真實感圖形繪製技術研究論文
真實感圖形繪製技術研究論文
一、引言
隨著虛擬現實應用領域的日益擴大及應用內容的複雜化，尤其近兩年網路圖形技術的高速發展，計算機真實感圖形已深入到人們的日常工作、學習、生活中，真實感圖形實時繪製技術的需求急劇增加，使其成為計算機圖形學的一項重要研究內容。以下我們主要介紹基於影象、點和圖形與影象相結合這三種圖形繪製技術。
二、基於影象的繪製技術
基於影象的圖形繪製技術是從取樣影象序列生成新視景影象的過程。首先在源場景中確定一系列的取樣視點和取樣方向，然後進行影象取樣，並對得到的影象序列進行變換、組織，生成影象流場。依據觀察者在虛擬場景中的位置和觀察方向再從影象流場中檢索生成新視景所需的光線資訊從而恢復出影象。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。
基於影象的圖形繪製技術的理論基礎是全光函式。全光函式為一引數化函式， 定義了空間任一視點處，在任何時刻和任一波長範圍內的所有可見資訊。用計算機圖形學的術語，它描述了給定場景中所有可能的環境映照集合。
對空間中的任一視點，從該視點出發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處的全光函式定義為：
全光函式刻畫了一給定場景中任一點處的環境映照，因而，它以影象形式給出了場景的精確描述。將視點，和球面角，及時刻代入全光函式的定義式中，即可生成一幀給定視點沿特定方向的檢視。這一過程實際上是對全光函式的取樣，所得檢視為全光函式的一個樣本。於是，基於影象的圖形繪製問題可描述為：從給定全光函式的離散樣本集合中重構連續的全光函式，然後，在新的視點位置重新取樣該函式來繪製新的檢視。即基於影象的圖形繪製過程其實是全光函式的取樣、重建和重取樣過程。
由全光函式的定義可知，一般意義上的全光函式是7維的，需要取樣的影象資訊量很大，因此，直接構造全光函式往往非常困難。在實際應用中, 針對具體
的應用需求，我們可以合理地簡化全光函式，以達到要求的實時繪製圖像的效果。
我們透過限制觀察者在一些離散的給定點觀察場景，並忽略維全光函式中的波長、時間等其他引數，便得到一個維的全光函式：
其中, 、分別對應於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式表達，又稱為基於全景圖集合的方法。
三、基於點的繪製技術
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取樣得到的離散點用來隱式地表示物體的表面。與傳統的三角網格模型相比，點模型最顯著的特點就是它不包含任何拓撲資訊，如點與點之間的連線關係及點的鄰域資訊等，因此常被用來構建幾何體難以描述的“軟”物體(如煙、雲、灰塵、火焰、水和樹等)。
基於點的繪製技術將點作為繪製基本元素。透過適當的取樣，場景物件被表示成一組密集的表面取樣點，與這些點一起儲存的還有點的顏色、深度和表面法向量等資訊，根據這些點的資訊經過表面重構，生成連續表面而非離散點雲構成的真實感圖形。使用點的幾何資訊，加上基於點的光照、紋理、陰影等處理就可得到真實感圖形。由於儲存了點及其幾何資訊，並且點的取樣與視點無關，所以，基於點的某些處理過程可以從繪製過程分離，並經過一次取樣後，可以進行多次不同視角的場景繪製，這樣就提高了繪製速度，達到互動實時繪製的目的。
點繪製技術要注意三個關鍵點：
1. 儲存效率。基於點的繪製方法只要求儲存點的幾何資訊，而不需要點與點間的連線結構資訊，看上去儲存效率似乎高，其實不然。因為用點表示場景所需要的取樣點比多邊形網格多的多，因此，如何有效儲存這些點是要解決的一個關鍵問題。
2. 繪製效能。這是採用基於點繪製技術的主要動機，當場景高度複雜，構成場景的三角片在螢幕投影比一個象素還小時，繪製單個點會更加有效。當前基於軟體實現的點繪製演算法和部分硬體加速演算法都以提高繪製效能為其目標之一。
3. 繪製質量。點繪製技術最關鍵的工作是由離散點在螢幕重構沒有空洞的連續表面。給定一組表面取樣點，可以方便地把它們由物體空間轉換到螢幕空間，並對映到螢幕象素，當多個表面的取樣點對映到一個螢幕象素時，透過多種方法可以解決可見性問題，但困難在於，一個表面的取樣點並不能對映到這個表面在螢幕上的所有象素，因而可能產生空洞。 解決這一問題的不同途徑產生了目前各種各樣的繪製方法，並且仍是進一步研究的關鍵。
四、基於圖形與影象的混合繪製技術
基於幾何模型的繪製方法和基於影象的繪製方法在解決通用平臺實時真實感繪製問題上均存在著侷限性，這使研究者開始考慮將兩者結合起來，互補長短，尋找達到目標的新途徑。
