辐射度场景中双向纹理函数表面的绘制

双向纹理函数(BTF)表面一般采用点采样数据来定义表面的光照属性,因而这类表面很难运用基于面片分割的辐射度方法进行绘制,提出一种将辐射度算法扩展到包括BTF表面场景的有效方法.对表面的BTF样本区域首先进行像素聚类,再在各个像素类内对视线采样方向做进一步自适应的聚类,在各个视线类内像素分别拟合一个低频光照甬数,并求它们在各个视线类内光照细节的高频光照函数.低频光照函数作为该表面区域的平均反射属性参与辐射度计算,生成场景的整体光照效果;然后利用计算的辐射度值和高频光照函数重建该表面区域的BTF材质细节.文中方法不仅取得了较高的压缩效率,而且在BTF材质表面产生了辉映等全局光照效果.最后利用硬件实现了视点快速改变时的场景绘制.     

基于几何细节建模和双向纹理函数的真实感羽毛

根据羽毛具有近似规则的微观几何结构特点,提出了一种基于高精细几何细节建模和双向纹理函数的真实感羽毛建模和绘制算法。算法首先对羽毛进行基于Bezier或Hermite的参数化羽毛建模,进一步建立羽轴和羽枝的曲线管状体细节几何模型并离散网格化获得羽毛的高细节网格模型;最后利用该羽毛模型在不同光照和视线条件下采样的双向纹理函数（BTF）纹理和羽毛内在纹理合成的方法绘制基于BTF的真实感羽毛。     

纹理物体表面反射参数的恢复

物体表面反射参数的恢复是新兴的逆向绘制技术的核心问题，提出一种恢复物体表面BRDF模型参数的方法，假定物体表面的BRDF模型可以近似分解为漫射纹理和整体不变的镜面反射分量，则每一点的反射参数可以用Phong模型来近似计算，首先选取物体表面的一片区域，利用该区域在不同视点光照条件下采样的几幅图像，计算得到该区域的平均镜面反射分量，作为整个物体表面的镜面反射分量，然后据此从物体表面各点的采样中分离出漫射分量，计算各点的漫反射参数，得到近似的BRDF模型，实验数据表明算法是有效的。     

不透明材质反射属性采集及建模技术综述

在计算机图形学和计算机视觉领域,材质反射属性模型能够展现真实世界中材质复杂、丰富的光学现象,但反射属性数据具有高维度且材质反射现象复杂多变的特性,因此其采集和建模技术一直是研究的热点及难点.文中介绍了近年来国内外对不透明材质反射现象的采集及建模技术方向取得的最新研究进展,并给出了分析和总结.最后对该领域研究存在的挑战和未来发展趋势提出了一些看法.     

双向纹理函数的有效压缩与绘制

提出了一种有效的BTF压缩方法：对简单BTF样本区域用一个统一的低频函数模拟整个区域的整体光照效果,再对每个像素生成一个高频函数来表现细节;对复杂样本区域则首先进行像素聚类,再在各个像素类内对视线采样方向自适应地聚类,在各个视线类内分别拟合一个低频函数,并求像素在各个视线内的高频函数,利用低频函数与高频函数的和重建了像素在相应视线类内的视觉效果．与局部PCA方法的对比表明,该文的算法取得了较高的压缩效率和更快的绘制速度,能实现交互的软件绘制和实时硬件绘制．     

路径追踪中出射光线方向的快速采样方法

目的 基于双向反射分布函数的重要性采样方法在渲染物体材质表面时有极佳的拟真度,但采样方式存在复杂和高硬件存储开销的问题。针对上述问题,提出了一种基于权重生成和向量线性插值的采样方法用于解决该问题。方法 在对出射光线方向进行计算时,通过给定的入射光方向、法线方向与物体表面材质光滑度参数,首先计算镜面反射光线方向,再结合余弦与指数函数二者的函数特性生成具有一定分布特征的权重值,并将镜面反射方向与随机生成的漫反射方向进行线性插值,其插值权重即为上述生成的权重值,最后规范化得到具有一定分布特征的新的出射方向。结果 本文基于该快速采样方法,给出了路径追踪渲染算法的一套完整实现,并利用本文算法,从常见各类物体表面中抽取9种进行渲染,将所得实验结果与通过原始双向反射分布函数采样算法所渲染得到的实际结果进行比较,发现利用快速采样算法后渲染速度可提升1.521.99倍,且由于近似所造成的相对误差可控制在8%以内,并将原本用于描述物体表面的34 MB数据量降为仅几个浮点数的数据量,可知上述采样方法既具有极低硬件存储开销的特点,其渲染的图片又能保有较高的拟真度。随着光滑度参数的连续变化,可使得被渲染的物体表面由理想漫反射到理想镜面反射之间均匀过渡,从而统一了漫反射、高光反射与镜面反射三者的采样形式。结论 本文使用简化的出射光方向采样算法替代传统BRDF重要性采样算法,并配套给出基于新采样算法实现的一套完整的路径追踪渲染方法,使得在不失真实度的情况下使得计算机在模拟漫反射、高光反射与镜面反射的形式得以简化与统一。本文方法亦可作为现有诸多采样方法的替代方案,其极低的存储开销优势可用于渲染含有大量不同材质的复杂场景;在渲染一般的粗糙表面、瓷器以及金属等常见各向同性材质时也有较佳的表现力。上述的完整实现方式可以在需要的时候对静态场景做不失真实度的快速渲染。     

