基于重要性采样的动态场景全频阴影实时绘制算法

由于环境光源下的柔和阴影绘制需要针对每像素对来自全景方向的上千个光源进行昂贵的可见性计算,这给实时绘制带来了巨大的挑战.在消除预计算的前提下,提出了一种环境光源下动态场景全频阴影实时绘制算法.通过基于光照强度的环境图重要性采样、场景几何信息近似采样、阴影图预滤波、BRDF重要性采样等方法,实现了环境光源下动态场景的全频阴影及其环境映射绘制.实验表明,算法可满足环境光源、场景物体及其材质动态变化的要求,并可在保证实时绘制效率的前提下,取得近似于预计算算法的绘制质量.     

基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染

基于光线追踪,将屏幕图像像素分解为投射光线与场景对象交点面片辐射亮度和 纹理贴图的合成,每个面片的辐射亮度计算基于双向反射分布函数(BRDF)基的线性组合,并通 过图形处理器(GPU)处理核心并行绘制进行加速,最后与并行计算的纹理映射结果进行合成。 提出了一种基于BRDF 和GPU 并行计算的全局光照实时渲染算法,利用GPU 并行加速,在提 高绘制效率的前提下,实现动态交互材质的全局光照实时渲染。重点研究：对象表面对光线的 多次反射用BRDF 基的线性组合来表示,将非线性问题转换为线性问题,从而提高绘制效率; 利用GPU 并行加速,分别计算对象表面光辐射能量和纹理映射及其线性组合,进一步提高计算 效率满足实时绘制需求。     

一种基于哈尔小波的软阴影渲染算法在GPU上的实现

由于小波相比球面谐波函数能够更好地表现许多高频光照细节,哈尔小波被越来越多地被应用在许多基于PRT的全局光照渲染算法中.在PRT框架下,利用小波变换对光照、遮挡、BRDF等函数进行预处理.然后,利用所得到的预处理数据,在GPU上来实时地渲染软阴影.在渲染过程中,使用Tree-structured算法来计算渲染方程.为了能在GPU上实现该算法,对该算法中所用到数据结构的实现方式进行重新设计,并对该算法的实现过程进行调整和优化.同时,利用GPU的一些特性,在一些实现细节上也进行了相应优化.     

基于PRT的大规模场景全局光照技术

为了解决传统的基于光辐射传输预计算(PRT)的全局光照技术在大规模场景下渲染效率低下的问题,在对PRT光照算法的本质进行分析的基础上,提出了一种基于四叉树的自适应网格细分算法.根据光照方程中的可见性函数,只在需要产生阴影的地方进行网格细分,并利用四叉树来重组模型数据,避免了传统的网格均匀细分方法导致的模型复杂度大幅增加,从而会影响绘制效率的问题.通过在虚拟机场仿真系统中的实际应用,对两种算法进行了比较,表明了该算法在效果和效率上均优于原有算法.     

基于自适应可见性滤波的近似软影绘制

针对全局光照下的物理正确软影绘制较难满足交互性的难题,提出体现遮挡对象 空间位置远近关系的可变半影近似绘制算法。首先,以光源中心点为参照通过基于光线跟踪的 遮挡测试方法生成二值光源可见性图;并提出每个可视场景点对应自适应可见性空间平滑滤波 器宽度的确定方法;然后执行带掩模计算的自适应可见性滤波来获得从可见区到非可见区平滑 过渡的可见性因子;最后在光线跟踪流程中使用可见性因子动态调制相应可视场景点不考虑遮 挡的直接光照值,再加上间接光照得到高真实感软影。实验结果表明：该算法效果与物理正确 阴影在柔和度方面非常接近,容易绘制镜面反射间接光照,且测试场景的帧率在 30 帧/秒以上, 满足交互性要求。     

近似软影下的三维增强绘制

针对目前的三维增强绘制方法尚未涉及阴影效果这一现象,提出一种新的包含近似软影效果的三维增强绘制算法.针对简单光照场景,设计了一种新的尺度函数,应用该尺度函数调整每个像素的光亮度值,使得物体的表面细节看上去更加凸显;在此基础上引入近似软阴影效果,利用GPU的几何着色器提取物体的轮廓边生成近似半影区,通过调整半影区的衰减参数来控制半影区的大小和亮度,可以使软阴影变得更黑更集中.实验表明应用该方法可以得到整个三维场景一致增强的效果.     

三维物体表面材质实时编辑

艺术家进行设计时,常常需要一种可以交瓦地修改模型表面材质的工具.为了在环境光下对模型表面的材质进行实时编辑,提出一种基于预计算辐射传输的算法:首先预计算环境光相对于模型表面每一个顶点的可见性;然后在绘制时实时计算物体表面的双向反射分布函数(BRDF);最后通过查找环境光相对于模型表面每一个顶点的可见性,快速绘制出物体表面材质.实验结果表明,使用该算法,用户可以通过调节BRDF的参数,实现物体表面材质的实时动态编辑,同时支持动态视点和动态环境光.     

