基于微面元理论的分层材质建模与绘制技术研究

分层材质建模与绘制是目前计算机图形领域研究的热点和难点。由于分层材质能够更精确地描述现实世界中的材质，其在图形绘制中的应用可以显著提高绘制结果的物理真实感。本项目从微面元理论的角度研究分层材质的建模与绘制技术，详细探讨了基于微面元理论的材质模型中法向分布、Fresnel反射和微面元间阴影遮挡等在扩展到处理分层材质时的计算方式，着重讨论多次内反射、层内介质散射和吸收对次表面反射效果的影响。在此基础上，我们提出了扩展法向分布函数（ENDF）的概念，并采用扩展法向分布函数高效处理次表面反射。针对逆反射材质和特效涂料材质，我们基于扩展微面元理论提出了相应的高真实感绘制算法。最后，通过在离线绘制引擎和实时绘制场景中的应用验证了本项目提出的复杂材质建模与绘制方法的有效性和高效性。相比于传统的模型，基于微面元理论的材质模型具有高效性、统一性、轻量级以及可扩展性等优势。本项目是材质建模与绘制方面的基础性研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。

分层材质建模与绘制是目前计算机图形领域研究的热点和难点。由于分层材质能够更精确地描述现实世界中的材质，其在图形绘制中的应用可以显著提高绘制结果的物理真实感。本项目将从微面元理论的角度研究分层材质的建模与绘制技术，详细探讨基于微面元理论的材质模型中法向分布、Fresnel反射和微面元间阴影遮挡等在扩展到处理分层材质时的计算方式，着重讨论多次内反射、层内介质散射和吸收对次表面反射效果的影响，并基于adding-doubling方法推广到处理多层分层材质。最后，通过在离线绘制引擎和实时绘制场景中的应用来验证本项目提出的分层材质模型的有效性和高效性。相比于传统的分层材质模型，基于微面元理论的分层材质模型具有高效性、统一性、轻量级以及可扩展性等优势。本项目是材质建模与绘制方面的基础性研究工作，具有重要的学术意义和应用价值。

本课题围绕基于过程的城市建筑三维建模技术开展理论方法和关键技术研究工作，重点开展了基于单张图像的建筑物组件重复性检测与几何过程建模技术，基于图像集的建筑建模、组件几何和反射属性建模技术，基于GIS数据的城市虚拟场景快速建模技术与工具等研究工作。 在基于单张图像的建筑物过程建模技术方面，研究了针对单张图像建筑物重复性组件的检测算法、建筑规则和组件生成算法。从分割的单张图像中自动生成三维建筑组件、建筑规则及三维建筑模型。通过简单的人工交互可以生成风格相同、形状可变的三维建筑模型。在基于图像集的建筑建模技术方面，以未标定数码相机拍摄的建筑物多幅照片为输入，提出了一系列算法，研究了建筑物三维点云数据的恢复与分割、建筑物组件重复性检测、建筑物前后层结构自动提取等技术，能够全自动的重构出逼真度较高的建筑物三维模型。在基于图像集的建筑物组件几何和反射属性建模技术方面，研究了基于本征图像分解的建筑物组件材质反射属性建模技术、基于径向基函数的逐像素组件深度插值算法，从而构建出可重光照的建筑物组件模型。在基于GIS数据和过程建模技术的城市场景快速建模方面，通过解析地理信息数据，提取地图数据中的建筑位置和朝向信息，结合本课题已研究的单个建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部区域的三维场景，研制了场景建模工具原型系统。 在本项目资助下，发表论文10篇（SCI检索2篇、EI检索4篇）、专利申请2项、专利授权2项，其中8篇文章发表在《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推荐国际B类、C类期刊与会议上。项目负责人获2013年教育部技术发明一等奖1项，排名第7（总发明人数为9），并晋升副教授。3名硕士在本项目资助下完成毕业论文，2名博士基本完成论文。 2100433B

基于过程的建模技术是当前城市建模研究的新途径之一，但是建筑语义规则大多由人工创建或由单幅图像交互生成，建筑组件简单，建模效果逼真度较差。因此，本项目将研究基于多尺度照片集的城市过程建模技术，利用照片集多尺度、多视点、多光照的特点，研究建筑规则自动生成，建筑组件逼真建模，结合GIS和卫星图像数据的城市道路及场景建模等理论、方法和关键技术，主要包括：建筑语义规则的表示方法，基于数据驱动的建筑语义规则生成方法；研究基于多尺度室外场景图像重构建筑组件几何和反射属性的建模方法；研究基于GIS数据和卫星图像的城市场景快速构建方法。研究成果在智慧城市构建、文化遗产数字化，数字娱乐与游戏等领域具有重要应用价值。