可微绘制技术研究进展

可微绘制技术是当前虚拟现实、计算机图形学与计算机视觉领域研究的热点,其目标是改造计算机图形学中以光栅化或光线跟踪算法为主的真实感绘制流程,支持梯度信息回传以计算由输出图像的变化导致的输入几何、材质属性变化,通过与优化及深度学习技术等相结合支持从数据中学习绘制模型和逆向推理,是可微学习技术在计算机图形学绘制技术中的应用的具体体现,在增强/虚拟现实内容生成、三维重建、表观采集建模和逆向光学设计等领域中有广泛的应用前景。本文对可微绘制当前的发展状况进行调研,重点对该技术在真实感绘制、3维重建和表观采集建模中的研究和应用情况进行综述,并对可微绘制技术发展趋势进行展望,以期推动可微技术在学术界和产业界的进一步发展。     

气象景观的真实感模拟技术综述

气象景观的真实感模拟是计算机图形学中研究的热点和难点之一．综述了近年来在气象景观的真实感建模与绘制技术方面取得的最新研究进展;介绍了这些方法的基本原理,并对其进行分析和比较;最后对气象景观建模和绘制技术的未来提出了一些建议．     

虚拟植物叶片的可视化建模技术研究

植物叶片的真实感建模技术一直是虚拟植物仿真技术的研究热点和难点。从植物叶片的形态结构和纹理特征出发,提出一种基于图像的树叶仿真方法。通过对一幅树叶图像进行边缘检测并配合Marching Square算法,实现对树叶复杂轮廓信息的准确提取;利用Delaunay三角剖分的优化算法对叶片进行三角形网格化处理,得到具有均匀三角形网格的叶片模型;最后以叶脉作为变形控制骨架,采用基于Laplace方程的迭代变形算法完成二维叶片向三维变形叶片的重建,以模拟叶片表面的自然弯曲变形效果,增强叶片模型的真实感。相比于以往的树叶建模仿真方法,突出了叶脉在网格划分及树叶形变中所起的作用,所建模型能更逼真地反映真实植物叶片的形态特征,提高了叶片的真实感仿真程度。     

非真实感绘制技术研究进展

作为与真实感图形学相对应的图形学分支,非真实感绘制技术近年来受到人们的关注并已成为计算机图形学的研究热点之一,其研究成果已在计算机动画产业.计算机艺术和科学资料插图绘制等领域得到了广泛的应用.对非真实感绘制的相关技术进行了综述,首先介绍了非真实感绘制的发展过程,然后以不同艺术效果的模拟为线索对非真实感绘制技术进行了分类,并对各类技术的特点、发展状况和主要算法进行了分析和讨论,同时对非真实感绘制中所使用的特殊技术进行了分类讨论.最后对非真实感绘制技术的未来发展进行了展望.     

物体表面质感模型与绘制综述

综合论述了真实感图形学的主要研究内容之一——物体表面质感。阐明了影响物体表面质感的两个因素:物体表面的光学特性和几何细节。根据光线在物体表面的反射、次表面散射、透射等情况,重点综述了表征物体表面质感的一般模型和具体模型分类。详细分析了具体的BRDF模型、SVBRDF模型、BSSRDF模型、TSVBRDF模型和BTF模型,总结了这几种模型各自的特点、适用范围、绘制效果。展示了真实感表面质感绘制在影视制作、游戏产业、虚拟设计、文化遗产保护等领域的应用情况。最后对真实感表面质感绘制的研究进行了总结和展望。     

计算机动画中人体建模与皮肤变形技术的研究现状与展望

人体动画制作技术是计算机动画领域内的研究热点和难点。在制作真实感人体动画时,除了有真实的人体运动和灵活的运动控制方法外,还需要有逼真的人体造型和皮肤变形效果。为了使计算机动画研究领域的研究人员对当前各种人体建模与皮肤变形技术有较全面的了解,对计算机动画中的真实感人体建模与皮肤变形技术进行了较为全面的阐述,将现有的方法分为三大类:基于面模型的方法、基于体模型的方法和基于层次式模型的方法,并分析和比较了这些方法的优缺点。在回顾了现有的人体建模与变形技术的基础上指出,3维扫描技术的发展使人体建模和皮肤变形的研究面临新的契机。如何充分利用基于扫描技术建模的优点,并结合层次式建模与变形方法的灵活性的特点,创作出高度真实感的人体皮肤模型及其变形效果,是未来研究的重要方向。     

非真实感绘制技术研究现状与展望

非真实感绘制技术（non-photorealistic rendering, NPR）主要用于模拟艺术风格、表现艺术特质和传达用户情感等,是计算机图形学的重要组成部分,其研究对象逐渐丰富,研究方法不断创新。本文从基于图像建模的绘制方法、基于深度学习的绘制方法、中国特有艺术作品的数字化模拟、非真实感情感特征识别以及非真实感视频场景绘制等5个方面概述目前研究进展,然后从扩展非真实感研究对象、增强视频绘制帧间连贯性、提取艺术风格情感特征以及评价非真实感绘制结果等4个角度讨论需要进一步研究的问题。针对需要深入研究的问题,指出提高算法的通用性和绘制效率,以及提高深度学习网络的泛化性,有助于扩展研究对象,模拟艺术风格的多样性,同时减小视频场景的帧间跳变;对艺术风格作品具有的情感特征、内在机理特征进行模拟,有助于提高绘制结果与艺术风格图像的相似度;结合主观和客观评价模型,可以更准确地对绘制结果进行评价,同时有利于优化网络模型参数,提高绘制效率。非真实感绘制在计算机视觉、文化遗产保护等领域具有重要的应用前景,但其研究对象、绘制算法、绘制效率仍然存在很多亟待解决的问题,随着硬件设备的不断改进,综合运用学科交叉知识、扩展应用领域将进一步推动非真实感绘制技术的发展。     

海浪建模与绘制技术综述*

海浪建模和绘制技术成为计算机图形学和虚拟现实领域共同关心的自然现象模拟问题.侧重从计算机图形学的研究角度对海浪建模和绘制技术进行了综述,介绍了近二十年来提出的典型海浪建模和绘制方法及其最新研究进展,给出了这些方法的基本原理并加以分析比较,最后对海浪建模和绘制技术的未来研究给出了一些建议.     

