真實(shí)感圖形繪制技術(shù)研究論文
一、引言
隨著(zhù)虛擬現實(shí)應用領(lǐng)域的日益擴大及應用內容的復雜化，尤其近兩年網(wǎng)絡(luò )圖形技術(shù)的高速發(fā)展，計算機真實(shí)感圖形已深入到人們的日常工作、學(xué)習、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，使其成為計算機圖形學(xué)的一項重要研究?jì)热�。以下我們主要介紹基于圖像、點(diǎn)和圖形與圖像相結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，并對得到的圖像序列進(jìn)行變換、組織，生成圖像流場(chǎng)。依據觀(guān)察者在虛擬場(chǎng)景中的位置和觀(guān)察方向再從圖像流場(chǎng)中檢索生成新視景所需的光線(xiàn)信息從而恢復出圖像。源場(chǎng)景可以是實(shí)景, 也可以是計算機合成場(chǎng)景, 且二者可以混合使用。
基于圖像的圖形繪制技術(shù)的理論基礎是全光函數。全光函數為一參數化函數， 定義了空間任一視點(diǎn)處，在任何時(shí)刻和任一波長(cháng)范圍內的所有可見(jiàn)信息。用計算機圖形學(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。
對空間中的任一視點(diǎn)，從該視點(diǎn)出發(fā)的任一視線(xiàn)均可用球面角和定義。若記光波長(cháng)為X，則在T時(shí)刻，視點(diǎn)V處的全光函數定義為：
全光函數刻畫(huà)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)際上是對全光函數的采樣，所得視圖為全光函數的一個(gè)樣本。于是，基于圖像的圖形繪制問(wèn)題可描述為：從給定全光函數的離散樣本集合中重構連續的全光函數，然后，在新的視點(diǎn)位置重新采樣該函數來(lái)繪制新的視圖。即基于圖像的圖形繪制過(guò)程其實(shí)是全光函數的采樣、重建和重采樣過(guò)程。
由全光函數的定義可知，一般意義上的全光函數是7維的，需要采樣的圖像信息量很大，因此，直接構造全光函數往往非常困難。在實(shí)際應用中, 針對具體
的應用需求，我們可以合理地簡(jiǎn)化全光函數，以達到要求的實(shí)時(shí)繪制圖像的效果。
我們通過(guò)限制觀(guān)察者在一些離散的給定點(diǎn)觀(guān)察場(chǎng)景，并忽略維全光函數中的波長(cháng)、時(shí)間等其他參數，便得到一個(gè)維的全光函數：
其中, 、分別對應于相機在固定視點(diǎn)的水平觀(guān)察方向和鏡頭的焦距。這是一種最簡(jiǎn)單的全光函數表達，又稱(chēng)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。與傳統的三角網(wǎng)格模型相比，點(diǎn)模型最顯著(zhù)的特點(diǎn)就是它不包含任何拓撲信息，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)適當的采樣，場(chǎng)景對象被表示成一組密集的表面采樣點(diǎn)，與這些點(diǎn)一起存儲的還有點(diǎn)的顏色、深度和表面法向量等信息，根據這些點(diǎn)的信息經(jīng)過(guò)表面重構，生成連續表面而非離散點(diǎn)云構成的真實(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. 存儲效率�；邳c(diǎn)的繪制方法只要求存儲點(diǎn)的幾何信息，而不需要點(diǎn)與點(diǎn)間的連接結構信息，看上去存儲效率似乎高，其實(shí)不然。因為用點(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)的主要動(dòng)機，當場(chǎng)景高度復雜，構成場(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。當前基于軟件實(shí)現的點(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)在屏幕重構沒(méi)有空洞的連續表面。給定一組表面采樣點(diǎn)，可以方便地把它們由物體空間轉換到屏幕空間，并映射到屏幕象素，當多個(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實(shí)時(shí)真實(shí)感繪制問(wèn)題上均存在著(zhù)局限性，這使研究者開(kāi)始考慮將兩者結合起來(lái)，互補長(cháng)短，尋找達到目標的新途徑。
