CN107204035B - 多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于BRDF模型改进的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法，该方法包括如下步骤：S10：采用预烘焙(Prepare Baking)厚度贴图的方法描述陶瓷釉面的非均匀性；S20：得出顶点光照强度计算公式及改进的BRDF光照模型中的光照分布函数；S30：采用高动态图像HDR(High Dynamic Range)进行明暗调节来模拟陶瓷表面光线的柔和过渡。通过本方法渲染出来的模型，既符合多层非均匀材质表面光照的物理特性，同时能逼真的恢复出反映多层非均匀材质物体的真实观感；且在模型片面数量较大的情况下，仍能保证实时的渲染速率，满足实时交互的需求。

Description

多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法

技术领域

本发明涉及计算机图形渲染技术领域，尤其涉及三维重建模型真实光感实时渲染的方法，具体为多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法。

背景技术

图像三维重建技术是通过实体拍摄多视角图像通过立体匹配来计算空间坐标及光学信息，从而得到物体数字化的三维几何网格模型及纹理信息。现实试验中存在物体重建后生成的纹理贴图表面光感信息会在逆向重建过程中部分丢失导致光感失真的问题，因此，为恢复三维模型接近照片级真实光感，需要为重建物体建立相应物理光照模型。

近年来，陶瓷类文物的三维建模也取得了不错的研究成果，这类文物表面的玻璃质反光薄层反射和折射率远大于陶瓷内层，在模型仿真中是一个朗伯体表面覆盖一层光滑镜面模型的典型应用，这类构成表面反光的材质我们称之为多层非均匀材质。对于这类表面反光物体，图像三维重建时通常采用滤光等方法降低高光反射对模型精度的影响，但同时会导致提取的纹理图像缺失真实光感。因此，要获取与物理世界完全一致的三维数字化模型是一项极具挑战性的问题，一直是学术和工程界研究的热点和重点。而目前采用的方法主要有双向次表面散射反射分布函数BSSRDF(Bidirectional Surface ScatteringReflection Distribution Function)、单一的双向反射率分布函数BRDF(BidirectionalReflection Distribution Function)光照模型和分层光照模型的方法，然而这些方法都存在各自的不足，主要表现为：

1)采用BSSRDF进行绘制陶瓷这类多层且表面高反光物体，现有的全局光照算法在处理动态物体时一般很难同时保证绘制的实时性和逼真性，此外，由于非均匀材质一般具有空间或时间上的可变性，其属性的建模描述更为复杂，因而这类多层材质的实时绘制也就更困难。

2)利用BRDF光照模型获得的多层的反光材质物体的真实光感效果远不能满足人眼视觉的需求，而建立复杂且真实的光照模型是极其困难且昂贵的。

3)分层光照模型给这类材质的渲染提供了一个有效的方法，采用BRDF光照模型作为层状部件对多层均匀材质进行叠加渲染，在视觉及实时性上能较好地满足人眼的需求。然而将其直接应用到彩色陶瓷材质的渲染中，表现出的光感则比较生硬，不能很好地反映非均匀釉面的真实光感。

发明内容

针对现有技术中的不足，为此，本发明提出了一种基于BRDF模型改进的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法。能逼真的反映多层非均匀材质反光物体的真实观感。

本发明提出的基于BRDF模型改进的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法包括如下步骤:

S10：采用预烘焙(Prepare Baking)厚度贴图的方法描述陶瓷釉面的非均匀性；

S20：得出顶点光照强度计算公式及改进的BRDF光照模型中的光照分布函数；

S30：采用高动态图像HDR(High Dynamic Range)进行明暗调节来模拟陶瓷表面光线的柔和过渡；其中，

在步骤S10中，所述的采用预烘焙(Prepare Baking)厚度贴图的方法描述陶瓷釉面的非均匀性，具体步骤如下：

S11：在立体匹配后生成的网格模型上翻转物体表面法线向量；

S12：利用3D工具烘焙AO贴图，贴图中闭塞信息多的地方默认为厚度较薄；

S13：翻转顶点颜色存储贴图，该贴图即为厚度贴图；

在步骤S20中，所述的改进的BRDF光照模型，用Trowbridge-Reitz分布函数作为镜面高光项呈现陶瓷釉面圆润的高光效果，具体步骤如下：

S21：将反光物体的三维重建模型中顶点的光照强度定义为式(6)：

F₀＝F_ambdiff+F_N (6)

