增强虚拟中纹理细节表达与光照融合研究

摘要

随着虚拟现实技术的广泛应用，人们对虚拟场景的复杂度和真实感要求越来越高，不仅要生成高度真实的复杂虚拟环境，而且用户要和虚拟环境进行互动，增强交互性和沉浸感。 基于几何绘制的计算机图形学方法具有交互性好、模型来源范围广的优点，但是绘制过程中涉及到复杂建模、消隐、投影、裁剪和光照明计算，且具有较低的逼真度，虽然图形硬件的快速发展使得虚拟场景中多边形的数目不断增加，但是几何绘制方法无法实现复杂场景的实时绘制；基于图像的绘制技术实现了在普通计算机上的真实感图形的实时绘制，绘制过程中以像素图像为基础来构成虚拟环境，具有绘制速度快，逼真度高的优点，其缺点是模型的来源范围有一定限制，交互性弱。基于几何与图像混合绘制技术汇集了几何绘制与图像绘制优点，在增强真实感的同时保证了虚拟现实系统的实时性。 本文在总结和深入研究当前国内外虚拟场景绘制技术的基础上，探讨了基于几何与图像混合绘制技术，并重点解决增强虚拟中纹理细节的表达与光照融合问题。论文取得主要研究成果如下： 1.基于“凸凹图”的纹理细节表达。研究了虚拟几何场景中纹理图像的细节表达，引入“凸凹图”的概念，代替高度图用于纹理图像的三维效果绘制，使得彩色纹理图像细节表达更具有真实感效果。 2.基于像素偏移的视差纠正算法。研究了视点变化时，图像细节表达产生的动态视差效果，将纹理坐标按照像素为单位移动，并匹配纹理偏移值与其当纹理坐标的高度值，使其满足给定的条件，最终得到正确的纹理坐标偏移量。此方法纠正了视差映射技术产生的扭曲变形现象，在没有增加算法复杂度的前提下，增强了动态视差下纹理细节表达的真实感。 3.基于几何模型的光照计算技术。研究了增强虚拟中环境光照融合技术。借助FBO技术，将几何模型的光照计算结果存储为缓存图像，用其替代虚拟场景中的图像模型，此时缓存图像与当前虚拟光源下的几何模型具有相同的环境光照，从而在降低场景复杂度的同时保证了几何模型与图像模型在环境光照下的一致。 4.基于色调的漫反射光照计算。研究了增强虚拟中漫反射光照融合技术。将图像的色调值近似为光照的光亮度值，据图形绘制管线原理，将几何模型转变为光栅图像，并以其色调为标准，调整采样图像像素的颜色与亮度值，得到与光栅图像相近的光照效果。此方法能够节省内存使用量，实现了虚拟光照下几何模型与图像模型在漫反射光照下的一致。 5.基于像素的镜面反射光照快速计算方法。研究了基于像素的镜面反射光照的快速方法，在光源不变的情况下，根据视点旋转角度与像素镜面反射光亮度的变化规律，减少了逐像素的光亮度计算量，提高了基于像素镜面反射光亮度的计算效率。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景和意义

1.2虚拟场景绘制方式

1.2.1基于几何的绘制技术

1.2.2基于图像的绘制技术

1.2.3基于几何与图像混合绘制技术

1.3研究内容与论文组织

第2章增强虚拟中纹理细节表达

2.1凸凹纹理映射的原理

2.2凸凹纹理映射的几种方法

2.2.1浮雕凸凹纹理映射

2.2.2点乘凸凹纹理映射

2.2.3位移映射技术

2.2.4视差纹理映射技术

2.3基于“凸凹图”的纹理细节表达

2.3.1高度图的生成

2.3.2“凸凹图”细节表达

2.3.3实验结果

2.3.4小结

2.4基于像素偏移的视差纠正算法

2.4.1视差映射中偏移量计算

2.4.2视差映射中偏移量纠正

2.4.3像素偏移视差纠正算法

2.4.4实验结果分析

2.4.5小结

2.5本章小结

第3章增强虚拟中光照融合研究

3.1图像重光照明技术

3.1.1计算机视觉技术

3.1.2图像密集采样技术

3.1.3基于像素光照明技术

3.2增强虚拟中环境光照融合

3.2.1 FBO技术

3.2.2基于几何模型的光照计算方法

3.2.3实验结果

3.2.4误差分析

3.2.5小结

3.3增强虚拟中漫反射光照融合

3.3.1色调传递技术

3.3.2图形绘制管线

3.3.3基于色调的漫反射光照计算

3.3.4实验结果与分析

3.3.5小结

3.4增强虚拟中镜面反射光照融合

3.4.1基于像素的图像光照明技术

3.4.2图像镜面反射光亮度快速计算方法

3.4.3实验结果与分析

3.4.4小结

3.5本章小结

第4章基于几何与图像的混合虚拟漫游系统

4.1虚拟场景模型的建立

4.1.1模型建造工具

4.1.2场景的建模

4.2虚拟场景的优化调度

4.3漫游引擎的设计实现

4.3.1虚拟几何场景内图像细节信息的验证

4.3.2虚拟几何场景内图像光照

4.4本章小结

结 论

论文的创新研究和总结

研究工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