，需要指定该点反射属性、法向量、光源位置、视点位置、入射光亮度等参数并代入光照明模型进行计算。这一过程是在场景信息已知的基础上绘制场景图像，称为正向绘制。精致的真实感图形绘制还需考虑物体表面的细节纹理。
　　 随着社会的发展，要求真实再现真实物体三维形态和形象的应用领域越来越广泛，如数字博物馆、文物保护、数字旅游等领域。将现实中特定景物在虚拟场景中描述并绘制，必须进行真实物体表面细节属性的获取、建模。在正向绘制过程中人工指定大量参数绘制出真实物体外观，是一件难度很大的事情。通过现实物体的场景图像、测量数据及其它信息，反求光照、反射属性或场景几何等参数数据，或由采样数据直接驱动绘制的过程称为逆向绘制。逆向绘制是传统绘制的逆过程，跟计算机视觉领域密切相关。由于反求信息较真实地反映了真实场景信息，在传统图形学的正向绘制过程中可利用这些信息绘制出具有高度真实感的图像，实现将真实物体在计算机中真实再现。虽然近年来表面质感建模与绘制的研究已有长足发展，但是复杂表面质感的建模，特别对物体表面复杂几何和反射属性的建模，还面临很大挑战。获取并建模物体材质的细节属性仍是当前没有得到解决的世界研究热点和难点问题。
　　 基于这种背景，本文研究了逆向绘制中获取真实物体细节属性和将获取的细节属性应用于正向绘制的算法。在综述国内外有关物体表面反射模型研究的基础上，对逆向绘制获取真实物体表面反射属性和细节几何的算法进行了归纳总结。在基于物体表面反射的物理知识和计算机图形学基本理论基础上，提出了逆向绘制物体表面细节属性获取、建模的方法，以及应用纹理映射技术进行绘制的算法。本文主要研究细节几何和反射属性的获取、建模与绘制，力求构建一个完整、易用且有效的方法。具体研究内容为：
　　 1.细节几何和反射属性表达方法本内容把真实物体表面细节属性分为细节几何和反射属性两方面来展开研究。把反射属性划分为能量反射属性和波动反射属性两类，分别研究其表达方法。对双向反射方程(Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF)基于入射光线向量(x，y)分量进行n次多项式分解，把多项式系数作为能量反射属性。波动反射属性表现为物体表面对不同波长光的吸收和反射，即物体的颜色属性。为消除几何阴影对表面各点颜色采样的影响，研究了在均匀光环境下获取颜色图表达物体表面波动反射属性的理论和方法，为替代光源进行反射能量计算并与物体指定颜色建立基础。研究物体表面细节几何的表达方法，用“综合法向量”近似描述采样像素覆盖的实际具有许多微小复杂结构而片的朝向。
　　 2.真实物体表面细节几何和反射属性数据的获取方法与存储方法本内容主要研究物体表面一点综合法向量、匀光颜色的获取方法以及二次多项式系数的拟合求解方法，进而制定采样方案，根据镜面反射和漫反射特点设计细节属性采样装置。为方便将细节属性数据使用纹理映射技术参与正向绘制，研究物体表面匀光颜色、多项式系数、综合法向量等细节属性的数字图像存储办法。
　　 3.将细节属性数据应用于正向绘制本内容主要研究匀光颜色图、多项式系数图和综合法向量图的纹理映射方法，特别是解决多项式系数和综合法向量数据映射过程的坐标变换问题；研究应用细节属性数据进行正向绘制的算法，在光照计算过程中达到可控的绘制效果。
　　 自然界物体千差万别，特别是对于具有复杂几何和反射属性的物体，细节属性建模还面临着很大挑战。本研究并不去寻找一个可以解决所有情况的普遍方法，而是针对一类相似问题展开。
　　 本文主要创新工作包括以下几个方面：
　　 1.提出BRDF基本光照明模型基于入射光线向量(x，y)分量的多项式表示，用多项式系数图描述能量反射属性；
　　 本文对基本光照明模型进行参数简化，根据真实物体表面几何客观不变性，固定视点，将BRDF反射模型做泰勒展开并分解为入射光线向量(x，y)分量的二元n次多项式形式。经过实验提出物体表面光反射BRDF可以用入射光线向量(x，y)分量的二元二次多项式近似，绘制结果在视觉误差范围内。采用固定视点变化光源位置采样BTF照片，建立二次多项式方程组并用最小二乘法求解多项式系数，并把系数存储为数字图像格式称为多项式系数图，描述能量反射属性。
　　 2.提出用匀光颜色图描述物体表面波动反射属性，即物体颜色属性；
　　 本文提出匀光颜色图的概念描述物体表面波动反射属性。匀光颜色图从均匀丽光源环境下获得，记录物体表面各点反射光波的特性(颜色)，即反射各不同波长光之间的比例关系(采样点RGB能量比例)客观不变。同时，不同点之间在相同光照环境下呈现的不同亮度记录物体表面对光能反射能力的相对差异。匀光颜色图在正向绘制过程中可替代光源进行反射亮度计算并为物体指定颜色。
　　 3.提出综合法向量图描述物体细节几何属性；
　　 基于像素数据实际是对具有许多微小复杂结构的面片的采样，本文提出“综合法向量”的概念描述表面细节几何属性；提出优化光度立体测量法和基于漫反射BRDF二次多项式极值法两种估计综合法向量的算法。对每个像素计算一个单位综合法向量值，将综合法向量每个分量的值从[0，1]空间映射到图像空间[0，255]，存储为数字图像格式称为综合法向量图。
　　 4.提出基于匀光颜色图、多项式系数图和综合法向量图的光照绘制组合算法、细节属性图纹理映射算法、自定义坐标系统转换光源向量到纹理空间算法。
　　 匀光颜色图、多项式系数图和综合法向量图均为数字图像，可方便采用纹理映射技术。各图之间像素数据相互对应，可一次完成映射同时绘制计算。由于多项式系数和综合法向量的数据与采样坐标系有关，本文提出一个中间坐标系统转换光源向量到纹理空间，使得每个像素的光亮度在纹理空间计算而不是在模型空间。在纹理空间采用基于像素的绘制技术逐像素计算，减少映射误差，提高速度。最后提出几种运用细节属性图进行调合绘制的算法，可自由调整绘制效果。
　　 总之，本文基于光学物理模型、计算机视觉和计算机图形学的理论方法，提出了适合于已知光源条件下物体表面细节属性获取、建模和映射绘制的理论方法及技术框架，为真实物体表面细节建模和绘制提供了新的方法和技术。研究结果在3D电影、游戏、虚拟现实等三维数字化技术领域具有较好的理论意义和实用价值。

