透明物體及其陰影的遮片研究.pdf

1、如何準確的合成透明物體在各種不同場景下的真實效果,是當今計算機圖形學研究的一個熱門領域。由于透明物體材質的特殊性,渲染合成透明物體在不同真實場景中的結果,相比一般不透明物體來說更為復雜,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背景的折射與反射效果,以及其對環(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)圖形學領域,在基于模型的基礎上,通常利用光線跟蹤或者光子映射等方法來渲染最終結

2、果。實際上這類方法有很大缺陷和局限性:首先它需要一個精確的物體模型和材質屬性,傳統(tǒng)的三維掃描技術僅能夠獲取物體的三維形狀,并不能準確獲得得到復雜的物體屬性,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雜的,用現(xiàn)有算法并不能準確地模擬和計算,因此這樣的渲染結果并不能令人滿意,存在很大的誤差;最后,由于需要精確的幾何模型和材質信息,該算法并不適用于渲染現(xiàn)實生活中我

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屬性來驗證渲染算法和實現(xiàn)效果,所以并不能在實際中進行廣泛應用。本文針對現(xiàn)有技術中存在的眾多局限性進行研究,在基于圖像遮片技術,渲染技術和重光照技術的基礎上,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場景下的合成結果。主要工作包括:(1)基于算法設計思想,設計了整套基圖片的采集流程與方法,并設計制造了一個精確控制的自動裝置來實現(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雜的,所以現(xiàn)有基于模型的渲染技術并不能很精確的模擬這類效果。針對這個問題,本文采用基于圖像的環(huán)境遮片的技術,在輻射度空間提取與合成透明物體遮片數(shù)據(jù),避開復雜困難的建模和渲染處理過程,合成非常接近真實的結果。(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,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系,由于渲染過程過于復雜,之前的研究和渲染結果大多都忽略了物體高光效果的合成計算。針對這個問題,本文通過提取基圖片中物體在各個方向光源照射條件下的高光信息,用relighting的算法來計算新的環(huán)境光源條件下的高光結果,并進行合成。(4)基于陰影遮片的思想來合成真實帶聚光的陰影效果。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

6、際光路傳播的不確定性,結果并不精確。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,通過顏色空間的轉換準確提取對應的陰影遮片,最后根據(jù)真實目標場景的環(huán)境光照信息來合成透明物體在新場景下將產(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)都準確的被提取出來作為中間結果,因此基于這套框架,我們可以對提取的這些中間數(shù)據(jù)進行直接編輯操作,可以非常容易的對算法進行擴展,實現(xiàn)很多特效效果,在這