基于预计算辐射传递的全局光照技术

为了在大规模场景中渲染出高效率和高真实感的全局光照效果,以图形处理器（GPU）渲染管线流程为可编程基础,利用球面和谐函数进行解码,并且在预计算过程中通过使用小波重建高频部分的信号,来解决预计算辐射传递(PRT)计算过程中丢失掉的高频信号,以免丢失细节变化。在实时渲染全局光照过程中,利用大规模场景的可见性信息进行自适应的细分,使得绘制效率提高。实验结果表明该方法在仿真系统下能够高效真实地渲染出全局光照效果,有较高的绘制效率和真实感。     

聚类立即辐射度及在增强现实中的应用

提出一种聚类立即辐射度方法,以实现增强现实等领域需要高度真实感的全局光照算法来实现实时交互的绘制效果要求。为此,改进了传统的立即辐射度方法,将大量的用于表达间接光照的虚拟点光源聚类到少量的虚拟面光源中,并使用实时软阴影算法快速计算可见性。同时,借助图形硬件GPU加速场景绘制。实验结果表明,算法在增强现实环境等领域中支持完全动态场景,且在保证良好视觉效果的前提下获得了实时绘制帧率。     

一种基于低维线性子空间的球谐光照算法

对虚拟图像场景绘制算法进行研究，提出了一种基于低维线性子空间的球面谐波光照表示算法。从物体模型得到子空间，并抽取其中的低维线性空间，利用球面谐波函数将朗伯反射作为一个卷积处理，来近似表示朗伯反射，同时添加了漫反射阴影交互转移。实验结果表明该算法逼近程度好，绘制质量高，具有一定的实用价值。     

3D face computational photography using PCA spaces

In this paper, we present a 3D face photography system based on a facial expression training dataset, composed of both facial range images (3D geometry) and facial texture (2D photography). The proposed system allows one to obtain a 3D geometry representation of a given face provided as a 2D photography, which undergoes a series of transformations through the texture and geometry spaces estimated. In the training phase of the system, the facial landmarks are obtained by an active shape model (ASM) extracted from the 2D gray-level photography. Principal components analysis (PCA) is then used to represent the face dataset, thus defining an orthonormal basis of texture and another of geometry. In the reconstruction phase, an input is given by a face image to which the ASM is matched. The extracted facial landmarks and the face image are fed to the PCA basis transform, and a 3D version of the 2D input image is built. Experimental tests using a new dataset of 70 facial expressions belonging to ten subjects as training set show rapid reconstructed 3D faces which maintain spatial coherence similar to the human perception, thus corroborating the efficiency and the applicability of the proposed system.     

踝关节功能评价三维测量系统设计

在临床上医师通过对踝关节的X线拍片和多年经验来判断踝关节功能性不稳,这将增加临床诊断成本和诊断门槛.对于此问题,介绍一种基于三维测量与重建模型的踝关节功能评价系统.该系统采用结构光正-反投影技术,通过结构光正-反条纹图像来检测结构光边缘并实现亚像素定位;在此基础上,利用立体视觉原理来实现踝关节姿势的三维测量与重建,最后通过三维重建模型来分析踝关节功能性不稳.实验结果表明,该系统在无任何机械接触的情况下,有效地分析评价踝关节功能性不稳,为踝关节功能性不稳的早期发现和康复医疗提供有利的诊断与决策依据.     

Diverse three-dimensional printing capacity planning for manufacturers

Three-dimensional (3D) printers are widely used in rapid prototyping and mass customization. However, capacity planning for 3D printers is challenging because 3D printers are usually not dedicated, and estimating the demand for their capacity is not easy. To overcome this problem, in this study, a consistent-decomposition (CD) fuzzy-analytic-hierarchy-process (FAHP) approach is proposed. This approach extracts the various viewpoints of a capacity planner by decomposing his or her fuzzy judgment matrix into several fuzzy subjudgment matrices. On the basis of each fuzzy subjudgment matrix, the performances of various 3D printers are assessed and compared. The best-performing 3D printer from each viewpoint is chosen. The proposed methodology has been applied to a real-world case in which a diverse set of 3D printers was acquired by a manufacturer. The proposed methodology returned a diverse set of optimal 3D printers, whereas a competing set chosen using any existing method lacked diversity. In addition, a decision maker who applied the proposed methodology did not need to specify different requirements for various types of 3D printers.     

