基于材質測量的光照建模研究.pdf

1、近些年來，隨著計算機圖形學的發(fā)展，動漫、影視、廣告宣傳等領域越來越重視渲染結果的逼真程度，如何獲得極盡真實的渲染效果已經成為計算機真實感圖形學的主要研究目標。材質的表面光照屬性建模是為了精確展示物體在不同光照條件下的外觀視覺效果，由于材質的多樣性與光照反射成因的復雜性，因此材質表面光照屬性建模一直是學術與應用領域研究與關注的熱點問題。
　　目前，在材質的表面光照屬性研究領域里已經存在了一系列的數(shù)學解析反射模型和基于材質測量的方法。

2、其中，傳統(tǒng)的解析模型對數(shù)據(jù)的處理相對簡單，繪制得到的效果并不是特別真實，很難滿足動漫、影視產業(yè)高度真實的渲染要求。采用基于材質測量的方法繪制的效果雖然較好，但是由于此類方法的采集設備造價較高，采集過程耗時、復雜，采集到的材質數(shù)據(jù)龐大，直接使用測量數(shù)據(jù)進行繪制又不能滿足實時繪制的要求，致使基于材質測量的方法難以得到應用和推廣。
　　因此，利用真實材質測量數(shù)據(jù)進行材質表面光照建模的研究和應用越來越多。其中，基于雙向反射分布函數(shù)（Bid

3、irectional Directional Reflection Function，BRDF）的真實測量數(shù)據(jù)的光照建模方法比較常見，已經存在一些真實材質的BRDF測量數(shù)據(jù)庫及相應的BRDF解析模型擬合方法。盡管BRDF解析模型可以較好地模擬出表面比較平滑的不透明材質的光照反射屬性，但是對于表面比較粗糙、凹凸不平的材質的擬合效果并不理想，對于此類材質，通常使用雙向紋理反射函數(shù)（Bidirectional Texture Function

4、，BTF）來表示。然而，BTF函數(shù)需要采集材質在不同光照、不同視點下的紋理圖像，最終得到的測量數(shù)據(jù)非常龐大，難以直接用于渲染，必須進行數(shù)據(jù)壓縮，其中一種壓縮方法就是使用BRDF解析模型對BTF測量數(shù)據(jù)進行光照建模。雖然這種方法可以獲得很高的壓縮率，但是BTF材質往往是不同材料組成，一般有許多肉眼可見的微小幾何中觀結構，直接使用BRDF模型進行擬合結果并不是特別理想。
　　基于這種背景，本文實現(xiàn)了一種基于真實材質測量數(shù)據(jù)的材質光照屬

5、性建模方法，使用BRDF材質測量數(shù)據(jù)以及BTF材質測量數(shù)據(jù)分別進行材質的光照屬性重建工作，獲取不同類型材質的光照屬性。本文的工作主要分為兩個部分:
　　一是基于BRDF材質測量數(shù)據(jù)的光照屬性建模。本文利用MERL BRDF數(shù)據(jù)庫提供的材質數(shù)據(jù)，采用不同的BRDF解析模型以及不同的差錯度量標準對測量數(shù)據(jù)進行擬合，分析不同BRDF解析模型、差錯度量標準的擬合效果，同時為基于BTF材質測量數(shù)據(jù)的光照建模選定了BRDF擬合模型和差錯度量標

6、準。
　　二是基于BTF材質測量數(shù)據(jù)的光照屬性建模。本文利用波恩大學提供的UBO2003 BTF數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了一種基于BTF測量數(shù)據(jù)陰影預處理的BRDF擬合方法。該方法將BTF數(shù)據(jù)分解為幾何信息和光照信息兩部分，首先，利用BTF材質測量數(shù)據(jù)，分離出該材質的幾何信息;接著，利用幾何信息計算所有測量圖像的陰影圖，并利用陰影圖去除掉測量圖像中因自陰影、自遮擋等產生的無效像素值;然后，使用選定的BRDF擬合模型，分別為每個像素點進行光照建