论文部分内容阅读
表面质感建模与绘制是计算机图形学的重要研究课题,也是真实感绘制技术中的核心课题之一.这个研究课题的主要内容是让计算机可以真实地模拟自然界中物体的外观.本文提出了基于数据驱动的表面质感建模思想,在此基础上自行搭建数据采集设备,研究了仝效果的几何细微结构模型、准同质半透明材质模型和时变材质模型三个方面,具体如下:1.提出了新的基于细微结构距离函数(MDF)的细微结构模型,刚于描述细微结构的几何特征,并且这个模型可以方便地在BTF数据采集的过程中一起获取.MDF函数记录了光线沿视点方向从参考平面起第一次和细微结构的几何微面相交的距离.这个方法在两个方面增强了BTF的绘制效果,使其能够处理不均匀的入射光并且有细微尺度的边缘轮廓效果.这个模型可以支持实时绘制并可以处理复杂的非高度场的细微结构不需要涉及到除物体几何网格之外的几何面片信息.MDF表达比原先基于町见性纹理的表达要紧凑,并且首次提出了可以从真实世界的样木中采样的模型.文中列举了多个材质的绘制实例来展示MDF模型的有效性,其中包括用我们自行搭建的BTF-MDF测量设备采集的真实世界的样本.2.提出了新的半透明材质模型,这里我们称之为准同质半透明材质.这个模型是用来表述真实世界中具有均匀分布的异质颗粒的半透明材料.同时这个方法也解决了从真实世界样本中获取模型数据的问题,并且能够将采样得到的半透明效果应用到任意物体上.在研究这个材质模型的过程中,我们利用了准同质半透明材料次表面散射的一个熏要特性.其在局部,由于材质的异构性,次表面散射是各向不同的.而整体上,我们验证了光子在穿越有一定长度且均匀分布的异质材料时,其轨迹在统计意义上和穿越同质材料类似.基于这种观察,我们可以描述和测量准同质材质中全局光线传播,以及光线通过表面的细微结构传入、传出物体的情况.这个模型可以应用在任意形状的几何模型,并且可以很快速的绘制不需要做复杂的次表面光线传输的物理模拟.3.提出了基于"表观流形"的视觉模拟方法,用来描述时变表面质感.这个方法的一个重要的特点是只需要一个时间点上的样本数据就可以模拟时变表面质感的变化过程."表观流形"方法基于这样的观察,即同一时刻的表面质感样木在空间上的变化包含了处于不同时间阶段的表面质感样本.通过对这些不同位置上的表面质感样本的合理组织可以揭示各点上表面质感样木的相对时间关系.然后根据这个关系来推导时变表面质感的空间上和时间上的演化过程,进而合成具有高真实感的表面质感变化序列.文中还列举了其他基于对自然界表面质感的非线性变化的分析所引入的其他应用,包括在三维物体上模拟风化效果、真实世界中物体的风化过程的正/逆向模拟以及风化效果的置换.基于数据驱动的建模思想利用模型解构、本征数据模型等方法多渠道地表达已知的表面质感内在机制,并协同使用多种不同方式的表面质感建模方法分别以最有效的方法处理模型解构后的子模型.这样的方式,结合个各种表面质感建模方法的优势,并成功地应用于几何细微结构建模、半透明材质建模和时变材质的建模.