透明物體及其陰影的遮片研究.pdf

1、如何準(zhǔn)確的合成透明物體在各種不同場(chǎng)景下的真實(shí)效果,是當(dāng)今計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的一個(gè)熱門領(lǐng)域。由于透明物體材質(zhì)的特殊性,渲染合成透明物體在不同真實(shí)場(chǎng)景中的結(jié)果,相比一般不透明物體來說更為復(fù)雜,需要考慮和合成很多不同方面的效果,包括合成透明物體本身對(duì)背景的折射與反射效果,以及其對(duì)環(huán)境光折射與反射之后產(chǎn)生的帶有聚光(caustic)的陰影效果和自身的高亮效果等等。在傳統(tǒng)圖形學(xué)領(lǐng)域,在基于模型的基礎(chǔ)上,通常利用光線跟蹤或者光子映射等方法來渲染最終結(jié)

2、果。實(shí)際上這類方法有很大缺陷和局限性:首先它需要一個(gè)精確的物體模型和材質(zhì)屬性,傳統(tǒng)的三維掃描技術(shù)僅能夠獲取物體的三維形狀,并不能準(zhǔn)確獲得得到復(fù)雜的物體屬性,包括高光,模糊以及透明物體的折射反射屬性等等;其次由于制作工藝和材質(zhì)屬性的不同,光線在透明物體內(nèi)部的傳播與折射過程是非常復(fù)雜的,用現(xiàn)有算法并不能準(zhǔn)確地模擬和計(jì)算,因此這樣的渲染結(jié)果并不能令人滿意,存在很大的誤差;最后,由于需要精確的幾何模型和材質(zhì)信息,該算法并不適用于渲染現(xiàn)實(shí)生活中我

3、們常見的透明物體,而只是使用一些已知模型通過修改材質(zhì)屬性來驗(yàn)證渲染算法和實(shí)現(xiàn)效果,所以并不能在實(shí)際中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的眾多局限性進(jìn)行研究,在基于圖像遮片技術(shù),渲染技術(shù)和重光照技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種全新的透明物體合成算法來渲染透明物體在任意真實(shí)場(chǎng)景下的合成結(jié)果。主要工作包括:(1)基于算法設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了整套基圖片的采集流程與方法,并設(shè)計(jì)制造了一個(gè)精確控制的自動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)整套流程,采集處理需要的整套基圖片。(2)采用

4、基于圖像的環(huán)境遮片方法來合成透明物體的折射與反射效果。由于透明物體的模型很難獲取,而且光線在透明物體內(nèi)部的傳播過程是非常復(fù)雜的,所以現(xiàn)有基于模型的渲染技術(shù)并不能很精確的模擬這類效果。針對(duì)這個(gè)問題,本文采用基于圖像的環(huán)境遮片的技術(shù),在輻射度空間提取與合成透明物體遮片數(shù)據(jù),避開復(fù)雜困難的建模和渲染處理過程,合成非常接近真實(shí)的結(jié)果。(3)基于relighting的方法來合成物體在不同光照條件下的高光效果。透明物體的高光效果與很多因素有關(guān),除了

5、光源之外,還與物體模型,物體自身遮擋,光線折射等方面都有關(guān)系,由于渲染過程過于復(fù)雜,之前的研究和渲染結(jié)果大多都忽略了物體高光效果的合成計(jì)算。針對(duì)這個(gè)問題,本文通過提取基圖片中物體在各個(gè)方向光源照射條件下的高光信息,用relighting的算法來計(jì)算新的環(huán)境光源條件下的高光結(jié)果,并進(jìn)行合成。(4)基于陰影遮片的思想來合成真實(shí)帶聚光的陰影效果。現(xiàn)有的渲染方法在已知精確的物體模型的基礎(chǔ)上,通過模擬光路傳播過程來渲染這類特殊的陰影效果,但由于實(shí)

6、際光路傳播的不確定性,結(jié)果并不精確。這里我們借鑒陰影遮片算法的思想,通過事先采集的一些特定光源條件下透明物體的陰影圖片,通過顏色空間的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確提取對(duì)應(yīng)的陰影遮片,最后根據(jù)真實(shí)目標(biāo)場(chǎng)景的環(huán)境光照信息來合成透明物體在新場(chǎng)景下將產(chǎn)生的陰影。在我們的整套框架中,物體本身的遮片數(shù)據(jù),高光及陰影遮片數(shù)據(jù)都準(zhǔn)確的被提取出來作為中間結(jié)果,因此基于這套框架,我們可以對(duì)提取的這些中間數(shù)據(jù)進(jìn)行直接編輯操作,可以非常容易的對(duì)算法進(jìn)行擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)很多特效效果,在這