其中，式(6)中F₀为物体的顶点的光照强度，F_ambdiff为物体的环境反射的光强，F_N为多层材质表面叠加的光强；

S22：在现有的BRDF光照模型中，采用如式(8)所示的Trowbridge-Reitz分布函数来作为光照分布函数D：

式(8)中，α表示表面粗糙程度，h为半角向量，n为法向量；

在步骤S30中，所述的采用高动态图像HDR进行明暗调节来模拟陶瓷表面光线的柔和过渡，具体步骤如下：

S31：对模型表面添加镜面高光项使之呈现陶瓷釉面圆润的高光效果后；

S32：再运用高动态图像线性地记录亮度信息，所述高动态图像的每一个像素除了普通的RGB信息，还有该点实际的亮度信息，在线性地记录亮度信息时对色调映射进行调节，色调映射允许用户控制一个合适的人眼亮度域，其中人眼亮度域的控制量L满足式(10)；

式(10)中，L_input为输入的光线，middleGrey为全屏幕或部分屏幕的中间灰度，用于控制屏幕的亮度，avgLogLuminance为全屏幕或部分屏幕的亮度的对数的平均值。

根据国外对多层材质的理论分析(理论参考:Andrea Weidlich,AlexanderWilkie.Arbitrarily layered micro-facet surfaces[D].In GRAPHITE’07:Proceedingsof the 5th international conference on Computer graphics and interactivetechniques in Australia and Southeast Asia,2007,pages 171–178)及通过仿真实验及研究，得出多层非均匀反光物体具有以下特点：1)给最上一层微表面任意一个入射光线，该层会产生漫反射和镜面反射，并对下一层产生透射和折射；2)任何能折射进入下一层的折射光方向与其入射光方向有关，并与介质的吸收能力有关；3)透射光线汇聚在下一层微表面上，并伴随着衰减关系。

本发明方法中，是基于BRDF模型改进的，高动态图像是一种亮度范围非常广的图像，比其它格式的图像有着更大亮度的数据贮存，而且所记录亮度的方式与传统的图片不同，不是用非线性的方式将亮度信息压缩到8bit或16bit的颜色空间内，而是用直接对应的方式记录亮度信息，可以记录图片环境中的照明信息，因此我们可以使用这种图象来“照亮”场景；通过对色调映射进行调节，解决将整个亮度域线性压缩到照片所能表达的亮度域内会使明暗两端丢失很多细节的问题；色调映射允许用户控制一个合适的人眼亮度域，这样既保证细节不丢失，也可以不使照片失真。

本发明方法中，通过外部可控变量允许用户控制计算机显示画面的明暗度，防止了重建模型表面光线细节的丢失，使得光照过渡真实而自然。因此本发明方法可以获得如下有益效果：

(1)提出的渲染方法符合多层非均匀材质表面光照的物理特性，同时能够很好地恢复彩色陶瓷等高反光物体的真实光感；

(2)在模型片面数量较大的情况下，仍能保证实时的渲染速率，满足实时交互的需求。

附图说明

图1是本发明的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法中物体微表面分层图；

图2a-f是本发明的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法中的梅瓶的渲染过程图；

图3a-b是本发明的细节纹理对比图；

图4a-f是本发明的景泰蓝渲染对比图。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

本发明实施例为陶瓷花瓶的实时渲染方法，陶瓷花瓶是一种多层非均匀材质反光物体，采用BRDF(Bidirectional Reflection Distribution Function)光照模型作为层状部件来模拟次表面多层均匀材质的物理叠加降低计算复杂度，因此假设：

1)任意微表面层有足够长的水平范围；

2)下一层微表面所有光线由本层的入射光线生成；

3)下一层微表面的入射光线由上一层的折射光线产生；

4)所有光线的散射发生在层与层的边界，各个层内不发生散射。

如图1所示，构成陶瓷花瓶的多层非均匀材质分解为多个微表面，由式(1)计算得出陶瓷花瓶的多层材质表面叠加的光强F_N：

F_N＝F₁+F₂·T·a·t (1)

