基于材质测量的光照建模研究

发布时间：2017-08-04 15:17

  本文关键词：基于材质测量的光照建模研究

  更多相关文章： 真实感渲染 材质测量 光照建模 双向纹理函数

【摘要】：近些年来,随着计算机图形学的发展,动漫、影视、广告宣传等领域越来越重视渲染结果的逼真程度,如何获得极尽真实的渲染效果已经成为计算机真实感图形学的主要研究目标。材质的表面光照属性建模是为了精确展示物体在不同光照条件下的外观视觉效果,由于材质的多样性与光照反射成因的复杂性,因此材质表面光照属性建模一直是学术与应用领域研究与关注的热点问题。目前,在材质的表面光照属性研究领域里已经存在了一系列的数学解析反射模型和基于材质测量的方法。其中,传统的解析模型对数据的处理相对简单,绘制得到的效果并不是特别真实,很难满足动漫、影视产业高度真实的渲染要求。采用基于材质测量的方法绘制的效果虽然较好,但是由于此类方法的采集设备造价较高,采集过程耗时、复杂,采集到的材质数据庞大,直接使用测量数据进行绘制又不能满足实时绘制的要求,致使基于材质测量的方法难以得到应用和推广因此,利用真实材质测量数据进行材质表面光照建模的研究和应用越来越多。其中,基于双向反射分布函数(Bidirectional Directional Reflection Function, BRDF)的真实测量数据的光照建模方法比较常见,已经存在一些真实材质的BRDF测量数据库及相应的BRDF解析模型拟合方法。尽管BRDF解析模型可以较好地模拟出表面比较平滑的不透明材质的光照反射属性,但是对于表面比较粗糙、凹凸不平的材质的拟合效果并不理想,对于此类材质,通常使用双向纹理反射函数(Bidirectional Texture Function, BTF)来表示。然而,BTF函数需要采集材质在不同光照、不同视点下的纹理图像,最终得到的测量数据非常庞大,难以直接用于渲染,必须进行数据压缩,其中一种压缩方法就是使用BRDF解析模型对BTF测量数据进行光照建模。虽然这种方法可以获得很高的压缩率,但是BTF材质往往是不同材料组成,一般有许多肉眼可见的微小几何中观结构,直接使用BRDF模型进行拟合结果并不是特别理想。基于这种背景,本文实现了一种基于真实材质测量数据的材质光照属性建模方法,使用BRDF材质测量数据以及BTF材质测量数据分别进行材质的光照属性重建工作,获取不同类型材质的光照属性。本文的工作主要分为两个部分：一是基于BRDF材质测量数据的光照属性建模。本文利用MERL BRDF数据库提供的材质数据,采用不同的BRDF解析模型以及不同的差错度量标准对测量数据进行拟合,分析不同BRDF解析模型、差错度量标准的拟合效果,同时为基于BTF材质测量数据的光照建模选定了BRDF拟合模型和差错度量标准。二是基于BTF材质测量数据的光照属性建模。本文利用波恩大学提供的UBO2003 BTF数据库,实现了一种基于BTF测量数据阴影预处理的BRDF拟合方法。该方法将BTF数据分解为几何信息和光照信息两部分,首先,利用BTF材质测量数据,分离出该材质的几何信息；接着,利用几何信息计算所有测量图像的阴影图,并利用阴影图去除掉测量图像中因自阴影、自遮挡等产生的无效像素值；然后,使用选定的BRDF拟合模型,分别为每个像素点进行光照建模。此外,针对无法获取精确高度图的情况,本文还提出了一种基于图像处理的阴影去除方法,并采用K-means聚类的方法加速光照建模过程、减少存储空间。最后,本文利用恢复得到的材质几何信息和光照属性信息,在新的光源、新的视点下进行渲染,展示新视点、新光源下的材质视觉效果。与现有的忽略BTF数据中的自遮挡、自阴影及互反射等效果影响而直接进行双向纹理函数光照建模的方法相比,本文提出的方法更加接近真实材质的BTF测量数据,具有更加真实的视觉效果。
【关键词】：真实感渲染 材质测量 光照建模 双向纹理函数
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 研究背景12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 本文的主要贡献14
• 1.4 本文的主要结构14-16
• 第二章 相关背景知识16-30
• 2.1 光照模型16-18
• 2.1.1 光照模型通用形式16-17
• 2.1.2 光照模型简化形式17-18
• 2.2 BRDF测量建模18-27
• 2.2.1 BRDF定义及性质18-19
• 2.2.2 BRDF解析模型19-23
• 2.2.3 BRDF采集23-26
• 2.2.4 BRDF拟合方法26-27
• 2.3 BTF测量建模27-30
• 2.3.1 BTF采集27-28
• 2.3.2 BTF压缩方法及问题28-30
• 第三章 基于BRDF测量数据的BRDF光照模型拟合30-43
• 3.1 BRDF测量数据的表示方法30-32
• 3.2 BRDF解析表达式拟合32-37
• 3.2.1 BRDF拟合函数的选择32-33
• 3.2.2 BRDF拟合算法33-36
• 3.2.3 BRDF差错度量标准36-37
• 3.3 BRDF拟合过程及结果37-43
• 3.3.1 BRDF拟合过程37-38
• 3.3.2 BRDF拟合分析38-40
• 3.3.3 BRDF拟合结果绘制40-43
• 第四章 基于BTF测量数据的BRDF光照模型拟合43-60
• 4.1 BTF测量设备43-47
• 4.1.1 真实感材质测量装置简介43-44
• 4.1.2 高动态范围图像合成44-45
• 4.1.3 正视图校准45-47
• 4.2 BTF拟合算法简介47-48
• 4.2.1 BTF数据的BRDF拟合流程47
• 4.2.2 外观BRDF(Apparent BRDF,ABRDF)数据转换47-48
• 4.3 数据处理及拟合过程48-56
• 4.3.1 BTF图像预处理阶段48-54
• 4.3.2 ABRDF拟合过程54-56
• 4.4 实验结果及分析56-60
• 4.4.1 实验结果56-58
• 4.4.2 结果分析58-60
• 第五章 总结与展望60-62
• 5.1 本文工作总结60-61
• 5.2 未来工作61-62
• 参考文献62-67
• 致谢67-68
• 攻读学位期间发表的学术论文目录68-69
• 攻读学位期间参加的科研项目69-70
• 学位论文评阅及答辩情况表70

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本文编号：620248