环境贴图在VR系统中的应用研究

为了把环境贴图应用于VR系统中,实现场景对象的真实感绘制,首先从分析球面调和函数入手,提出了漫反射环境纹理图的快速计算方法。在研究镜面反射模型时,提出采用箱式滤波器代替Phong余弦函数滤波的方法,从而简化了镜面反射环境纹理图的滤波计算。在实现阶段,采用立方体环境纹理图表示场景光照环境,并对纹理图进行分级细化从而提高了绘制效率。实验表明,该方法实现了物体漫反射和镜面反射的快速绘制,非常适合虚拟现实应用。     

一种面向视景仿真的快速环境贴图方法

环境贴图是绘制物体表面漫反射和镜面反射效果的一种有效方法.为了把环境贴图应用于视景仿真中,实现场景对象的真实感绘制,首先从分析球面调和函数入手,提出了漫反射环境纹理图的快速计算方法;然后在研究镜面反射模型时,提出采用箱式滤波器代替Phong余弦函数滤波的方法,从而简化了镜面反射环境纹理图的滤波计算;最后在实现阶段,采用立方体环境纹理图表示场景光照环境,并对纹理图进行分级细化从而提高了绘制效率.实验表明,该方法在增强对象真实感的同时,其运算速度也能满足交互系统的需求,非常适合视景仿真应用.     

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。     

云的真实感模拟技术综述

云作为自然场景的一种重要组成元素,其形状不规则、物理形成过程复杂,因此很难实现实时绘制,云场景真实感模拟已成为计算机图形学中的热点和难点之一。综述了二十多年来云场景真实感模拟技术的发展情况,分别从云的建模、动态模拟、光照效果模拟等几个方面对该领域的研究进展做了比较深入、全面的分析,介绍了典型方法的基本原理和优缺点。最后对一些具有代表性的模拟方法进行了比较和总结,并对未来发展趋势进行了展望。     

基于表观BRDF的泡沫金属辐射特性反演测量方法

泡沫金属是通过在金属基体上形成大量孔隙结构而得到的一类新型多功能材料,在太阳能利用、强化换热等领域有重要应用价值,其辐射特性参数是分析其内部辐射传递的必要物性数据。提出一种基于表观双向反射分布函数（ BRDF）测量数据反演泡沫金属热辐射物性的方法,利用测量的多角度入射的表观BRDF数据结合辐射传递方程求解来反演泡沫金属的等效辐射特性。对泡沫铁镍（50 ppi ）、泡沫铜（90 ppi）及泡沫镍（30 ppi）三种泡沫金属样品在波长660 nm激光照射下1/2半球空间的表观BRDF分布进行了实验测量,并对其辐射特性进行了反演,首次获得了这三种材料的辐射特性参数,其辐射物性表现出明显的半透明性质,散射反照率随着孔隙数密度的增加而增加,散射相函数呈后向散射占优。     

基于线性变换球面分布的实时间接光泽反射

目的 在实时渲染领域中,立即辐射度算法是用于实时模拟间接光泽反射效果的算法之一。基于立即辐射度的GGX SLC(stochastic light culling)算法中使用符合真实物理定律的GGX BRDF(bidirectional reflectance distribution function)光照模型计算间接光泽反射,计算复杂度很高,并且其计算开销会随着虚拟点光源的数量呈明显的线性增长。为解决上述问题,提出一种更高效的实时间接光泽反射渲染算法。方法 基于数学方法中的线性变换球面分布,将计算复杂度很高的GGX BRDF球面分布近似为一种计算复杂度较低的球面分布,并基于该球面分布提出了在单点光源以及多点光源环境下的基于物理的快速光照模型。该光照模型相比GGX BRDF光照模型具有更低的计算开销。然后基于该光照模型,提出实时间接光泽反射渲染算法,计算虚拟点光源对着色点的辐射强度,结合多点光源光照模型对着色点着色,高效地渲染间接光泽反射效果。结果 实验结果表明,改进后的实时间接光泽反射算法能够以更高的渲染效率实现与GGX SLC算法相似的渲染效果,渲染效率提升了20%～40%,并且场...     