其中，F₁、F₂表示上、下微表面光照反射模型的光强，分别采用Torrance-Sparrow镜面反射模型及Oren-Nayar漫反射模型进行模拟形成，是由无数个绝对光滑的微小表面组成，F₁由公式(2)计算得到，F₂由公式(3)计算得到，T为透射系数表示光线在不同材质中的透射率，a为吸收项表示材质对光线吸收的关系，并由公式(4)计算得到，t为衰减项，表示光线在介质传播中损失的关系且满足公式(2)；

式(2)中，G＝min(1,2(n·h)(n·v)/(h·v),2(n·h)(n·l)/(h·v))，F＝f₀+(1-f₀)(1-h·l)⁵；h为半角向量，n表示法线向量，l表示入射向量，v表示视线向量；f₀为高光反射向量在法线向量位置时Fresnel函数的值；

F₂＝C_d(A+B·max(0,cosφ)sinasinb) (3)

式(3)中，φ表示切平面上的投影向量的夹角,各参数计算：

α＝max(θ_i,θ_o)，b＝min(θ_i,θ_o)，其中θ_i为入射角度，θ₀为出射角度，ρ为材质表面的反照率。

式(4)中，α为波长相关的吸收系数，只与材质性能有关，θ为入射角，y为折射率，d为厚度；

t＝(1-G)+(1-T)·G (5)

式(5)中，G＝min(1,2(n·h)(n·v)/(h·v),2(n·h)(n·l)/(h·v))，h为半角向量，n表示法线向量，l表示入射向量,v表示视线向量。

而现有的BRDF光照模型中的光照分布函数D如式(6)，

式(6)中，α表示表面粗糙程度，h为半角向量，n为法向量，现有的光照分布函数为幂次方，计算复杂度大，运行内存开销大。

本实施例提出的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法，在三维重建模型时是基于BRDF模型改进的真实光感实时渲染方法，渲染的过程分为三个阶段步骤，分别为：

S10：采用预烘焙(Prepare Baking)厚度贴图的方法描述陶瓷釉面的非均匀性；

S20：得出顶点光照强度计算公式及改进BRDF光照模型中的光照分布函数；

S30：采用高动态图像HDR(High Dynamic Range)进行明暗调节来模拟陶瓷表面光线的柔和过渡；其中各阶段步骤中分别进行子步骤操作，具体的为

在步骤S10中，利用本地预计算贴图的方法来模拟物体表面的厚度变化，采用翻转法线的方式获取厚度贴图，利用环境光闭塞(Ambient Occlusion，AO)原理，即越薄的地方闭塞信息越多的思路，描述光线在物体内部由于非均匀性而变化的光强，这样就很好地处理了陶瓷类物质的非均匀性及复杂性。具体实现步骤如下：

S11：在立体匹配后生成的网格模型上翻转物体表面法线向量；

S12：利用3D工具烘焙AO贴图，贴图中闭塞信息多的地方默认为厚度较薄；

S13：翻转顶点颜色存储贴图，该贴图即为厚度贴图；

在步骤S20中，由于多层非均匀高反光物体具有以下特点：1)给最上一层微表面任意一个入射光线，该层会产生漫反射和镜面反射，并对下一层产生透射和折射；2)任何能折射进入下一层的折射光方向与其入射光方向有关，并与介质的吸收能力有关；3)透射光线汇聚在下一层微表面上，并伴随着衰减关系，因此步骤S20包括以下子步骤：

S21：将反光物体的三维重建模型中顶点的光照强度定义为式(7)：

F₀＝F_ambdiff+F_N (7)

式(7)中F₀为物体的顶点的光照强度，F_N为式(1)中计算得到的多层材质表面叠加的光强，F_ambdiff为物体的环境反射的光强，由式(8)计算得到；

F_ambdiff＝F_a·K_a (8)

式(8)中，F_a为环境光亮度，K_a为物体表面环境光的反射系数，0≤K_a≤1；

S22：在现有的BRDF光照模型中，采用如式(9)所示的Trowbridge-Reitz分布函数来作为光照分布函数D：

式(9)中，α表示表面粗糙程度，h为半角向量，n为法向量；

在步骤S30中包括以下步骤：

S31：对模型表面添加镜面高光项使之呈现陶瓷釉面圆润的高光效果；

S32：再运用高动态图像线性地记录亮度信息，所述高动态图像每一个像素除了普通的RGB信息，还有该点实际的亮度信息，在线性地记录亮度信息时对色调映射进行调节，色调映射允许用户控制一个合适的人眼亮度域，其中人眼亮度域的控制量L满足式(10)：