所謂混合繪製，指的就是同時採用幾何及影象作為基本元素來繪製畫面的技術。該技術根據一定的標準，動態地將部分場景簡化為對映到簡單幾何體上的紋理影象，若簡化引起的誤差小於給定閾值，就直接利用紋理影象取代原場景幾何來繪製畫面。簡單幾何面置於被簡化景物的中心，而簡化誤差被嚴格控制在給定的閾值內。這種繪製技術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後排序，所生成的圖形質量也很高。
混合繪製最明顯的應用是採用環境映照來表示遠距離景物，如天空、山脈等，而近距離景物則採用傳統幾何繪製模式。該技術在各種模擬器的動態模擬及三維遊戲中得到了廣泛的應用，它可在一定誤差條件下，以較少的代價來快速生成場景畫面。但由於不論視點在何位置，對整個場景均取統一的環境映照，因而所生成的影象存在著較大的誤差。
1996年，Shade等人提出了層次影象儲存演算法。該演算法的基本出發點是，當景物離視點較遠時，在前後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影象儲存起來，並以該影象作為紋理對映到一簡單幾何體上，以近似取代該景物在其後續畫面中的繪製，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製效率。但是，當場景中有很多可見景物時，利用上述方法將產生非常多的紋理影象，需佔用大量儲存空間。為此，Shade等人利用二叉剖分技術對場景進行層次剖分，每 個節點中的.所有景物根據其距離視點的遠近，動態地在幾何描述和紋理影象之間切換。這一演算法的主要貢獻在於給出了一種紋理表示與原景物幾何描述間的誤差估計，並給出了視點運動的安全區域。但該演算法由於採用從後至前的繪製順序來生成畫面，因而對於高度複雜的場景，演算法的效率將受到嚴重的影響。
為了提高繪製精度，Sillion等利用帶紋理的多邊形網格來逼近遠距離景物，而近景則仍採用傳統的幾何繪製技術。考慮到對於高度複雜場景來說，將遠距離景物簡經成其紋理表示仍是一個非常耗時的過程，Sillion等採用預處理的方法來生成在不同視點範圍處的遠景紋理影象網格。與Shade的演算法相比，這一演算法具有更高的逼近精度。
後來，Snyder等人推出了一種新的動態場景自動分層技術，該技術基於K-d 樹結構及傳統的Newell消隱演算法，設計了一個適合於動態場景的空間剖分技術，進而實現了動態場墳的自動排序和分層。
五、結論與展望
基於影象的繪製技術擺脫了處理複雜幾何建模的困難, 透過與計算機視覺、虛擬現實等技術的結合將得到更快更好的發展。
基於點的繪製技術各類方法中，基於高斯濾波的表面足跡法呈現好的圖象品質，可作為重點研究內容。如對取樣模型中尖銳特徵的繪製及採用硬體加速提高高品質圖形的繪製速度。具有PHONG明暗著色的表面繪製，因基於變化的法向量，如何由離散點資訊獲取它們的值，也有許多新方法、新技術有待深入研究和開發。當前各種多分辨層次模型常專門針對某一種特定繪製演算法，並且是不可交換使用的，如何設計有效的資料儲存方式，以及在儲存點的基本資訊的同時，增加點的不透明度、曲率、散射函式等輔助資訊仍值得研究。另外，在基於點的繪製技術中，由於點與點之間繪製次序的獨立性，點繪製方法的並行實現對提高繪製質量和繪製速度將更加可行和有效，基於點的並行繪製也是值得研究的問題。
由於混合繪製技術研究還剛剛起步，還有待在下列問題或方面進一步研究和發展：
1. 有效的資料表示。為了達到基於影象的實時繪製，人們常常要在真實感和實
時性之間做權衡。許多系統不得不決定採用多少幾何和多少影象；這樣為了同時提高真實感和實時性，必須採取有效的資料表示。例如在繪製時採用從壓縮資料直接繪製以及多解析度表示，有效地節約了存取開銷，同時又不影響繪製速度和真實感。
2. 重建景物表面的光照屬性。目前大多數影象繪製演算法都是假設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，這種假設是理想化的，與實際應用具有很大的差距。因此，影象繪製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. 動態環境的繪製。直到目前為止，大多數基於影象的實時繪製技術方法都是
集中於靜態環境。隨著影片技術的發展，人們希望基於影象的實時繪製技術也能夠應用到動態動態環境的繪製。這樣必須研究：取樣（應該捕獲多少幅圖片）和壓縮（怎樣減少資料量）。
參考文獻：
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