基于微面元理論的分層材質建模與繪制技術研究項目摘要

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

分層材質建模與繪制是目前計算機圖形領域研究的熱點和難點。由于分層材質能夠更精確地描述現(xiàn)實世界中的材質，其在圖形繪制中的應用可以顯著提高繪制結果的物理真實感。本項目從微面元理論的角度研究分層材質的建模與繪制技術，詳細探討了基于微面元理論的材質模型中法向分布、Fresnel反射和微面元間陰影遮擋等在擴展到處理分層材質時的計算方式，著重討論多次內反射、層內介質散射和吸收對次表面反射效果的影響。在此基礎上，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。針對逆反射材質和特效涂料材質，我們基于擴展微面元理論提出了相應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用驗證了本項目提出的復雜材質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。本項目是材質建模與繪制方面的基礎性研究工作，具有重要的學術意義和應用價值。

本課題圍繞基于過程的城市建筑三維建模技術開展理論方法和關鍵技術研究工作，重點開展了基于單張圖像的建筑物組件重復性檢測與幾何過程建模技術，基于圖像集的建筑建模、組件幾何和反射屬性建模技術，基于GIS數(shù)據(jù)的城市虛擬場景快速建模技術與工具等研究工作。 在基于單張圖像的建筑物過程建模技術方面，研究了針對單張圖像建筑物重復性組件的檢測算法、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方面，以未標定數(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)的恢復與分割、建筑物組件重復性檢測、建筑物前后層結構自動提取等技術，能夠全自動的重構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方面，研究了基于本征圖像分解的建筑物組件材質反射屬性建模技術、基于徑向基函數(shù)的逐像素組件深度插值算法，從而構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。項目負責人獲2013年教育部技術發(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是當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，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、方法和關鍵技術，主要包括：建筑語義規(guī)則的表示方法，基于數(shù)據(jù)驅動的建筑語義規(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建方法。研究成果在智慧城市構建、文化遺產數(shù)字化，數(shù)字娛樂與游戲等領域具有重要應用價值。