式(10)中，L_input为输入的光线，middleGrey为全屏幕或部分屏幕的中间灰度，用于控制屏幕的亮度，avgLogLuminance为全屏幕或部分屏幕的亮度的对数的平均值。

通过本步骤S10，将均匀材质转化为非均匀使用了本地预计算贴图的方法，采用翻转法线的方式获取厚度贴图，利用环境光闭塞(Ambient Occlusion，AO)原理，即越薄的地方闭塞信息越多的思路，描述光线在物体内部由于非均匀性而变化的光强。这样就很好地处理了陶瓷类物质的非均匀性及复杂性。

现有BRDF模型中，为了计算被积函数的值对每个采样点进行一条或多条光线的追踪，由此产生的缺陷会以噪声的形式出现，即像素随机性地出现太黑或太亮的情况，导致实时渲染中出现闪烁现象，影响渲染的质量，因此在步骤S20中，采用式(9)替代了式(6)的光照分布函数，改进了BRDF光照模型中的光照分布函数，α值越小越粗糙，越大越光滑，Trowbridge-Reitz分布函数将原有BRDF光照模型中的幂次方降为平方，降低了计算复杂度，减少了运行时的内存开销，提高了运算速度；由于Trowbridge-Reitz分布函数在高光中心处的光线衰减速度较快，在远离高光中心后光线衰减速度缓慢，所以在高光亮度一定时，受光面积大，表达出的光线更为柔和圆润，更接近彩色陶瓷实际的光泽；因此本步骤得到改进的多层BRDF光照模型，对陶瓷进行渲染时，使得陶瓷表面高光区域的光线变得圆润且具有能表现出非均匀的特性，较好地反映了陶瓷复杂的形态和历史痕迹。

通过步骤S30，解决将整个亮度域线性压缩到照片所能表达的亮度域内会使明暗两端丢失很多细节的问题，这样既保证细节不丢失，也可以不使照片失真；通过外部可控变量允许用户控制计算机显示画面的明暗度，防止了重建模型表面光线细节的丢失，使得光照过渡真实而自然；添加高动态图像渲染后陶瓷表面呈现的光照效果更贴近人眼的视觉感受。

下面通过对两组高反光物体三维建模效果的性能分析，来进一步说明本方法的技术效果。

陶瓷表面经高温焙烧形成了玻璃质反光薄层，是多层非均匀材质的典型代表，以陶瓷品作为本发明方法的第一组实验对象。图2为多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法中的梅瓶的渲染过程图，以龙纹青花瓷梅瓶为渲染对象，其中图2a为原始图像，图2b、2c是重建过程中获得的三维网格模型、纹理贴图，图2e为重建后的三维模型，图2e由于高光信息丢失，梅瓶光照表现暗淡，为了恢复重建模型的真实光感，本实施例在渲染过程中采用如图2d所示的多层光照模型及预计算的厚度贴图来进行处理，得到的渲染效果如图2f所示的呈现光照效果的龙纹青花瓷梅瓶模型。通过图2a与图2f的对比，可以看出经过本实施例的多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法处理后的模型效果图贴近实际，在视觉效果上，表达出了梅瓶的非均匀明暗层次感，高光区呈现的光线也变得圆润。图3中，3a为梅瓶原始照片的局部细节图，图3b本发明方法渲染后梅瓶模型相对应的局部细节效果图，通过比较可以发现本发明方法处理形成的模型能够很好地恢复出原始模型的明暗细节，纹理光感渲染效果理想，其光线过渡柔和，贴近人眼的视觉感受及现实效果。

第二组实验对象为景泰蓝作品，它是我国著名的物质文化遗产，经过100多道工序制作而成，工艺复杂，材质多样，色彩斑斓。采用本发明的方法进行实时渲染的模型与多层材质均匀分层的方法实时渲染的模型、经典光照模型以及光线跟踪模型分别进行了对比实验和分析。如图4所示，图4a为景泰蓝作品的原始照片图像，图4b为图像重建后的景泰蓝作品三维模型图，图4c为景泰蓝作品多层材质均匀分层模型图的渲染效果，图4d为景泰蓝作品经典光照模型渲染效果图，图4e为景泰蓝作品光线跟踪模型渲染效果图，图4f为景泰蓝作品经本发明方法的渲染效果图，由图4中的对比可见，多层材质均匀分层模型渲染得到的光线分布非常均匀；图4d经典光照模型增强了镜面反射的表现力，但高光区过于饱和；图4e的光线跟踪模型渲染过程中计算量巨大，而渲染后的高光区域范围过大。通过以上实验对比可见，本专利的渲染效果更接近真实感且实用。

