真實(shí)感圖形繪制技術(shù)研究論文
一、引言
隨著虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大及應(yīng)用內(nèi)容的復(fù)雜化，尤其近兩年網(wǎng)絡(luò)圖形技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形已深入到人們的日常工作、學(xué)習(xí)、生活中，真實(shí)感圖形實(shí)時(shí)繪制技術(shù)的需求急劇增加，使其成為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。以下我們主要介紹基于圖像、點(diǎn)和圖形與圖像相結(jié)合這三種圖形繪制技術(shù)。
二、基于圖像的繪制技術(shù)
基于圖像的圖形繪制技術(shù)是從采樣圖像序列生成新視景圖像的過程。首先在源場景中確定一系列的采樣視點(diǎn)和采樣方向，然后進(jìn)行圖像采樣，并對得到的圖像序列進(jìn)行變換、組織，生成圖像流場。依據(jù)觀察者在虛擬場景中的位置和觀察方向再從圖像流場中檢索生成新視景所需的光線信息從而恢復(fù)出圖像。源場景可以是實(shí)景, 也可以是計(jì)算機(jī)合成場景, 且二者可以混合使用。
基于圖像的圖形繪制技術(shù)的理論基礎(chǔ)是全光函數(shù)。全光函數(shù)為一參數(shù)化函數(shù)， 定義了空間任一視點(diǎn)處，在任何時(shí)刻和任一波長范圍內(nèi)的所有可見信息。用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的術(shù)語，它描述了給定場景中所有可能的環(huán)境映照集合。
對空間中的任一視點(diǎn)，從該視點(diǎn)出發(fā)的任一視線均可用球面角和定義。若記光波長為X，則在T時(shí)刻，視點(diǎn)V處的全光函數(shù)定義為：
全光函數(shù)刻畫了一給定場景中任一點(diǎn)處的環(huán)境映照，因而，它以圖像形式給出了場景的精確描述。將視點(diǎn)，和球面角，及時(shí)刻代入全光函數(shù)的定義式中，即可生成一幀給定視點(diǎn)沿特定方向的視圖。這一過程實(shí)際上是對全光函數(shù)的采樣，所得視圖為全光函數(shù)的一個(gè)樣本。于是，基于圖像的圖形繪制問題可描述為：從給定全光函數(shù)的離散樣本集合中重構(gòu)連續(xù)的全光函數(shù)，然后，在新的視點(diǎn)位置重新采樣該函數(shù)來繪制新的視圖。即基于圖像的圖形繪制過程其實(shí)是全光函數(shù)的采樣、重建和重采樣過程。
由全光函數(shù)的定義可知，一般意義上的全光函數(shù)是7維的，需要采樣的圖像信息量很大，因此，直接構(gòu)造全光函數(shù)往往非常困難。在實(shí)際應(yīng)用中, 針對具體
的應(yīng)用需求，我們可以合理地簡化全光函數(shù)，以達(dá)到要求的實(shí)時(shí)繪制圖像的效果。
我們通過限制觀察者在一些離散的給定點(diǎn)觀察場景，并忽略維全光函數(shù)中的波長、時(shí)間等其他參數(shù)，便得到一個(gè)維的全光函數(shù)：
其中, 、分別對應(yīng)于相機(jī)在固定視點(diǎn)的水平觀察方向和鏡頭的焦距。這是一種最簡單的全光函數(shù)表達(dá)，又稱為基于全景圖集合的方法。
三、基于點(diǎn)的繪制技術(shù)
物體表面幾何細(xì)分的極限是點(diǎn)，點(diǎn)模型用從幾何體表面密集采樣得到的離散點(diǎn)用來隱式地表示物體的表面。與傳統(tǒng)的三角網(wǎng)格模型相比，點(diǎn)模型最顯著的特點(diǎn)就是它不包含任何拓?fù)湫畔ⅲ琰c(diǎn)與點(diǎn)之間的連接關(guān)系及點(diǎn)的鄰域信息等，因此常被用來構(gòu)建幾何體難以描述的“軟”物體(如煙、云、灰塵、火焰、水和樹等)。
基于點(diǎn)的繪制技術(shù)將點(diǎn)作為繪制基本元素。通過適當(dāng)?shù)牟蓸樱瑘鼍皩ο蟊槐硎境梢唤M密集的表面采樣點(diǎn)，與這些點(diǎn)一起存儲(chǔ)的還有點(diǎn)的顏色、深度和表面法向量等信息，根據(jù)這些點(diǎn)的信息經(jīng)過表面重構(gòu)，生成連續(xù)表面而非離散點(diǎn)云構(gòu)成的真實(shí)感圖形。使用點(diǎn)的幾何信息，加上基于點(diǎn)的光照、紋理、陰影等處理就可得到真實(shí)感圖形。由于保存了點(diǎn)及其幾何信息，并且點(diǎn)的采樣與視點(diǎn)無關(guān)，所以，基于點(diǎn)的某些處理過程可以從繪制過程分離，并經(jīng)過一次采樣后，可以進(jìn)行多次不同視角的場景繪制，這樣就提高了繪制速度，達(dá)到交互實(shí)時(shí)繪制的目的。
點(diǎn)繪制技術(shù)要注意三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
