基于微面元理論的分層材質(zhì)建模與繪制技術(shù)研究

分層材質(zhì)建模與繪制是目前計算機圖形領(lǐng)域研究的熱點和難點。由于分層材質(zhì)能夠更精確地描述現(xiàn)實世界中的材質(zhì)，其在圖形繪制中的應(yīng)用可以顯著提高繪制結(jié)果的物理真實感。本項目從微面元理論的角度研究分層材質(zhì)的建模與繪制技術(shù)，詳細(xì)探討了基于微面元理論的材質(zhì)模型中法向分布、Fresnel反射和微面元間陰影遮擋等在擴展到處理分層材質(zhì)時的計算方式，著重討論多次內(nèi)反射、層內(nèi)介質(zhì)散射和吸收對次表面反射效果的影響。在此基礎(chǔ)上，我們提出了擴展法向分布函數(shù)（ENDF）的概念，并采用擴展法向分布函數(shù)高效處理次表面反射。針對逆反射材質(zhì)和特效涂料材質(zhì)，我們基于擴展微面元理論提出了相應(yīng)的高真實感繪制算法。最后，通過在離線繪制引擎和實時繪制場景中的應(yīng)用驗證了本項目提出的復(fù)雜材質(zhì)建模與繪制方法的有效性和高效性。相比于傳統(tǒng)的模型，基于微面元理論的材質(zhì)模型具有高效性、統(tǒng)一性、輕量級以及可擴展性等優(yōu)勢。本項目是材質(zhì)建模與繪制方面的基礎(chǔ)性研究工作，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。

分層材質(zhì)建模與繪制是目前計算機圖形領(lǐng)域研究的熱點和難點。由于分層材質(zhì)能夠更精確地描述現(xiàn)實世界中的材質(zhì)，其在圖形繪制中的應(yīng)用可以顯著提高繪制結(jié)果的物理真實感。本項目將從微面元理論的角度研究分層材質(zhì)的建模與繪制技術(shù)，詳細(xì)探討基于微面元理論的材質(zhì)模型中法向分布、Fresnel反射和微面元間陰影遮擋等在擴展到處理分層材質(zhì)時的計算方式，著重討論多次內(nèi)反射、層內(nèi)介質(zhì)散射和吸收對次表面反射效果的影響，并基于adding-doubling方法推廣到處理多層分層材質(zhì)。最后，通過在離線繪制引擎和實時繪制場景中的應(yīng)用來驗證本項目提出的分層材質(zhì)模型的有效性和高效性。相比于傳統(tǒng)的分層材質(zhì)模型，基于微面元理論的分層材質(zhì)模型具有高效性、統(tǒng)一性、輕量級以及可擴展性等優(yōu)勢。本項目是材質(zhì)建模與繪制方面的基礎(chǔ)性研究工作，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。

本課題圍繞基于過程的城市建筑三維建模技術(shù)開展理論方法和關(guān)鍵技術(shù)研究工作，重點開展了基于單張圖像的建筑物組件重復(fù)性檢測與幾何過程建模技術(shù)，基于圖像集的建筑建模、組件幾何和反射屬性建模技術(shù)，基于GIS數(shù)據(jù)的城市虛擬場景快速建模技術(shù)與工具等研究工作。 在基于單張圖像的建筑物過程建模技術(shù)方面，研究了針對單張圖像建筑物重復(fù)性組件的檢測算法、建筑規(guī)則和組件生成算法。從分割的單張圖像中自動生成三維建筑組件、建筑規(guī)則及三維建筑模型。通過簡單的人工交互可以生成風(fēng)格相同、形狀可變的三維建筑模型。在基于圖像集的建筑建模技術(shù)方面，以未標(biāo)定數(shù)碼相機拍攝的建筑物多幅照片為輸入，提出了一系列算法，研究了建筑物三維點云數(shù)據(jù)的恢復(fù)與分割、建筑物組件重復(fù)性檢測、建筑物前后層結(jié)構(gòu)自動提取等技術(shù)，能夠全自動的重構(gòu)出逼真度較高的建筑物三維模型。在基于圖像集的建筑物組件幾何和反射屬性建模技術(shù)方面，研究了基于本征圖像分解的建筑物組件材質(zhì)反射屬性建模技術(shù)、基于徑向基函數(shù)的逐像素組件深度插值算法，從而構(gòu)建出可重光照的建筑物組件模型。在基于GIS數(shù)據(jù)和過程建模技術(shù)的城市場景快速建模方面，通過解析地理信息數(shù)據(jù)，提取地圖數(shù)據(jù)中的建筑位置和朝向信息，結(jié)合本課題已研究的單個建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部區(qū)域的三維場景，研制了場景建模工具原型系統(tǒng)。 在本項目資助下，發(fā)表論文10篇（SCI檢索2篇、EI檢索4篇）、專利申請2項、專利授權(quán)2項，其中8篇文章發(fā)表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推薦國際B類、C類期刊與會議上。項目負(fù)責(zé)人獲2013年教育部技術(shù)發(fā)明一等獎1項，排名第7（總發(fā)明人數(shù)為9），并晉升副教授。3名碩士在本項目資助下完成畢業(yè)論文，2名博士基本完成論文。 2100433B

基于過程的建模技術(shù)是當(dāng)前城市建模研究的新途徑之一，但是建筑語義規(guī)則大多由人工創(chuàng)建或由單幅圖像交互生成，建筑組件簡單，建模效果逼真度較差。因此，本項目將研究基于多尺度照片集的城市過程建模技術(shù)，利用照片集多尺度、多視點、多光照的特點，研究建筑規(guī)則自動生成，建筑組件逼真建模，結(jié)合GIS和衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的城市道路及場景建模等理論、方法和關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：建筑語義規(guī)則的表示方法，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建筑語義規(guī)則生成方法；研究基于多尺度室外場景圖像重構(gòu)建筑組件幾何和反射屬性的建模方法；研究基于GIS數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖像的城市場景快速構(gòu)建方法。研究成果在智慧城市構(gòu)建、文化遺產(chǎn)數(shù)字化，數(shù)字娛樂與游戲等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。