可調(diào)節(jié)光學(xué)參數(shù)的人體皮膚渲染技術(shù)研究.pdf

1、人體皮膚渲染技術(shù)在電影制作、電子游戲、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的作用。隨著人們對渲染真實(shí)的人體皮膚乃至虛擬人物的需求越來越高，皮膚渲染漸漸成為計算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的重要課題。完全模擬光線在皮膚中的傳輸開銷太大，如何在盡量保持真實(shí)感的情況下減少計算開銷是皮膚渲染方面的重點(diǎn)發(fā)展方向；研究皮膚參數(shù)對膚色、通透性的影響，不僅有助于渲染更真實(shí)的皮膚，而且在其他領(lǐng)域也有重要的作用。
　　本文以可調(diào)節(jié)參數(shù)的人體皮膚渲染技術(shù)為主題，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個結(jié)合人體皮

2、膚生物學(xué)參數(shù)的皮膚渲染引擎，研究不同參數(shù)條件下皮膚的外觀特征，體現(xiàn)生物學(xué)參數(shù)對皮膚外觀的影響。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文分三個方面進(jìn)行了研究，從離線渲染到實(shí)時渲染，完成了一套解決方案。
　　首先，現(xiàn)有的Multipole漫射模型(diffusion model)并不能很好地處理厚度小于兩個平均自由程(mean free path)的薄層介質(zhì)，其中包括了本文將要研究的皮膚。針對這一問題，本文提出一種易于實(shí)現(xiàn)、不影響性能的擴(kuò)展方法，通過將

3、光線分解為直接透射光和漫射光兩部分，解決了這一問題。通過和Monte-Carlo方法的比較，本文驗(yàn)證了擴(kuò)展方法在處理小于兩個平均自由程厚度的薄層時的準(zhǔn)確性。
　　隨后，本文將擴(kuò)展方法應(yīng)用于皮膚渲染。本文從微觀和亞觀層面的皮膚結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過對各種皮膚結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的分析，建立了一個適合參數(shù)調(diào)整的皮膚模型。在將擴(kuò)展方法應(yīng)用于皮膚渲染的同時，本文針對渲染過程，借鑒了實(shí)時渲染的一些思路，提出了表面點(diǎn)生成和紋理應(yīng)用相關(guān)方面的改進(jìn)。通過該皮膚模

4、型，本文比較了不同參數(shù)下皮膚的外觀的變化，并使用該模型，匹配了高加索人種、亞洲人種、非洲人種等皮膚，體現(xiàn)了該模型較為廣泛的適用范圍。
　　離線渲染的一大劣勢是其渲染速度。為了能夠在調(diào)整皮膚參數(shù)時，實(shí)時獲得反饋，本文結(jié)合實(shí)時渲染方法，使用預(yù)計算插值的思路，通過對一系列細(xì)節(jié)的分析完善了預(yù)計算插值方法。本文使用預(yù)計算插值方法，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)時調(diào)整皮膚參數(shù)。與離線渲染效果的對比以及性能測試、錄制的視頻表明，本文實(shí)現(xiàn)的實(shí)時調(diào)整皮膚參數(shù)方法較為