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?jī)?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(guò)程。首先在源場(chǎng)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(duì)得到的圖像序列進(jìn)行變換、組織，生成圖像流場(chǎng)。依據(jù)觀察者在虛擬場(chǎng)景中的位置和觀察方向再?gòu)膱D像流場(chǎng)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(chǎng)景可以是實(shí)景, 也可以是計(jì)算機(jī)合成場(chǎng)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(zhǎng)范圍內(nèi)的所有可見(jiàn)信息。用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的術(shù)語(yǔ)，它描述了給定場(chǎng)景中所有可能的環(huán)境映照集合。
對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)程實(shí)際上是對(duì)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(wèn)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(lái)繪制新的視圖。即基于圖像的圖形繪制過(guò)程其實(shí)是全光函數(shù)的采樣、重建和重采樣過(guò)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(duì)具體
的應(yīng)用需求，我們可以合理地簡(jiǎn)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(guò)限制觀察者在一些離散的給定點(diǎn)觀察場(chǎng)景，并忽略維全光函數(shù)中的波長(zhǎng)、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(duì)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(jiǎn)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(lái)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�，如點(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(lái)構(gòu)建幾何體難以描述的“軟”物體(如煙、云、灰塵、火焰、水和樹(shù)等)。
基于點(diǎn)的繪制技術(shù)將點(diǎn)作為繪制基本元素。通過(guò)適當(dāng)?shù)牟蓸樱瑘?chǎng)景對(duì)象被表示成一組密集的表面采樣點(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(guò)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(wú)關(guān)，所以，基于點(diǎn)的某些處理過(guò)程可以從繪制過(guò)程分離，并經(jīng)過(guò)一次采樣后，可以進(jìn)行多次不同視角的場(chǎng)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�；邳c(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(chǎng)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(wèn)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(chǎng)景高度復(fù)雜，構(gòu)成場(chǎng)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(méi)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(guò)多種方法可以解決可見(jiàn)性問(wèn)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(wèn)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(wèn)題上均存在著局限性，這使研究者開(kāi)始考慮將兩者結(jié)合起來(lái)，互補(bǔ)長(zhǎng)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(lái)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(chǎng)景簡(jiǎn)化為映射到簡(jiǎn)單幾何體上的紋理圖像，若簡(jiǎn)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(chǎng)景幾何來(lái)繪制畫面。簡(jiǎn)單幾何面置于被簡(jiǎn)化景物的中心，而簡(jiǎn)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(lái)快速生成場(chǎng)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(lái)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(lái)快速生成場(chǎng)景畫面。但由于不論視點(diǎn)在何位置，對(duì)整個(gè)場(chǎng)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(lái)，并以該圖像作為紋理映射到一簡(jiǎn)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(jiàn)面片，從而極大地提高畫面的繪制效率。但是，當(dāng)場(chǎng)景中有很多可見(jiàn)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(duì)場(chǎng)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(lái)生成畫面，因而對(duì)于高度復(fù)雜的場(chǎng)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(lái)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(duì)于高度復(fù)雜場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，將遠(yuǎn)距離景物簡(jiǎn)經(jīng)成其紋理表示仍是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，Sillion等采用預(yù)處理的方法來(lái)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(lái)，Snyder等人推出了一種新的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景自動(dòng)分層技術(shù)，該技術(shù)基于K-d 樹(shù)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(chǎng)景的空間剖分技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)場(chǎng)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(guò)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、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?jī)?nèi)容。如對(duì)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(kāi)發(fā)。當(dāng)前各種多分辨層次模型常專門針對(duì)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(duì)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(wèn)題。
由于混合繪制技術(shù)研究還剛剛起步，還有待在下列問(wèn)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(kāi)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(guò)程中，場(chǎng)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）。
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