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(huà)面的技術(shù)。該技術(shù)根據一定的標準，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(huà)面。簡(jiǎn)單幾何面置于被簡(jiǎn)化景物的中心，而簡(jiǎn)化誤差被嚴格控制在給定的閾值內。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(huà)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用是采用環(huán)境映照來(lái)表示遠距離景物，如天空、山脈等，而近距離景物則采用傳統幾何繪制模式。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(huà)面。但由于不論視點(diǎn)在何位置，對整個(gè)場(chǎng)景均取統一的環(huán)境映照，因而所生成的圖像存在著(zhù)較大的誤差。
1996年，Shade等人提出了層次圖像存儲算法。該算法的基本出發(fā)點(diǎn)是，當景物離視點(diǎn)較遠時(shí)，在前后兩幀畫(huà)面上投影位置的變化非常小。因此，若將這些遠距離景物在前一幀畫(huà)面中的投影圖像存儲起來(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畫(huà)面中的繪制，就能有效地減少當前視域中的可見(jiàn)面片，從而極大地提高畫(huà)面的繪制效率。但是，當場(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，需占用大量存儲空間。為此，Shade等人利用二叉剖分技術(shù)對場(chǎng)景進(jìn)行層次剖分，每 個(gè)節點(diǎn)中的.所有景物根據其距離視點(diǎn)的遠近，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，并給出了視點(diǎn)運動(dòng)的安全區域。但該算法由于采用從后至前的繪制順序來(lái)生成畫(huà)面，因而對于高度復雜的場(chǎng)景，算法的效率將受到嚴重的影響。
為了提高繪制精度，Sillion等利用帶紋理的多邊形網(wǎng)格來(lái)逼近遠距離景物，而近景則仍采用傳統的幾何繪制技術(shù)�？紤]到對于高度復雜場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，將遠距離景物簡(jiǎn)經(jīng)成其紋理表示仍是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，Sillion等采用預處理的方法來(lái)生成在不同視點(diǎn)范圍處的遠景紋理圖像網(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)結構及傳統的Newell消隱算法，設計了一個(gè)適合于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的空間剖分技術(shù)，進(jìn)而實(shí)現了動(dòng)態(tài)場(chǎng)墳的自動(dòng)排序和分層。
五、結論與展望
基于圖像的繪制技術(shù)擺脫了處理復雜幾何建模的困難, 通過(guò)與計算機視覺(jué)、虛擬現實(shí)等技術(shù)的結合將得到更快更好的發(fā)展。
基于點(diǎn)的繪制技術(shù)各類(lèi)方法中，基于高斯濾波的表面足跡法呈現好的圖象品質(zhì)，可作為重點(diǎn)研究?jì)热�。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(zhù)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)。當前各種多分辨層次模型常專(zhuān)門(mén)針對某一種特定繪制算法，并且是不可交換使用的，如何設計有效的數據存儲方式，以及在存儲點(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)之間繪制次序的獨立性，點(diǎn)繪制方法的并行實(shí)現對提高繪制質(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(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. 有效的數據表示。為了達到基于圖像的實(shí)時(shí)繪制，人們常常要在真實(shí)感和實(shí)
時(shí)性之間做權衡。許多系統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，必須采取有效的數據表示。例如在繪制時(shí)采用從壓縮數據直接繪制以及多分辨率表示，有效地節約了存取開(kāi)銷(xiāo)，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。目前大多數圖像繪制算法都是假設景物表面為漫射表面，且在整個(gè)運動(dòng)過(guò)程中，場(chǎng)院景的光照情況保持不變。顯然，這種假設是理想化的，與實(shí)際應用具有很大的差距。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(zhù)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（應該捕獲多少幅圖片）和壓縮（怎樣減少數據量）。
參考文獻：
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