1. 存儲(chǔ)效率。基于點(diǎn)的繪制方法只要求存儲(chǔ)點(diǎn)的幾何信息，而不需要點(diǎn)與點(diǎn)間的連接結(jié)構(gòu)信息，看上去存儲(chǔ)效率似乎高，其實(shí)不然。因?yàn)橛命c(diǎn)表示場景所需要的采樣點(diǎn)比多邊形網(wǎng)格多的多，因此，如何有效存儲(chǔ)這些點(diǎn)是要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。
2. 繪制性能。這是采用基于點(diǎn)繪制技術(shù)的主要?jiǎng)訖C(jī)，當(dāng)場景高度復(fù)雜，構(gòu)成場景的三角片在屏幕投影比一個(gè)象素還小時(shí)，繪制單個(gè)點(diǎn)會(huì)更加有效。當(dāng)前基于軟件實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)繪制算法和部分硬件加速算法都以提高繪制性能為其目標(biāo)之一。
3. 繪制質(zhì)量。點(diǎn)繪制技術(shù)最關(guān)鍵的工作是由離散點(diǎn)在屏幕重構(gòu)沒有空洞的連續(xù)表面。給定一組表面采樣點(diǎn)，可以方便地把它們由物體空間轉(zhuǎn)換到屏幕空間，并映射到屏幕象素，當(dāng)多個(gè)表面的采樣點(diǎn)映射到一個(gè)屏幕象素時(shí)，通過多種方法可以解決可見性問題，但困難在于，一個(gè)表面的采樣點(diǎn)并不能映射到這個(gè)表面在屏幕上的所有象素，因而可能產(chǎn)生空洞。 解決這一問題的不同途徑產(chǎn)生了目前各種各樣的繪制方法，并且仍是進(jìn)一步研究的關(guān)鍵。
四、基于圖形與圖像的混合繪制技術(shù)
基于幾何模型的繪制方法和基于圖像的繪制方法在解決通用平臺(tái)實(shí)時(shí)真實(shí)感繪制問題上均存在著局限性，這使研究者開始考慮將兩者結(jié)合起來，互補(bǔ)長短，尋找達(dá)到目標(biāo)的新途徑。
所謂混合繪制，指的就是同時(shí)采用幾何及圖像作為基本元素來繪制畫面的技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)地將部分場景簡化為映射到簡單幾何體上的紋理圖像，若簡化引起的誤差小于給定閾值，就直接利用紋理圖像取代原場景幾何來繪制畫面。簡單幾何面置于被簡化景物的中心，而簡化誤差被嚴(yán)格控制在給定的閾值內(nèi)。這種繪制技術(shù)可以在一定誤差條件下，以較小的代價(jià)來快速生成場景畫面，同時(shí)仍保持正確的前后排序，所生成的圖形質(zhì)量也很高。
混合繪制最明顯的應(yīng)用是采用環(huán)境映照來表示遠(yuǎn)距離景物，如天空、山脈等，而近距離景物則采用傳統(tǒng)幾何繪制模式。該技術(shù)在各種模擬器的動(dòng)態(tài)仿真及三維游戲中得到了廣泛的應(yīng)用，它可在一定誤差條件下，以較少的代價(jià)來快速生成場景畫面。但由于不論視點(diǎn)在何位置，對整個(gè)場景均取統(tǒng)一的環(huán)境映照，因而所生成的圖像存在著較大的誤差。
1996年，Shade等人提出了層次圖像存儲(chǔ)算法。該算法的基本出發(fā)點(diǎn)是，當(dāng)景物離視點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，在前后兩幀畫面上投影位置的變化非常小。因此，若將這些遠(yuǎn)距離景物在前一幀畫面中的投影圖像存儲(chǔ)起來，并以該圖像作為紋理映射到一簡單幾何體上，以近似取代該景物在其后續(xù)畫面中的繪制，就能有效地減少當(dāng)前視域中的可見面片，從而極大地提高畫面的繪制效率。但是，當(dāng)場景中有很多可見景物時(shí)，利用上述方法將產(chǎn)生非常多的紋理圖像，需占用大量存儲(chǔ)空間。為此，Shade等人利用二叉剖分技術(shù)對場景進(jìn)行層次剖分，每 個(gè)節(jié)點(diǎn)中的.所有景物根據(jù)其距離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近，動(dòng)態(tài)地在幾何描述和紋理圖像之間切換。這一算法的主要貢獻(xiàn)在于給出了一種紋理表示與原景物幾何描述間的誤差估計(jì)，并給出了視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的安全區(qū)域。但該算法由于采用從后至前的繪制順序來生成畫面，因而對于高度復(fù)雜的場景，算法的效率將受到嚴(yán)重的影響。
為了提高繪制精度，Sillion等利用帶紋理的多邊形網(wǎng)格來逼近遠(yuǎn)距離景物，而近景則仍采用傳統(tǒng)的幾何繪制技術(shù)。考慮到對于高度復(fù)雜場景來說，將遠(yuǎn)距離景物簡經(jīng)成其紋理表示仍是一個(gè)非常耗時(shí)的過程，Sillion等采用預(yù)處理的方法來生成在不同視點(diǎn)范圍處的遠(yuǎn)景紋理圖像網(wǎng)格。與Shade的算法相比，這一算法具有更高的逼近精度。