可变材质的实时全局光照明绘制

现有的基于预计算的全局光照明绘制算法都假设场景中物体的材质固定不变,这样,从入射光照到出射的辐射亮度之间的传输变换就是线性变换.通过对这种线性变换的预计算,可以在动态光源下实现全局光照明的实时绘制.但是,当材质可以改变时,这种线性变换不再成立,因此,现有算法无法直接用于动态材质的场景.提出了一种方法:在修改场景中的物体材质时,可以实时得到场景在直接光照和间接光照下的绘制效果.将最终到达视点的辐射亮度根据其之前经过的反射次数及相应的反射材质分为多个部分,每个部分和先后反射的材质的乘积成正比,从而把该非线性问题转化为线性问题.又将所有可选的材质都表示为一组基的线性组合.将这组基作为材质赋予场景中的物体,就有各种不同的组合方式,预计算每种组合下所有部分的出射辐射亮度.在绘制时,根据各物体材质投影到基上的系数线性组合预计算的数据就能实时得到最终的全局光照明的绘制结果.该方法适用于几何场景、光照和视点都不发生变化的场景.使用双向反射分布函数来表示物体的材质,不考虑折射或者半透明的情况.该实现最多包含两次反射,并可以实时绘制得到一些很有趣的全局光照明效果,比如渗色、焦散等等.     

偏振光线跟踪绘制技术研究进展综述

光线跟踪是计算机图形学中一种高真实感绘制方法,传统的绘制算法忽略了光的偏振效应.而研究表明:在光线跟踪中加入光的偏振效应,能对绘制结果产生重要的影响.偏振光线跟踪是预测绘制技术的研究核心,它不仅可以提供高真实感的绘制效果,而且已被应用于偏振场景仿真和导航等领域.目前,偏振光线跟踪在国内尚未有相关工作.在预测绘制的框架下,根据偏振光线跟踪的流程,对偏振光线跟踪绘制技术的要点与关键问题进行了分析、总结与展望.     

空间动态可变材质的交互式全局光照明绘制

提出了一种空间动态可变材质的交互式全局光照明绘制算法.如果在绘制过程中允许用户对物体的材质作修改,并且对一个物体的不同部分的材质作不同的修改,则称为空间动态可变材质.由于最终出射的辐射亮度和材质呈非线性关系,因此现有许多交互式全局光照明算法不允许用户修改物体的材质.如果一个物体各部分的材质可以不相同,那么材质对最终的出射的辐射亮度的影响更为复杂,目前没有任何交互式全局光照明绘制算法能够在绘制过程中对一个物体不同部分的材质作不同的修改.将一个空间动态可变材质区域划分成许多子区域来近似模拟,每个子区域内部材质处处相同.光在场景传播过程中可能先后被不同的子区域反射,并以此将最终出射的辐射亮度分为许多部分.用一组基材质来线性表示所有的材质,这组基材质被赋予场景中的所有子区域,从而得到不同的基材质的分布.预计算所有这些基材质分布下的各部分最终出射的辐射亮度.绘制时根据各子区域材质在基材质上的系数组合相应的预计算数据,就能交互式绘制全局光照明效果.     

Computer-aided appearance design based on BRDF measurements

This paper presents a comprehensive and efficient framework for computer-aided appearance design based on BRDF (bidirectional reflectance distribution function) measurements. It covers all stages of a new product development including acquisition, processing and modeling of reflectance data, interactive rendering and evaluation of material appearance, and manufacturing operations. The proposed method eliminates the need of making a real physical prototype by providing a reliable surface appearance design process in which he/she can faithfully simulate the final surface appearance in the early design stage of a product. In addition, it enables us to manufacture the coating surface the same as the computer simulated surface from the known coating specification. The accuracy test between a real sample and the computer simulated one demonstrates that the proposed method satisfies an acceptable level of accuracy for industrial applications. A case study has been conducted to evaluate the user preference on the surface appearance of a digital handheld device which contains a combination of different coating surfaces. The case study successfully demonstrates that the user preference can be identified using the proposed method while changing the combination of different coating surfaces represented by BRDFs considering factors such as surrounding environments and age groups.     

时空驱动的大规模真实感海洋场景实时渲染

针对目前计算机图形学领域对于精确的时间和空间条件驱动下大规模海洋场景的研究匮乏的现状,提出一个时空驱动的大规模真实感海洋场景实时渲染框架.首先,采用天空球代替传统天空盒进行天空背景建模,弥补天空盒灵活性和真实性上的不足;引入简化天文模型进行天体位置计算,真实展现天体运行规律;其次,引入风力驱动的统一方向谱进行海浪绘制,弥补目前图形学领域利用海浪谱建模在短波绘制效果上的不足;最后,将大气散射、海洋表面以及海下光线传播作为整体考虑,构建海面综合光照渲染模型.实验表明：该框架不仅能够真实地展现在精确的时空条件下大规模海洋场景的波浪运动以及光学效果的变化,而且能够很好地满足实时应用的需要.     

基于像素聚类的空间变化表面材质建模

针对空间变化表面材质的反射属性提出了一种基于图像的轻量化建模方法.仅需利用消费级手机,在环境光和点光源下分别对平面材质样本拍摄一幅图像,即可计算重建其表面的双向反射分布函数(svBRDFs)参数图、法向量图、切向量图等材质属性.其中对BRDF参数的拟合采用了一种基于像素聚类的策略,即假定具有相似外观和结构特征的像素属于...