基于梯度信息的繪制方法.pdf

1、梯度描述了在函數(shù)定義域內(nèi)函數(shù)值隨自變量變化的趨勢(shì)，蘊(yùn)含了函數(shù)的連續(xù)性信息。該連續(xù)性信息可以是隨時(shí)間、空間變化，也可能是隨某些控制參數(shù)變化。利用該連續(xù)性信息，我們可以更加深入地分析和理解函數(shù)，進(jìn)而更好地解決實(shí)際問(wèn)題。
　　在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中，梯度信息得到了廣泛的應(yīng)用。例如:在圖像編輯（如:分割、修復(fù)和拼接等）中，像素之間的梯度常被用來(lái)約束編輯結(jié)果的光滑度。同樣的，在三維幾何形變中，一種能夠有效保持局部形變光滑性的方法就是將形變過(guò)程放到

2、梯度域中進(jìn)行。而在繪制中，基于梯度的自適應(yīng)采樣和插值方法能夠極大地節(jié)省時(shí)間開(kāi)銷，甚至達(dá)到實(shí)時(shí)效果。
　　本文探索了梯度在繪制領(lǐng)域幾種不同問(wèn)題中的應(yīng)用:基于梯度的插值加速問(wèn)題、梯度域的高頻分量分析問(wèn)題以及全局優(yōu)化中使用梯度作為平滑約束項(xiàng)的問(wèn)題。論文的主要研究成果包括:
　　提出一種利用GPU通用并行計(jì)算以及基于圖像梯度插值的快速繪制參與介質(zhì)單散射效果的算法。光線在參與介質(zhì)中的散射是自然界中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，如:陽(yáng)光下的雨霧、陰霾

3、以及沙塵暴。但光線與參與介質(zhì)粒子交互過(guò)程非常復(fù)雜。要真實(shí)地模擬這一過(guò)程需要花費(fèi)很大的時(shí)間開(kāi)銷，傳統(tǒng)的串行算法通常只能進(jìn)行離線繪制。我們提出一個(gè)并行繪制框架，利用GPU的通用并行計(jì)算性能快速地繪制參與介質(zhì)單散射效果。并且，我們基于圖像空間的梯度信息，提出一種快速插值方法，降低了計(jì)算復(fù)雜度，最終達(dá)到可交互級(jí)別的繪制效率。
　　提出一種基于梯度的增強(qiáng)繪制算法。從圖像梯度增強(qiáng)算法得到啟發(fā)，我們將梯度增強(qiáng)的思想擴(kuò)展到三維增強(qiáng)繪制。增強(qiáng)的基本

4、原理是提取輸入信號(hào)的高頻分量并放大，從而使得原信號(hào)的細(xì)節(jié)更加明顯。我們通過(guò)計(jì)算繪制結(jié)果相對(duì)三維空間以及圖像空間的梯度，并疊加到原繪制結(jié)果中，對(duì)三維繪制結(jié)果進(jìn)行增強(qiáng)。同時(shí)，我們還分析繪制方程中各項(xiàng)（幾何、可見(jiàn)性以及高光等）的梯度對(duì)增強(qiáng)結(jié)果的影響，并且保留關(guān)鍵因素去除不重要的因素。由于我們的算法考慮了三維空間到二維成像平面投影變換的梯度，因此比前人算法能更好地處理模型掠射角區(qū)域的增強(qiáng)。
　　提出一種從單張圖像獲取三維場(chǎng)景材質(zhì)風(fēng)格的算法

5、。為幾何場(chǎng)景設(shè)計(jì)材質(zhì)是一件耗時(shí)、費(fèi)力的工作。我們利用反繪制以及全局優(yōu)化技術(shù)探索從單張樣本圖像中全自動(dòng)地獲取材質(zhì)風(fēng)格并遷移到三維場(chǎng)景的方法。在該算法中，我們首先利用反繪制技術(shù)為場(chǎng)景中的每個(gè)物體從樣本圖像提取多個(gè)候選材質(zhì)屬性。然后定義一個(gè)衡量繪制結(jié)果與樣本圖像風(fēng)格差異的目標(biāo)函數(shù)，并且定義相鄰物體間材質(zhì)的梯度作為平滑約束項(xiàng)。通過(guò)利用禁忌搜索方法最小化目標(biāo)函數(shù)，我們從多個(gè)候選材質(zhì)屬性中選取一組最優(yōu)材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)表明，我們的算法在少量人工交互下使繪制

6、結(jié)果仍然能在一定程度上保持與樣本圖像的材質(zhì)風(fēng)格一致。
　　提出一種基于圖像的煙霧效果繪制算法。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用常常要求將虛擬的物體添加到真實(shí)場(chǎng)景中。而如何將煙霧等參與介質(zhì)散射效果添加到實(shí)際拍攝圖像中仍然是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。我們的算法以單張室內(nèi)或室外圖像作為輸入，首先利用少量用戶交互對(duì)圖像中場(chǎng)景的光照和幾何信息進(jìn)行估計(jì)。然后通過(guò)對(duì)透光度和反射光照的分解，我們定義透光度圖和散射圖，并利用基于物理的繪制引擎進(jìn)行繪制。最后，結(jié)合輸入圖