基于材質(zhì)測量的光照建模研究.pdf

1、近些年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，動(dòng)漫、影視、廣告宣傳等領(lǐng)域越來越重視渲染結(jié)果的逼真程度，如何獲得極盡真實(shí)的渲染效果已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形學(xué)的主要研究目標(biāo)。材質(zhì)的表面光照屬性建模是為了精確展示物體在不同光照條件下的外觀視覺效果，由于材質(zhì)的多樣性與光照反射成因的復(fù)雜性，因此材質(zhì)表面光照屬性建模一直是學(xué)術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域研究與關(guān)注的熱點(diǎn)問題。
　　目前，在材質(zhì)的表面光照屬性研究領(lǐng)域里已經(jīng)存在了一系列的數(shù)學(xué)解析反射模型和基于材質(zhì)測量的方法。

2、其中，傳統(tǒng)的解析模型對數(shù)據(jù)的處理相對簡單，繪制得到的效果并不是特別真實(shí)，很難滿足動(dòng)漫、影視產(chǎn)業(yè)高度真實(shí)的渲染要求。采用基于材質(zhì)測量的方法繪制的效果雖然較好，但是由于此類方法的采集設(shè)備造價(jià)較高，采集過程耗時(shí)、復(fù)雜，采集到的材質(zhì)數(shù)據(jù)龐大，直接使用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制又不能滿足實(shí)時(shí)繪制的要求，致使基于材質(zhì)測量的方法難以得到應(yīng)用和推廣。
　　因此，利用真實(shí)材質(zhì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行材質(zhì)表面光照建模的研究和應(yīng)用越來越多。其中，基于雙向反射分布函數(shù)（Bid

3、irectional Directional Reflection Function，BRDF）的真實(shí)測量數(shù)據(jù)的光照建模方法比較常見，已經(jīng)存在一些真實(shí)材質(zhì)的BRDF測量數(shù)據(jù)庫及相應(yīng)的BRDF解析模型擬合方法。盡管BRDF解析模型可以較好地模擬出表面比較平滑的不透明材質(zhì)的光照反射屬性，但是對于表面比較粗糙、凹凸不平的材質(zhì)的擬合效果并不理想，對于此類材質(zhì)，通常使用雙向紋理反射函數(shù)（Bidirectional Texture Function

4、，BTF）來表示。然而，BTF函數(shù)需要采集材質(zhì)在不同光照、不同視點(diǎn)下的紋理圖像，最終得到的測量數(shù)據(jù)非常龐大，難以直接用于渲染，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，其中一種壓縮方法就是使用BRDF解析模型對BTF測量數(shù)據(jù)進(jìn)行光照建模。雖然這種方法可以獲得很高的壓縮率，但是BTF材質(zhì)往往是不同材料組成，一般有許多肉眼可見的微小幾何中觀結(jié)構(gòu)，直接使用BRDF模型進(jìn)行擬合結(jié)果并不是特別理想。
　　基于這種背景，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于真實(shí)材質(zhì)測量數(shù)據(jù)的材質(zhì)光照屬

5、性建模方法，使用BRDF材質(zhì)測量數(shù)據(jù)以及BTF材質(zhì)測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行材質(zhì)的光照屬性重建工作，獲取不同類型材質(zhì)的光照屬性。本文的工作主要分為兩個(gè)部分:
　　一是基于BRDF材質(zhì)測量數(shù)據(jù)的光照屬性建模。本文利用MERL BRDF數(shù)據(jù)庫提供的材質(zhì)數(shù)據(jù)，采用不同的BRDF解析模型以及不同的差錯(cuò)度量標(biāo)準(zhǔn)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析不同BRDF解析模型、差錯(cuò)度量標(biāo)準(zhǔn)的擬合效果，同時(shí)為基于BTF材質(zhì)測量數(shù)據(jù)的光照建模選定了BRDF擬合模型和差錯(cuò)度量標(biāo)

6、準(zhǔn)。
　　二是基于BTF材質(zhì)測量數(shù)據(jù)的光照屬性建模。本文利用波恩大學(xué)提供的UBO2003 BTF數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了一種基于BTF測量數(shù)據(jù)陰影預(yù)處理的BRDF擬合方法。該方法將BTF數(shù)據(jù)分解為幾何信息和光照信息兩部分，首先，利用BTF材質(zhì)測量數(shù)據(jù)，分離出該材質(zhì)的幾何信息;接著，利用幾何信息計(jì)算所有測量圖像的陰影圖，并利用陰影圖去除掉測量圖像中因自陰影、自遮擋等產(chǎn)生的無效像素值;然后，使用選定的BRDF擬合模型，分別為每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行光照建