面向交互应用的真实感与抽象化绘制技术研究

绘制技术是计算机图形学的关键领域，有真实感与非真实感两大分支。真实感绘制生成高度逼真的画面。非真实感绘制产生抽象和艺术两种效果，其中抽象化图像能够提高人们的视觉沟通效率。由于绘制所涵盖的内容非常广泛，本文主要针对真实感绘制技术以及非真实感绘制中的抽象化技术，研究如何使这些技术满足交互式应用的需求。交互式绘制在工业界和日常生活中有很多重要的应用场合，如工程与艺术设计、虚拟手术、教学辅助等等。交互式系统的响应时间必须足够短，使得用户可以连续地观察并进行交互操作，还必须提供给用户最大的操作自由。 然而，绘制算法的运行速度、画面质量和使用的灵活程度是互相冲突的指标。本文提出一些有效的方法，以使这三个目标达到较好的折衷。这些方法如下： 1) 提出一项可支持近距离点光源、材质和视点同时变化的全局光照计算技术。在对光的传播过程的模拟中，我们利用光能分布在时间上和空间上的相关性，将相邻的采样点进行聚类，并在相邻的帧之间对聚类进行渐进式调整。使用二叉树来组织聚类划分，把复杂的间接光照问题化解成了简单的累加及少量的合并与分裂操作，方便地在GPU上并行执行。这样就实现了交互式重光照，并支持局部光设计与材质设计。 2) 提出一项基于中介面的光线跟踪新算法，可以交互式地渲染动态场景的反射、折射和阴影效果。中介面分布在场景中，以记录不同方向的光线将要相交的几何面片。利用这些中介面，光线跟踪算法中查找光线的相交面片这一相当耗时的过程可以通过图形处理器（GPU）上的纹理查询等简单操作来高效实现，从而极大地提高了绘制速度。 3) 提出一个图像序列的自动抽象化计算框架，可同时提高图像和视频的可压缩性和可理解性，以满足实时视频通信的应用需求。该框架以心理学研究中关于人的视觉感知规律为指导，用一个非线性扩散算法来突出对人眼最为敏感的结构信号并减弱无关的纹理细节，从而提高了观察者的理解效率和视频的传输效率。对于非线性扩散的具体实现，本文提出了一个时空域上的改进的双边滤波器和一个基于GPU的交互式均值移动算法，供用户选择，以在速度和质量之间权衡。 4) 提出一项纹理合成的加速方法，可以应用到图像类推算法中以实现交互式的抽象化绘制。我们通过生成并优化纹理块的邻接集合，来节省纹理合成中大量的相似性度量计算，从而减少匹配冲突，有效地提高了合成的效率。特别是，该方法可以交互式地合成大纹理，这是已有合成方法所难以达到的。 通过上述方案，本文使真实感与抽象化绘制技术能够以更快的速度生成令人满意的结果，给人们带来或者高逼真的或者有助于沟通的视觉体验，且具有良好的操作自由。