目录

文摘

英文文摘

TABLE OF CONTENTS

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1.研究背景

1.1.2.研究意义

1.2 主要研究内容和创新点

1.2.1.主要研究内容

1.2.2.主要创新工作

1.3 本文组织结构

1.4 本章小结

第二章 相关研究综述

2.1 表面反射模型

2.1.1.双向表面散射反射函数BSSRDF

2.1.2.双向反射分布函数BRDF

2.1.3.BRDF的相关研究

2.2 反射属性获取相关研究

2.2.1.基于图像数据的方法

2.2.2.基于BRDF模型参数的方法

2.3 细节几何提取相关研究

2.4 本章小结

第三章 物体表面反射属性获取与建模

3.1 正向绘制与逆向绘制

3.1.1 正向绘制

3.1.2 逆向绘制

3.1.3 绘制方程

3.2 光的特性

3.2.1 光的能量特性

3.2.2 光的电磁波特性

3.2.3 光的心理学特性

3.3 表面光照效果

3.3.1 材质

3.3.2 反射属性

3.3.3 表而细节几何

3.3.4 各向同性和各向异性

3.4 光照明模型一般形式分析

3.4.1 光照明模型一般形式分析

3.4.2 光照明模型泰勒分解

3.5 物体表面反射属性获取与建模

3.5.1 反射属性获取

3.5.2 观察与分析

3.5.3 颜色属性获取与描述

3.5.4 BRDF多项式系数获取与描述

3.6 应用匀光颜色图和多项式系数图绘制

3.6.1 多项式系数图获取实验

3.6.2 应用匀光颜色图和多项式系数图绘制

3.7 本章小结

第四章 物体表面综合法向量获取与建模

4.1 细节几何获取

4.2 综合法向量获取与描述

4.3 应用综合法向量图和匀光颜色陶绘制

4.3.1 综合法向量图和匀光颜色图获取实验

4.3.2 应用综合法向量图和匀光颜色图绘制

4.4 本章小结

第五章 物体表面细节属性映射与绘制

5.1 表面细节属性映射过程

5.1.1 匀光颜色图映射

5.1.2 多项式系数图映射

5.1.3 综合法向量图映射

5.2 表而细节映射绘制

5.3 本章小节

第六章 总结与展望

6.1 本文结论与工作总结

6.1.1 结论

6.1.2 工作总结

6.2 未来研究展望

6.3 本章小结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

在读期间承担科研项目情况

在读期间科研成果获奖情况

学位论文评阅及答辩情况表

英文论文