表1为本发明方法在不同片面下的渲染速率，在不同片面数的情况下进行了帧速测量，在实时性方面，一般帧速率不小于每秒8帧才能生成平滑连贯的动画效果，而每秒12帧的速率为人眼延时达到实时交互的最低帧速率，通常电影的帧速率为24帧/秒。

表1：

模型片面数(k)	帧速率(FPS)
		10k	200
130k	135
		1200k	75
2000k	40

从表1可见，当绘制模型片面数达到200万(极高精度模型)时采用本发明方法渲染的帧速率仍然能够达到每秒40帧左右，为人眼实时交互最低帧速率的三倍以上，满足了实时渲染绘制的需要。

综上所述，本发明方法既能够表现多层非均匀材质的真实光感，同时具备了良好的实时渲染速率。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多层非均匀材质反光物体的实时渲染方法，其特征在于，采用BRDF光照模型作为层状部件来模拟次表面多层均匀材质的物理叠加，假设：

1)任意微表面层有足够长的水平范围；

2)下一层微表面所有光线由本层的入射光线生成；

3)下一层微表面的入射光线由上一层的折射光线产生；

4)所有光线的散射发生在层与层的边界，各个层内不发生散射；

多层非均匀材质分解为多个微表面，由式(1)计算得出陶瓷花瓶的多层材质表面叠加的光强F_N：

F_N＝F₁+F₂·T·a·t (1)

其中，F₁、F₂表示上、下微表面光照反射模型的光强，分别采用Torrance-Sparrow镜面反射模型及Oren-Nayar漫反射模型进行模拟形成，是由无数个绝对光滑的微小表面组成，T为透射系数，a为吸收项，t为衰减项；

所述方法包括如下步骤:

S10：采用预烘焙厚度贴图的方法描述陶瓷釉面的非均匀性；

S20：得出顶点光照强度计算公式及改进的BRDF光照模型中的光照分布函数；

S30：采用高动态图像HDR进行明暗调节来模拟陶瓷表面光线的柔和过渡；其中，

在步骤S10中，所述的采用预烘焙厚度贴图的方法描述陶瓷釉面的非均匀性，具体步骤如下：

S11：在立体匹配后生成的网格模型上翻转物体表面法线向量；

S12：利用3D工具烘焙AO贴图，贴图中闭塞信息多的地方默认为厚度较薄；

S13：翻转顶点颜色存储贴图，该贴图即为厚度贴图；

在步骤S20中，所述的改进的BRDF光照模型，用Trowbridge-Reitz分布函数作为镜面高光项呈现陶瓷釉面圆润的高光效果，具体步骤如下：

S21：将反光物体的三维重建模型中顶点的光照强度定义为式(6)：

F₀＝F_ambdiff+F_N (6)

其中，式(6)中F₀为物体的顶点的光照强度，F_ambdiff为物体的环境反射的光强，F_N为多层材质表面叠加的光强；

S22：在现有的BRDF光照模型中，采用如式(8)所示的Trowbridge-Reitz分布函数来作为光照分布函数D：

式(8)中，α表示表面粗糙程度，h为半角向量，n为法向量；

在步骤S30中，所述的采用高动态图像HDR进行明暗调节来模拟陶瓷表面光线的柔和过渡，具体步骤如下：

S31：对模型表面添加镜面高光项使之呈现陶瓷釉面圆润的高光效果后；

S32：再运用高动态图像线性地记录亮度信息，所述高动态图像的每一个像素除了普通的RGB信息，还有该点实际的亮度信息，在线性地记录亮度信息时对色调映射进行调节，色调映射允许用户控制一个合适的人眼亮度域，其中人眼亮度域的控制量L满足式(10)；

式(10)中，L_input为输入的光线，middleGrey为全屏幕或部分屏幕的中间灰度，用于控制屏幕的亮度，avgLogLuminance为全屏幕或部分屏幕的亮度的对数的平均值。

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