融合生理因子的植物叶片表观建模

植物叶片具有复杂的内部结构、生理过程和光学特性,使得在计算机上准确模拟叶片的表观十分困难.为此提出一种基于生理因子的植物叶片表观材质模型.首先考虑单双子叶植物在结构上的差别,利用单N层板和双N层板抽象叶片内部结构;然后基于PROSEPCT模型推导得到叶片材质模型的漫反射和透射项,并采用CookTorrance模型作为高光反射项,形成BRDF+BTDF形式的参数化材质模型;最后采用一种叶色变化算法将模型扩展为时间-空间变化的叶片参数化材质模型.实验结果表明,该模型可以通过控制叶绿素、胡萝卜素和叶片结构参数等生理因子来实时地调整叶片的表观,实现空间变化、时间变化的叶片老化模拟,具有较好的真实感效果和绘制速度,能够满足实时交互的需要.     

基于分形的松柏科树叶建模算法

通过对松柏科中侧柏和油松的叶子观测统计。得出叶片的形态规律，在此基础上结合植物形态学和计算机图形学．采用分形理论将叶片的计算机模拟由传统的二雏点绘制方法。拓展成三雏以面为单位的绘制方法，提高真实感。经过统计和计算机试验蛤出松柏科的侧柏和油松叶的三雏IFS码，井可以从各个角度进行多方位测览。     

图形硬件加速的实时水面绘制

实时生成具有真实感效果的水面是计算机图形学中的研究热点和难点之一。文章介绍了一个利用可编程图形硬件来实现水面实时生成和绘制的系统,绘制过程主要分两个方面:水面的建模和水面光照效果的实现。通过基于空间域的快速傅立叶变换技术来实现水面的建模,通过凹凸纹理贴图和投影纹理技术来实现水面的反射、折射和菲涅耳等水面光照效果。绘制过程主要在图形处理器中实现,从而保证了算法的实时性。在现有的PC机和可编程图形硬件加速卡上能达到每秒30帧以上的绘制速度。     

基于GPU的水面实时渲染算法

提出基于可编程图像硬件实时生成真实水面的渲染方法,通过实现水面建模、水面折射和反射完成整个渲染过程。在正弦波叠加的同时,利用2个凹凸纹理实现水面的动画效果,通过实时纹理映射技术实现水面的反射、折射和菲涅尔等水面光照效果。实验证明该算法能够很好地满足人们对真实感和实时性的要求,适用于虚拟现实中真实水面的生成。     

景深效果绘制技术综述

景深效果能够增强计算机生成图像的真实感,因此关于这类效果的绘制已成为计算机图形学中的重要研究方向。针对景深效果的绘制问题,首先研究和分析各种相机镜头模型的光学成像原理,比较各类镜头模型的特点和模拟景深效果的能力;然后分类总结景深效果绘制的基本原理和典型算法,比较各类景深绘制方法的优缺点。最后指出景深效果绘制技术的应用价值,并展望未来的研究方向。     

视点相关的动态ROAM算法研究

三维真实感地形的生成一直是计算机图形学领域中关注的焦点课题。通过系统研究目前比较常用的地形渲染算法,归纳总结出各主要算法的优缺点,重点选择一种适用性比较广的ROAM算法,详细剖析其算法思想,做了一些改进,并运用于实际的三维地形模型渲染中。     

基于图像的室内虚拟环境的研究

基于图像的建模和绘制技术,提出了一个构造室内虚拟环境的完整方案,用户只需要输入少数照片,即可重建室内场景的全景图像,方案主要包括以下几点：首先由用户交互确定图像中的匹配象素,通过运动分析算法恢复整个场景的几何结构,然后,将原始图像变换至平面的参数坐标系,抽取纹理图像,并在参数空间对纹理图像进行拼接;最后生成场景的全景图像,算法对拍摄条件和设备没有苛刻要求,运算量较小,有较强的稳定性。     

计算机图形并行处理的研究与发展

本文概述了计算机图形并行处理研究的产生与发展,着重阐述了并行处理功能部件的研究和发展及多边形绘制、全局光照模型(光线跟踪与辐射度方法)、物理场数据与体介质数据绘制、动画、并行化图形标准等研究领域在并行处理方面的研究和发展.文中叙述了在这一领域的研究工作,并在最后展望了计算机图形并行处理的进一步发展方向.     

Time‐critical rendering algorithm with incorporation of LoD,visibility culling and object impostor

Given enough CPU time, present graphics technology can render near‐photorealistic images. However, for real‐time graphics applications such as virtual reality systems, developers must make explicit programming decisions, trading off rendering quality for interactive update rates. In this papar we present a new algorithm for rendering complex 3D models at near‐interactive rates that can be used in virtual environments composed of static or dynamic scenes. The algorithm integretes the techniques of level of details (LoD), visibility computation and object impostor. The method is more suitable for very dynamic scenes with high depth complexity. We introduce a new criterion to identify the occluder and the occludee: the object that can be replaced by its LoD model and the one that can be replaced by its impostor. The efficiency of our algorithm is then illustrated by experimental results. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.