非均质半透明材质的绘制及编辑算法研究

摘要

半透明材质的绘制和编辑在真实感图形学当中占据着重要的地位，而非均质半透明材质的实时绘制和交互编辑一直是图形领域的前沿课题，其绘制的复杂度主要缘于半透明材质的次表面散射现象。次表面散射的特点是，在物体中光的传播不仅发生在材质表面，还发生在材质内部，而非均质则是说明材质内部各处的散射属性不尽相同，分布不均。如果光在非均质材质内有多次散射，那么要精确模拟光的传播就需要大量的计算，以目前个人计算机的处理能力并不能达到实时绘制。对非均质材质而言，目前也没有精确有效的解析近似模型来直接描述材质表面出射光照和入射光照的关系。绘制上的困难直接导致了编辑难度的增加。除此之外，非均质半透明材质的编辑难度还在于仅给出材质分布的前提下并不能直观地看到编辑的效果，而目前并没有直接针对双向次表面散射反射函数(BSSRDF)的编辑算法。本文的工作针对以多重散射为主的非均质半透明材质，研究了具有不同特性的非均质半透明材质的实时绘制算法和交互编辑算法。
　　 在实时绘制方面，本文提出的算法主要针对两类材质。一类是根据材质散射属性模拟生成的具有表面细微结构的非均质半透明材质，该材质表面有细微的几何结构和丰富的纹理信息，主要通过物理散射属性模拟生成。另一类主要是通过采集而测得的真实样本数据，也可以由已知的内部散射属性模拟生成。
　　 对于第一类材质，由于表面具有几何细节，可产生的视觉效果包括细微几何结构之间的自遮挡，自阴影和互反射等等。而材质内部被认为是符合漫射假设的。本文第一个绘制算法的主要贡献在于率先提出了针对具有表面细微结构的非均质半透明材质的实时绘制算法，并且对绘制数据进行了有效的压缩，减少了资源的占用。算法的主要思想是采用双层物理模型表达该类材质，并有效利用预计算辐射传输策略和图形硬件加速。
　　 对于第二类材质，本文提出了一个动态场景的实时绘制算法。该算法的创新之处在于，绘制效率高，可用于多种数据表达，而且因为不需要预计算，所以运行时物体可以任意变形，或者改变材质属性。由于此特性，该算法也可集成到非均质半透明材质的编辑框架中。该动态绘制算法是基于顶点的，它根据次表面散射的局部衰减特性，在充分利用图形硬件并行性的基础上，通过层次性的组织和有效的优化算法，依照绘制方程实时计算每个顶点的出射光照。
　　 在材质编辑方面，本文首次提出了有利于非均质半透明材质编辑的BSS-RDF表达，并且在表达的基础上提出了完整的编辑框架，包括编辑的元操作，以及以元操作为基础延展开的复杂编辑操作。该算法的主要思想是把非均质半透明材质复杂的表面外观分离成关于局部表面点的散射型式的乘积，从而达到交互级编辑的目标。该表达能够很好地模拟测量的BSSRDF数据，并且依据简单的输入编辑出高度逼真的全新材质。
　　 本文的绘制算法和编辑算法有广泛的应用前景，绘制框架可以用于游戏，仿真等真实感场景绘制中，而编辑算法也可应用于建模和辅助设计等多个领域，帮助用户设计出具有高逼真度的材质。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、主要符号对照表

声明

致谢

1 引言

1.1 非均质半透明材质的表达

1.2 非均质半透明材质的绘制

1.3 半透明非均质材质的编辑

1.4 本文概览

2 基本理论

2.1 辐射测量学

2.2 双向次表面散射反射分布函数

2.3 光在介质中的传播

2.3.1 次表面散射

2.3.2 漫射理论和双极近似

2.4 绘制方程

2.5 表面细微结构

2.6 预计算辐射传输

2.7 图形硬件可编程流水线和CUDA工具

2.7.1 顶点/像素着色器

2.7.2 CUDA

2.8 小结

3 相关工作

3.1 预计算辐射传输

3.2 表面细节的建模及绘制

3.3 非均质半透明材质的建模和绘制

3.3.1 基于光路的模拟

3.3.2 基于简化模型的绘制

3.4 材质编辑

3.4.1 BRDF的编辑

3.4.2 BSSRDF的编辑

3.5 小结

4 具有表面细节的半透明非均质材质的实时绘制

4.1 算法概述

4.2 SRTF的定义

4.2.1 STF表达

4.2.2 SRTF表达

4.3 预计算

4.3.1 fshell和fcore的计算

4.3.2 Lc的计算

4.4 绘制

4.4.1 局部光照下的绘制

4.4.2 全局光照下的绘制

4.5 实验结果

4.6 小结

附图

5 针对测量数据的非均质半透明材质的编辑

5.1 算法概述

5.2 非均质次表面散射

5.3 表达

5.3.1 目标

5.3.2 SubEdit表达

5.3.3 表达测量数据

5.4 直观的编辑操作

5.4.1 直观的参数化

5.4.2 编辑的传递

5.5 编辑原型系统及可视化

5.5.1 编辑原型系统

5.5.2 编辑效果可视化

5.6 实验结果

5.7 小结

附图

6 动态非均质半透明材质的实时绘制

6.1 算法概述

6.2 相关算法比较

6.2.1 实时绘制算法

6.2.2 层次组织结构

6.3 BSSRDF表达

6.4 绘制框架

6.4.1 层次组织

6.4.2 运行时绘制

6.5 实验结果

6.6 小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 未来工作的展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果