真實感圖形繪制技術(shù)研究論文
一、引言
隨著虛擬現(xiàn)實應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴大及應(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，計算機真實感圖形已深入到人們的日常工作、學(xué)習(xí)、生活中，真實感圖形實時繪制技術(shù)的需求急劇增加，使其成為計算機圖形學(xué)的一項重要研究內(nèi)容。以下我們主要介紹基于圖像、點和圖形與圖像相結(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和采樣方向，然后進行圖像采樣，并對得到的圖像序列進行變換、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。源場景可以是實景, 也可以是計算機合成場景, 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處，在任何時刻和任一波長范圍內(nèi)的所有可見信息。用計算機圖形學(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，從該視點出發(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時刻，視點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，和球面角，及時刻代入全光函數(shù)的定義式中，即可生成一幀給定視點沿特定方向的視圖。這一過程實際上是對全光函數(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)，以達到要求的實時繪制圖像的效果。
我們通過限制觀察者在一些離散的給定點觀察場景，并忽略維全光函數(shù)中的波長、時間等其他參數(shù)，便得到一個維的全光函數(shù)：
其中, 、分別對應(yīng)于相機在固定視點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，又稱為基于全景圖集合的方法。
三、基于點的繪制技術(shù)
物體表面幾何細分的極限是點，點模型用從幾何體表面密集采樣得到的離散點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，點模型最顯著的特點就是它不包含任何拓撲信息，如點與點之間的連接關(guān)系及點的鄰域信息等，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)。
基于點的繪制技術(shù)將點作為繪制基本元素。通過適當?shù)牟蓸�，場景對象被表示成一組密集的表面采樣點，與這些點一起存儲的還有點的顏色、深度和表面法向量等信息，根據(jù)這些點的信息經(jīng)過表面重構(gòu)，生成連續(xù)表面而非離散點云構(gòu)成的真實感圖形。使用點的幾何信息，加上基于點的光照、紋理、陰影等處理就可得到真實感圖形。由于保存了點及其幾何信息，并且點的采樣與視點無關(guān)，所以，基于點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，可以進行多次不同視角的場景繪制，這樣就提高了繪制速度，達到交互實時繪制的目的。
點繪制技術(shù)要注意三個關(guān)鍵點：
1. 存儲效率�；邳c的繪制方法只要求存儲點的幾何信息，而不需要點與點間的連接結(jié)構(gòu)信息，看上去存儲效率似乎高，其實不然。因為用點表示場景所需要的采樣點比多邊形網(wǎng)格多的多，因此，如何有效存儲這些點是要解決的一個關(guān)鍵問題。
2. 繪制性能。這是采用基于點繪制技術(shù)的主要動機，當場景高度復(fù)雜，構(gòu)成場景的三角片在屏幕投影比一個象素還小時，繪制單個點會更加有效。當前基于軟件實現(xiàn)的點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。點繪制技術(shù)最關(guān)鍵的工作是由離散點在屏幕重構(gòu)沒有空洞的連續(xù)表面。給定一組表面采樣點，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，當多個表面的采樣點映射到一個屏幕象素時，通過多種方法可以解決可見性問題，但困難在于，一個表面的采樣點并不能映射到這個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時真實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，互補長短，尋找達到目標的新途徑。
所謂混合繪制，指的就是同時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)一定的標準，動態(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，以較小的代價來快速生成場景畫面，同時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，以較少的代價來快速生成場景畫面。但由于不論視點在何位置，對整個場景均取統(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算法。該算法的基本出發(fā)點是，當景物離視點較遠時，在前后兩幀畫面上投影位置的變化非常小。因此，若將這些遠距離景物在前一幀畫面中的投影圖像存儲起來，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，當場景中有很多可見景物時，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)對場景進行層次剖分，每 個節(jié)點中的.所有景物根據(jù)其距離視點的遠近，動態(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，并給出了視點運動的安全區(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，將遠距離景物簡經(jīng)成其紋理表示仍是一個非常耗時的過程，Sillion等采用預(yù)處理的方法來生成在不同視點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，Snyder等人推出了一種新的動態(tài)場景自動分層技術(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)計了一個適合于動態(tài)場景的空間剖分技術(shù)，進而實現(xiàn)了動態(tài)場墳的自動排序和分層。
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, 通過與計算機視覺、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的結(jié)合將得到更快更好的發(fā)展。
基于點的繪制技術(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)計有效的數(shù)據(jù)存儲方式，以及在存儲點的基本信息的同時，增加點的不透明度、曲率、散射函數(shù)等輔助信息仍值得研究。另外，在基于點的繪制技術(shù)中，由于點與點之間繪制次序的獨立性，點繪制方法的并行實現(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一步研究和發(fā)展：
1. 有效的數(shù)據(jù)表示。為了達到基于圖像的實時繪制，人們常常要在真實感和實
時性之間做權(quán)衡。許多系統(tǒng)不得不決定采用多少幾何和多少圖像；這樣為了同時提高真實感和實時性，必須采取有效的數(shù)據(jù)表示。例如在繪制時采用從壓縮數(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，同時又不影響繪制速度和真實感。
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，且在整個運動過程中，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也重建景物表面的光照屬性。
3. 動態(tài)環(huán)境的繪制。直到目前為止，大多數(shù)基于圖像的實時繪制技術(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時繪制技術(shù)也能夠應(yīng)用到動態(tài)動態(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：
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