后來，Snyder等人推出了一種新的動(dòng)態(tài)場景自動(dòng)分層技術(shù)，該技術(shù)基于K-d 樹結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)的Newell消隱算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)適合于動(dòng)態(tài)場景的空間剖分技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)場墳的自動(dòng)排序和分層。
五、結(jié)論與展望
基于圖像的繪制技術(shù)擺脫了處理復(fù)雜幾何建模的困難, 通過與計(jì)算機(jī)視覺、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的結(jié)合將得到更快更好的發(fā)展。
基于點(diǎn)的繪制技術(shù)各類方法中，基于高斯濾波的表面足跡法呈現(xiàn)好的圖象品質(zhì)，可作為重點(diǎn)研究內(nèi)容。如對采樣模型中尖銳特征的繪制及采用硬件加速提高高品質(zhì)圖形的繪制速度。具有PHONG明暗著色的表面繪制，因基于變化的法向量，如何由離散點(diǎn)信息獲取它們的值，也有許多新方法、新技術(shù)有待深入研究和開發(fā)。當(dāng)前各種多分辨層次模型常專門針對某一種特定繪制算法，并且是不可交換使用的，如何設(shè)計(jì)有效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，以及在存儲(chǔ)點(diǎn)的基本信息的同時(shí)，增加點(diǎn)的不透明度、曲率、散射函數(shù)等輔助信息仍值得研究。另外，在基于點(diǎn)的繪制技術(shù)中，由于點(diǎn)與點(diǎn)之間繪制次序的獨(dú)立性，點(diǎn)繪制方法的并行實(shí)現(xiàn)對提高繪制質(zhì)量和繪制速度將更加可行和有效，基于點(diǎn)的并行繪制也是值得研究的問題。
由于混合繪制技術(shù)研究還剛剛起步，還有待在下列問題或方面進(jìn)一步研究和發(fā)展：
1. 有效的數(shù)據(jù)表示。為了達(dá)到基于圖像的實(shí)時(shí)繪制，人們常常要在真實(shí)感和實(shí)
時(shí)性之間做權(quán)衡。許多系統(tǒng)不得不決定采用多少幾何和多少圖像；這樣為了同時(shí)提高真實(shí)感和實(shí)時(shí)性，必須采取有效的數(shù)據(jù)表示。例如在繪制時(shí)采用從壓縮數(shù)據(jù)直接繪制以及多分辨率表示，有效地節(jié)約了存取開銷，同時(shí)又不影響繪制速度和真實(shí)感。
2. 重建景物表面的光照屬性。目前大多數(shù)圖像繪制算法都是假設(shè)景物表面為漫射表面，且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，場院景的光照情況保持不變。顯然，這種假設(shè)是理想化的，與實(shí)際應(yīng)用具有很大的差距。因此，圖像繪制必須在重建三維幾何的同時(shí)也重建景物表面的光照屬性。
3. 動(dòng)態(tài)環(huán)境的繪制。直到目前為止，大多數(shù)基于圖像的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)方法都是
集中于靜態(tài)環(huán)境。隨著視頻技術(shù)的發(fā)展，人們希望基于圖像的實(shí)時(shí)繪制技術(shù)也能夠應(yīng)用到動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)環(huán)境的繪制。這樣必須研究：采樣（應(yīng)該捕獲多少幅圖片）和壓縮（怎樣減少數(shù)據(jù)量）。
參考文獻(xiàn)：
馮月萍，鐘慧湘. 基于離散點(diǎn)的點(diǎn)域繪制方法.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)，2004
彭群生、鮑虎軍、金小剛. 計(jì)算機(jī)真實(shí)感圖形的算法基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，1999
徐丹、潘志庚、石教英. 虛擬現(xiàn)實(shí)中基于圖像的繪制技術(shù)，《中國圖像圖形學(xué)報(bào)》，1998
鄭新. 基于圖像的快速繪制技術(shù)的研究.博士學(xué)位論文.中國科學(xué)院軟件研究所，2001
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