基于深度学习的单视图三维重建

单视图三维重建在计算机视觉领域中是一个具有挑战性的问题.为了提升现有三维重建算法重建后三维模型的精度,本文除了提取图像全局特征之外还提取图像局部特征,结合全局特征和局部特征并选取SDF (signed distance function)作为重建后的三维物体表达方式,不仅提高了模型的精度,生成了更高质量的3D形状,还增强了模型的泛化能力,使得深度模型可以以较高质量重建出其他物体种类.实验结果表明,本文提出的深度网络结构和3D形状表示方法与当今最先进的重建算法相比,无论在重建后三维模型的效果还是新型物体的泛化中都有更好的表现.     

面向智慧城市的3维城市在线可视化

目的 3维城市可视化是智慧城市信息显示的基础,对城市信息的实时准确传递起着重要作用。而现有的3维城市可视化方法和系统存在两点局限性:一是数据模型不适合于海量建筑物显示;二是对整个城市采用单一绘制方式,而建筑物的纹理、结构、高度等特征相似,绘制结果容易引起视觉混淆,为此提出一种基于人类感知理论的3维城市在线可视化技术。方法在预处理阶段,系统采用建筑综合算法建立3维城市建筑物的多分辨率表示;在运行时刻,系统根据用户交互,自适应选择建筑物相应的层次进行显示。结果采用几个3维城市数据对系统进行了测试,实验结果证明,该系统有效地提高了3维城市绘制效率。Leverkusen城市的5 530座建筑物,绘制效率达到19.4帧/s。结论基于感知的3维城市多分辨率表示,有效提高了3维城市系统的显示效率以及用户获取信息的效率,同时提高了用户的交互效率。     

A comparison of four visibility acceleration techniques for radiosity

Four visibility acceleration techniques for speeding up the form-factor computation are presented and compared in this paper. Three-dimensional axis-aligned bounding boxes (BB), illumination volumes (IVs), and 3D convex hulls (CHs) are some of the methods described. A new method that enhances IVs with 3D axis-aligned BBs (BBIVs) is also proposed. The results of these methods are compared with the uniform space subdivision (USSD) method, which is used as a basis of comparison of the effectiveness of these acceleration methods. In addition, the advantages and the disadvantages of each of the proposed techniques is discussed.     

Reconstructing 3D Shape,Albedo and Illumination from a Single Face Image

The morphable model has been employed to efficiently describe 3D face shape and the associated albedo with a reduced set of basis vectors. The spherical harmonics (SH) model provides a compact basis to well approximate the image appearance of a Lambertian object under different illumination conditions. Recently, the SH and morphable models have been integrated for 3D face shape reconstruction. However, the reconstructed 3D shape is either inconsistent with the SH bases or obtained just from landmarks only. In this work, we propose a geometrically consistent algorithm to reconstruct the 3D face shape and the associated albedo from a single face image iteratively by combining the morphable model and the SH model. The reconstructed 3D face geometry can uniquely determine the SH bases, therefore the optimal 3D face model can be obtained by minimizing the error between the input face image and a linear combination of the associated SH bases. In this way, we are able to preserve the consistency between the 3D geometry and the SH model, thus refining the 3D shape reconstruction recursively. Furthermore, we present a novel approach to recover the illumination condition from the estimated weighting vector for the SH bases in a constrained optimization formulation independent of the 3D geometry. Experimental results show the effectiveness and accuracy of the proposed face reconstruction and illumination estimation algorithm under different face poses and multiple‐light‐source illumination conditions.     

三维网格模型的边界性度量方法

在三维网格分割中,如何实现网格模型边界的自动准确分割是目前亟待解决的问题。为给自动分割提供理论依据,提出了一种新的三维网格模型表面边界性计算方法,将少量手工标注的边界点视为能量的放射源,根据能量流动原理,自动计算出其他点作为分割边界的可能性。实验表明,该方法是行之有效的,可以依据手工标注的少量边界点找到更多的真实边界点,进而为最终实现网格模型的自动分割提供可行的理论基础。     

3D多尺度几何分析研究进展

3D多尺度几何分析是图像、视频和几何模型等数字可视媒体处理的技术基础,其目的在于高效地表示这些媒体中存在的点、线、面奇异.为此,依据不同变换捕获奇异的能力演进及其非线性逼近效率的提高,从2D图像多尺度几何分析的研究进展切入,着重阐述视频3D多尺度几何分析的发展,并将其归纳为3类:由2D基函数直接扩展的3D多尺度几何分析、基于3D基函数的3D多尺度几何分析和基于时空非局部相关性的3D多尺度几何分析,深入探讨了各种典型变换方法的主要思想、非线性逼近效率、计算复杂度、优势和不足.同时,概要介绍了数字几何模型的3D多尺度几何分析研究进展.在此基础上,对3D多尺度几何分析的未来发展趋势进行了展望.